具有耐磨鈷涂層的活塞環(huán)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種活塞環(huán)(20)，該活塞環(huán)具有底面(22)、頂面(24)、內(nèi)徑表面(26)和至少一個跑合面(28)?；就耆赦捴瞥傻姆滥p涂層(30)涂覆于至少一個跑合面，以保護活塞環(huán)的基底材料。特別地，在發(fā)動機的運行過程中，較耐用的鈷耐磨涂層會與氣缸壁滑動接觸，而不是鋼或鑄鐵制成的基底材料與氣缸壁滑動接觸。鈷涂層例如可通過電解沉積或者等離子噴涂進行涂覆。
【專利說明】具有耐磨鈷涂層的活塞環(huán)
相關(guān)申請的交叉引用
[0001]本專利申請要求2011年11月9日提交的題為“具有耐磨鈷涂層的活塞環(huán)”的第61/557，589號美國臨時專利申請的權(quán)利，其全部內(nèi)容作為本申請的一部分且通過引用合并于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及活塞環(huán)，更確切的說，涉及用于內(nèi)燃機的活塞環(huán)以及制造該活塞環(huán)的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]內(nèi)燃機最近的發(fā)展導(dǎo)致了發(fā)動機燃燒室內(nèi)壓縮壓力的增大以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高。因此，此類發(fā)動機的活塞上的活塞環(huán)與發(fā)動機的氣缸壁之間具有更加激烈的摩擦，這可能導(dǎo)致未被保護的活塞環(huán)過度磨損，從而造成活塞和氣缸壁之間的密封減弱。
[0004]用于內(nèi)燃機的活塞環(huán)典型地由鑄鐵或者鋼制材料制成。用于強化鑄鐵環(huán)或者鋼環(huán)的一種工藝是圍繞活塞環(huán)的至少外徑表面涂覆一層純鉻。由于鉻直接接觸氣缸壁并且防止鑄鐵或者鋼與氣缸壁之間摩擦或滑動接觸，因此這是有利的。另一種已知的工藝是將含有小于70重量百分比的鈷以及其余為鉻的涂層涂覆在活塞環(huán)的外徑表面上。在此類涂層中，鉻提供了主要的防磨損功能，而鈷則作為鉻的粘合劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種活塞環(huán)，其包括一底面、一頂面、一內(nèi)徑表面和至少一個跑合面。一基本完全由鈷制成的防磨損涂層涂覆于該至少一個跑合面。該更耐用的鈷防磨損表面防止了活塞環(huán)的基底材料在發(fā)動機運行過程中與氣缸壁滑動接觸，從而提高了活塞環(huán)的壽命。此外，與未涂覆的活塞環(huán)或者具有其它類型涂層的活塞環(huán)相比，可見該鈷防磨損涂層基本減少了能夠流過活塞環(huán)的油量。如此，與其他已知的活塞環(huán)相比，根據(jù)本發(fā)明這個方面構(gòu)造的活塞環(huán)改善了性能。
[0006]本發(fā)明的另一個方面是一種制造活塞環(huán)的方法。該方法包括制備具有一底面、一頂面、一內(nèi)徑表面和至少一個跑合面的活塞環(huán)的步驟。該方法繼而包括將一基本完全由鈷制成的涂層涂覆在活塞環(huán)的至少一個工作面上的步驟。該鈷防磨損涂層例如可通過電解沉積或者等離子噴涂涂覆。這兩種工藝都不昂貴，并且因此能夠更經(jīng)濟地改善鈷防磨損涂層的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]參閱附圖，以及同樣參閱以下詳細說明，本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點將更易于領(lǐng)會和理解，其中:
[0008]圖1是第一個典型活塞環(huán)的立體圖；[0009]圖2是沿著圖1的線2-2剖開的第一個典型活塞環(huán)的剖視圖；
[0010]圖3是第二個典型活塞環(huán)的剖視圖；
[0011]圖4a_d分別是沿著正面、左側(cè)、右側(cè)和底部剖開的第二個典型活塞環(huán)的放大剖視圖；以及
[0012]圖5是從第二個典型活塞環(huán)上的涂層中取出的試樣的放大剖視圖。
【具體實施方式】
[0013]參閱附圖，其中所有附圖的類似的附圖標(biāo)記用于標(biāo)記相應(yīng)的部分，根據(jù)本發(fā)明的一個方面構(gòu)造的活塞環(huán)20的第一個典型實施例大體如圖1所示。如圖所示，典型的活塞環(huán)20具有底面22、頂面24、內(nèi)徑表面26和外徑表面(以下稱為“跑合面28”)?；钊h(huán)20的基底材料優(yōu)選為鋼或者鑄鐵，但也可采用其它適合的材料，活塞環(huán)20優(yōu)選地通過機械加工成型，但也可通過任何適合的工藝成型。與傳統(tǒng)的活塞環(huán)一樣，當(dāng)活塞環(huán)適當(dāng)?shù)匕惭b在內(nèi)燃機(圖中未示)的缸膛(圖中未示)內(nèi)的活塞(圖中未示)上時，活塞環(huán)20的內(nèi)徑表面26與活塞中的凹槽密封配合，而且跑合面28與氣缸壁的內(nèi)表面可滑動的接觸，因此在活塞和氣缸壁之間形成了氣密密封。該典型的活塞環(huán)20為具有錐形狀(即外徑表面28是錐形的)的壓縮環(huán)。但是，應(yīng)當(dāng)理解的是，活塞環(huán)20可以是刮油環(huán)、護油環(huán)或者任何滿足需要的活塞環(huán)類型并且可以具有一系列不同的形狀。
[0014]第一個典型活塞環(huán)20還包括防磨損涂層30，該防磨損涂層30基本完全由鈷組成并且基本僅沿著跑合面28設(shè)置，以在發(fā)動機運行過程中保護活塞環(huán)20的基底材料。鈷涂層30沿著活塞環(huán)20的整個圓周設(shè)置以防止活塞環(huán)20的基底材料與氣缸壁接觸。如此，由于在發(fā)動機運行過程中 ，更耐用的鈷涂層30與氣缸壁摩擦或者滑動接觸，而不是活塞環(huán)20的基底材料與氣缸壁摩擦或者滑動接觸，因而增加了活塞環(huán)20的壽命。對發(fā)動機中活塞環(huán)20的第一個典型實施例進行測試，得到了出乎意料的每小時低于0.02盎司的低油耗率，這基本上低于與之相比的未涂覆的活塞環(huán)或者具有其它涂層的活塞環(huán)。
[0015]由于鈷涂層30基本僅沿著跑合面28設(shè)置，因此鈷涂層30的材料成本得以最小化。另外，僅沿著跑合面28設(shè)置鈷涂層30還可考慮到特定的制造優(yōu)勢，這是因為通過將活塞環(huán)20堆疊在另一個活塞環(huán)之上并且同時電解沉積或者噴涂它們的跑合面28可以使鈷涂層30同時被涂敷于多個活塞環(huán)20。
[0016]鈷涂層30優(yōu)選地基本由純鈷組成，并且優(yōu)選地具有介于八至十二微米(8-12 μ m)之間的大致均勻的厚度，并且最優(yōu)選地約為10微米(?ομπι)。具有?ομπι厚涂層30的鈷涂覆活塞環(huán)20的發(fā)動機的測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生了極低的磨損率和油耗率。但是，應(yīng)當(dāng)理解的是，鈷涂層30可具有任何所需厚度。
[0017]根據(jù)本發(fā)明這一方面構(gòu)造的第二個典型活塞環(huán)120大致如圖3-8所示，且相同的附圖標(biāo)記增加100以用于表示上述類似的特征?；钊h(huán)120的第二個典型實施例通過除了跑合面128以外還涂敷于底面122、頂面124和內(nèi)徑表面126的鈷涂層130與上述的第一個典型實施例加以區(qū)分。
[0018]第一個典型活塞環(huán)成型后，使基底材料具有預(yù)定的微觀結(jié)構(gòu)。在完成熱處理工藝后，在活塞環(huán)20上基本僅沿其跑合面28涂覆基本完全由鈷組成的防磨損涂層30。
[0019]本發(fā)明的另一個方面提供了一種制造活塞環(huán)20的方法，例如上述的第一個典型實施例。該方法始于制備具有底面22、頂面24、內(nèi)徑表面26和至少一個跑合面28的活塞環(huán)20的步驟。該活塞環(huán)20例如可以是壓縮環(huán)、刮油環(huán)或者護油圈，可以具有任何所需的形狀并且可通過任何適合的成型工藝成型。
[0020]該方法繼而包括將基本完全由鈷組成的防磨損涂層30涂覆在活塞環(huán)20的至少一個跑合面28上的步驟。該方法可另外包括將涂層30除了涂覆于跑合面28之外還涂敷在底面22、頂面24和內(nèi)徑表面26中的一個或多個上的步驟。在一個實施例中，涂覆步驟進一步定義為將涂層30電解沉積至活塞環(huán)20上。在電解沉積過程中，活塞環(huán)20的基底材料是帶負電荷的并且被浸入帶正電荷的鈷電解液中，這會導(dǎo)致鈷和基底材料之間相互結(jié)合。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該電解沉積工藝能夠跨越待涂覆的區(qū)域提供足夠均勻厚度的涂層30。根據(jù)另一個實施例，涂覆步驟進一步定義為將涂層30等離子噴涂至活塞環(huán)20上。
[0021]顯然，根據(jù)以上教導(dǎo)，本發(fā)明在權(quán)利要求的范圍內(nèi)還可能具有多種修改和變化，且可通過具體描述之外的方式實現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種活塞環(huán)，其特征在于，該活塞環(huán)包括: 一底面、一頂面、一內(nèi)徑表面和至少一個跑合面；以及 一基本完全由鈷制成的涂覆于所述至少一個跑合面的防磨損涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述防磨損涂層基本僅涂覆于所述至少一個跑合面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述防磨損涂層除了涂覆于所述跑合面以外，還涂覆于所述底面、所述頂面和所述內(nèi)徑表面中的至少一個。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述防磨損涂層涂覆于所有所述底面、頂面、內(nèi)徑表面和跑合面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述防磨損涂層為純鈷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述防磨損涂層的厚度為8-12微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述防磨損涂層的厚度為10微米。
8.—種制造活塞環(huán)的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 制備具有底面、頂面、內(nèi)徑表面和至少一個跑合面的活塞環(huán)；以及 將基本完全由鈷制成的防磨損涂層涂覆在所述活塞環(huán)的至少一個跑合面上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述涂覆涂層的步驟進一步定義為將基本完全由鈷制成的涂層電解沉積在所述活塞環(huán)的至少一個跑合面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括將所述涂層除了涂覆于至少一個跑合面之外，還涂覆在所述底面、頂面和內(nèi)徑表面中的至少一個上的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括將所述涂層涂覆在所有所述底面、頂面、內(nèi)徑表面和跑合面上的步驟。
【文檔編號】F16J9/26GK104040225SQ201280065881
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月9日
【發(fā)明者】詹姆斯·托特, 米切爾·T·馬什 申請人:費德羅-莫格爾公司