本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)，其中，至少活塞環(huán)的外表面設(shè)置有涂層，由于其高水平的耐磨性以及低水平的滑動(dòng)磨損，因此提供了良好的耐久性。

背景技術(shù)：

內(nèi)燃機(jī)基本上由兩個(gè)主要部分形成：發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)氣缸)和與一個(gè)或多個(gè)缸蓋(head)相連的曲柄軸組件。曲柄軸組件包括活塞、連桿和曲柄軸，該組件負(fù)責(zé)在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的氣缸內(nèi)部移動(dòng)活塞?；钊侵尾考?，通常由金屬基底組成，并且包括一個(gè)或多個(gè)環(huán)，環(huán)負(fù)責(zé)在活塞的外邊緣和氣缸的內(nèi)壁之間提供滑動(dòng)密封。

活塞在氣缸的內(nèi)部移動(dòng)期間，活塞應(yīng)該完全粘附至氣缸壁，以這種方式在壓縮以及燃燒期間防止空氣和燃料的混合以及防止排氣從燃燒室逃出至油底殼的內(nèi)部，此外，防止底殼中的油傳遞至燃燒區(qū)域的內(nèi)部。由于這種方案將引起高水平的磨損，因此所發(fā)現(xiàn)的方案已經(jīng)在活塞和氣缸的內(nèi)壁之間設(shè)計(jì)小程度的間隙，在活塞周圍插入一個(gè)或多個(gè)環(huán)以便保證必要的絕緣。

通常，大多數(shù)現(xiàn)代4-沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在每個(gè)活塞上使用三個(gè)環(huán)，這些環(huán)中的兩個(gè)是壓縮環(huán)，另一個(gè)是油環(huán)。放置成靠近活塞頭部的兩個(gè)環(huán)公知為壓縮段，它們的目的是確保當(dāng)活塞執(zhí)行壓縮移動(dòng)時(shí)不存在氣態(tài)混合物滲漏至底殼的內(nèi)部。第三活塞環(huán)公知為油環(huán)，其目的是從氣缸的壁刮除多余的油，從而控制油膜的厚度。

通常，活塞環(huán)由金屬外表面形成，至少一個(gè)適合于接觸氣缸壁的涂層施加至該金屬外表面。

涂層的功能極其重要，這是由于其力圖在環(huán)上賦予低滑動(dòng)磨損、高耐磨性、硬度以及耐久性的屬性。但是，這些屬性中的許多屬性相互矛盾并且他們中一個(gè)屬性的增加導(dǎo)致另一屬性的性能降低。此外應(yīng)該注意的是，環(huán)經(jīng)受的應(yīng)力沿著它們的表面變化，即，環(huán)并不均勻地承受所有力。

通常，使用離子鍍方法，尤其物理氣相沉積(pvd)、化學(xué)氣相沉積(cvd)或者電鍍方法來(lái)施加涂層。

依靠研究、測(cè)試以及模擬，申請(qǐng)人能夠觀察到，活塞環(huán)、具體地壓縮環(huán)在環(huán)的端部的區(qū)域中經(jīng)受過(guò)早磨損。

在這方面，代表性的現(xiàn)有技術(shù)是us文獻(xiàn)us2004056425，其涉及一種pvd涂層方法，該方法確保具有改變厚度的涂層，在環(huán)的端部區(qū)域中涂層的厚度1.5至4倍厚于施加在環(huán)的端部附近的外側(cè)區(qū)域的涂層。

采用的制造方法涉及可變轉(zhuǎn)速，使得當(dāng)環(huán)的端部區(qū)域面向涂層材料的料源時(shí)該速度將最小，這意味著環(huán)的端部附近的區(qū)域中的厚度大于環(huán)的對(duì)置端部的區(qū)域中的涂層厚度。不過(guò)，該方法要求在所述速度變化期間非常精確的、受控的同步，否則將不能實(shí)現(xiàn)改變涂層的厚度的效應(yīng)。

但是，單獨(dú)增加環(huán)的端部附近區(qū)域中的涂層不足以保證該部件更耐用。正如圖2描述的，環(huán)的端部附近的區(qū)域中的涂層越厚，環(huán)的端部和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的氣缸之間的接觸壓力將越大。燃燒產(chǎn)生高溫并且增加氣壓，這引起過(guò)早磨損，過(guò)早磨損進(jìn)一步被低水平潤(rùn)滑以及壓縮環(huán)的滑動(dòng)表面與該特定區(qū)域之間的接觸壓力所惡化。

因而有必要設(shè)計(jì)一種活塞環(huán)以及涂層方法，其能夠保證在環(huán)的外表面上涂層的改變的厚度，使得在環(huán)的端部附近的區(qū)域中包括一種涂層，該涂層比環(huán)的端部附近的對(duì)置區(qū)域中的涂層厚，此外，降低環(huán)的端部的厚度，因而提供一種活塞環(huán)，由于良好耐磨性以及總的較低滑動(dòng)磨損，其具有高水平耐久性，在被限定為在端部附近的環(huán)的最關(guān)鍵區(qū)域具有高水平厚度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是獲得一種產(chǎn)品，其通過(guò)用于設(shè)計(jì)成用于使用在內(nèi)燃機(jī)中的活塞環(huán)的物理氣相沉積(pvd)涂層方法而具有延伸的耐久性，其能夠提供一種具有改變厚度的涂層的壓縮環(huán)，使得施加的涂層的厚度從90°和270°朝向0°和360°分別逐漸增加。厚度在10°和350°的區(qū)域中達(dá)到其最大值。然后，該涂層的厚度朝向0°和360°以這種方式稍微減小，以保證優(yōu)化作業(yè)條件，從而最小化接觸壓力，因此最小化環(huán)的端部附近的加速磨損。

本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種具有兩個(gè)后續(xù)步驟的方法，其中，第一步驟能夠在環(huán)的整個(gè)周邊區(qū)域中即360°沉積具有均勻厚度的涂層。在方法的第二步驟中，沉積能夠在270°、360°、0°和90°的區(qū)域中局部增加涂層。

本發(fā)明的目的通過(guò)用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)實(shí)現(xiàn)，活塞環(huán)包括大致環(huán)形外表面，使用物理氣相沉積(pvd)方法將涂層施加至大致環(huán)形外表面，環(huán)包括間隙；第一半部，由與間隙相鄰的180°限定；第二半部，由90°至270°之間的外表面部分限定，環(huán)的間隙設(shè)置有兩個(gè)端部即第一端部和第二端部，環(huán)的第一半部具有用于涂層的厚度梯度，涂層在環(huán)的端部附近的相鄰區(qū)域較厚，同時(shí)在環(huán)的端部附近的區(qū)域中涂層的厚度降低，并且環(huán)的第二半部設(shè)置有均勻厚度的涂層。

本發(fā)明的目的進(jìn)一步依靠用于獲得內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的物理氣相沉積(pvd)方法實(shí)現(xiàn)，該方法包括以下步驟：

步驟1：將至少一個(gè)活塞環(huán)緊固在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，包括間隙的至少一個(gè)活塞環(huán)定位成與涂層材料的至少一個(gè)料源對(duì)置；旋轉(zhuǎn)臺(tái)繞其中央軸線執(zhí)行第一旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，所述至少一個(gè)環(huán)通過(guò)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)而在由間隙的中心的鄰近180°限定的外表面的區(qū)域中接收第一沉積；

步驟2：旋轉(zhuǎn)臺(tái)執(zhí)行步驟1的第一旋轉(zhuǎn)移動(dòng)并且至少一個(gè)環(huán)在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上執(zhí)行第二旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，涂層材料的料源沿著活塞環(huán)(1)的整個(gè)0°-360°的外表面促進(jìn)第二沉積；以及

隨著步驟1和步驟2的交替，第一旋轉(zhuǎn)移動(dòng)和第二旋轉(zhuǎn)移動(dòng)沿相反方向、順時(shí)針或者逆時(shí)針地執(zhí)行。

本發(fā)明的目的進(jìn)一步通過(guò)包括至少一個(gè)如上所述的活塞環(huán)的內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

以下將基于代表附圖示出的示意性實(shí)施例更詳細(xì)描述本發(fā)明。附圖示出了：

圖1是通過(guò)本發(fā)明描述的涂層方法獲得的活塞環(huán)的示意圖；

圖2是用于活塞環(huán)的從0°至360°的壓力分布的圖形示意圖；

圖3是常規(guī)pvd方法的示意圖；

圖4是本發(fā)明的pvd方法的步驟1的示意圖；

圖5是本發(fā)明的pvd方法的步驟2的示意圖；

圖6是pvd方法中使用的物理?yè)跫氖疽鈭D；以及

圖7是用于現(xiàn)有技術(shù)以及用于本發(fā)明的活塞環(huán)的涂層的厚度的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明涉及一種活塞環(huán)1以及一種用于沉積涂層的方法，該方法能夠保證在活塞環(huán)1的外表面2上的涂層5的可變厚度，使得在環(huán)1的間隙3的端部31、32的相鄰區(qū)域中包括涂層5，其厚于在環(huán)1的端部31、32附近的對(duì)置區(qū)域中的涂層，此外，降低環(huán)1的間隙3的端部31、32附近的涂層5的厚度，因而提供一種活塞環(huán)1，其由于在環(huán)的最大磨損的區(qū)域中的良好阻力以及高水平厚度而具有高水平耐久性。

正如還公知的，整個(gè)活塞環(huán)1設(shè)置有間隙3，間隙3的存在確保將環(huán)安裝在內(nèi)燃機(jī)活塞的凹槽中的可能性。為了更好地定義本發(fā)明的目的，環(huán)的間隙3的區(qū)域由兩個(gè)端部31、32限定，還公知為環(huán)的末端。拿間隙3的中心為例，能夠假設(shè)總角度為10°。因而，間隙3的中心將被限定為零度(0°)角度或者360°角度。因此，每個(gè)端部定位于與間隙30的中心成5°處。

在這種情況下，第一端部31的極限定位于與間隙3的中心成5°處，第二端部32的極限定位于與間隙的中心成355°處或者與所述中心成-5°處。為了更好地理解本發(fā)明的目的，將從活塞環(huán)1的間隙3的中心開(kāi)始沿順時(shí)針?lè)较驕y(cè)量度數(shù)。

以更簡(jiǎn)單的方式，其將隨著說(shuō)明的繼續(xù)而更好地陳述，本發(fā)明的方法包括通過(guò)pvd在環(huán)1的外表面2的大致一半上執(zhí)行第一沉積，接下來(lái)還通過(guò)pvd在環(huán)1的整個(gè)外表面2上執(zhí)行第二沉積，第一沉積和第二沉積能夠交替。

更具體來(lái)說(shuō)，在從環(huán)1的間隙3的中心開(kāi)始由角度0°至90°以及270°至360°限定的區(qū)域之間所包括的環(huán)1的區(qū)域中執(zhí)行第一沉積環(huán)?？商鎿Q地，可以說(shuō)，接收第一沉積的表面由鄰近間隙3的中心的180°限定。在此之后，所述鄰近間隙的中心的180°將稱為環(huán)1的第一半部21。在此之后，環(huán)1的對(duì)置部位將被稱為第二半部22并且自然包括外表面2的由從90°至270°的角度限定的部分。

正如可見(jiàn)于圖1，活塞環(huán)1包括大致環(huán)形的金屬外表面2，該表面起作用為環(huán)1和氣缸襯套之間的界面處的滑動(dòng)部分。圖示在本發(fā)明中的活塞環(huán)1優(yōu)選包括用于第一活塞凹槽的壓縮環(huán)，或者，還包括用于第二活塞凹槽的壓縮環(huán)。

顯然地，本發(fā)明的pvd涂層的方法設(shè)置有專門(mén)設(shè)計(jì)成用于該類型沉積的室55，其包括涂層材料53的至少一個(gè)料源52以及至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)50，至少一個(gè)活塞環(huán)1緊固至至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)50。

室55優(yōu)選地，但可選地，包括涂層材料53的偶數(shù)個(gè)料源52?？商鎿Q地，本發(fā)明能夠由奇數(shù)個(gè)料源52構(gòu)成。能夠取決于各種具體要求來(lái)選擇一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)、六個(gè)、七個(gè)、八個(gè)、九個(gè)、十個(gè)等料源52。例如，在圖示于圖3、圖4或者圖5的可能實(shí)施例中，四個(gè)4料源能夠?qū)ΨQ地布置并且間隔均勻的距離以便允許在要涂覆的所有部件上平衡沉積?？傊?，用簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，料源52的數(shù)量獨(dú)立于環(huán)1的數(shù)量而改變。

關(guān)于要沉積的環(huán)的數(shù)量，除了在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上可用的區(qū)域之外不存在限制。因而，能夠用于要被沉積的一個(gè)環(huán)1或者多個(gè)環(huán)。料源52的數(shù)量越大，涂層材料53的沉積速度將越大，因此，方法的效率越大。

關(guān)于旋轉(zhuǎn)臺(tái)50，其旋轉(zhuǎn)能夠是順時(shí)針或者逆時(shí)針。而且，雖然給定旋轉(zhuǎn)臺(tái)50的第一旋轉(zhuǎn)移動(dòng)w1和活塞環(huán)1的第二旋轉(zhuǎn)移動(dòng)w2，但是應(yīng)該提到的是，它們兩者都能夠沿不同方向或者沿相同方向旋轉(zhuǎn)，并且該方向能夠是順時(shí)針或者逆時(shí)針。

通常，用于涂覆圖示于圖3的活塞環(huán)1的pvd方法包括將至少一個(gè)環(huán)1緊固在旋轉(zhuǎn)臺(tái)50上，使得旋轉(zhuǎn)臺(tái)繞其中央軸線51執(zhí)行第一旋轉(zhuǎn)移動(dòng)w1并且環(huán)1在旋轉(zhuǎn)臺(tái)50上執(zhí)行第二旋轉(zhuǎn)移動(dòng)w2，環(huán)1在從0°至360°的整個(gè)外表面2上接收涂層材料的沉積。

在常規(guī)pvd方法中，旋轉(zhuǎn)移動(dòng)的速度維持恒定，從而在活塞環(huán)1的整個(gè)外表面2上限定了涂層5的均勻厚度。

根據(jù)常規(guī)方法但是以改變的旋轉(zhuǎn)速度執(zhí)行現(xiàn)有技術(shù)中描述的pvd方法。因而，當(dāng)環(huán)1的第一半部21對(duì)置涂層材料53的料源52時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度降低，從而保證環(huán)1的第一半部21具有的涂層5厚于環(huán)1的外表面2的第二半部22。

但是，除了精確控制旋轉(zhuǎn)速度方面的劣勢(shì)，現(xiàn)有技術(shù)pvd方法具有的另一劣勢(shì)為，環(huán)1的間隙3的端部31、32附近具有較厚的涂層5，從而增加環(huán)1的端部31、32和氣缸之間的接觸壓力。

本發(fā)明提議的涂層方法包括使用執(zhí)行為至少兩個(gè)步驟的pvd方法應(yīng)用涂層，至少兩個(gè)步驟能夠在實(shí)施順序方面交替。

正如可見(jiàn)于圖4，在涂層方法的步驟1中，活塞環(huán)1緊固至旋轉(zhuǎn)臺(tái)50，使得環(huán)1的第一半部21與涂層材料53的料源52對(duì)置。在該步驟中，僅旋轉(zhuǎn)臺(tái)50繞中央軸線51執(zhí)行第一旋轉(zhuǎn)移動(dòng)w1，而活塞環(huán)1仍相對(duì)于旋轉(zhuǎn)臺(tái)50保持靜止。該第一步驟的目的是涂層材料53的第一沉積，并且其實(shí)現(xiàn)涂層5的最終厚度的大約2/3(三分之二)。

在圖5示出的方法的步驟2中，不僅旋轉(zhuǎn)臺(tái)50而且活塞環(huán)1也執(zhí)行旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。旋轉(zhuǎn)臺(tái)50繞中央軸線51執(zhí)行第一旋轉(zhuǎn)移動(dòng)w1的同時(shí)，活塞環(huán)1在旋轉(zhuǎn)臺(tái)50上執(zhí)行第二旋轉(zhuǎn)移動(dòng)w2。在該步驟中，在環(huán)1的從0°至360°的整個(gè)外表面2上進(jìn)行涂層材料53的第二沉積。因而，環(huán)1的第一半部21將實(shí)現(xiàn)涂層5的最終厚度，該厚度相對(duì)于環(huán)1的第二半部22將更厚。可替換地，應(yīng)該注意的是，在步驟1和步驟2之間，環(huán)能夠接收剖光方法，其尤其能夠是機(jī)加工、研磨、磨削、磨光、珩磨、刷凈。

圖6表明，pvd涂層方法進(jìn)一步確保涂層5在第一端部31附近以及在第二端部32附近的厚度優(yōu)選地、但是可選地比在環(huán)1的端部31、32附近的相鄰區(qū)域的涂層的厚度薄2％至10％。

在優(yōu)選構(gòu)造中，物理?yè)跫?4插入環(huán)1的間隙3的端部31、32之間以便阻礙料源52施加的涂層材料53的一部分，這導(dǎo)致降低了環(huán)1的間隙3的第一端部31附近以及第二端部32附近的涂層5的厚度。

在第二實(shí)施例中，降低間隙3的端部31、32附近涂層5的厚度能夠通過(guò)實(shí)施機(jī)加工方法獲得，以這種方式以便在涂層方法之后移除材料。優(yōu)選地，但是可選地，使用的機(jī)加工方法能夠是刷凈或者研磨方法。

降低端部31、32附近的涂層的厚度的目的是降低接觸壓力，以便允許更好地潤(rùn)滑以及從而減少環(huán)1的磨損。

將pvd涂層方法分為兩個(gè)步驟能夠以這種方式調(diào)節(jié)方法參數(shù)，以便降低沉積材料53期間施加的壓縮應(yīng)力，得到涂層5的較大厚度。優(yōu)化涂層5中應(yīng)力的該竅門(mén)不能夠利用公知于現(xiàn)有技術(shù)的pvd方法做到，因而，能夠?qū)崿F(xiàn)的厚度大于現(xiàn)有技術(shù)中描述的50微米的厚度。還能夠易于實(shí)現(xiàn)的是70微米厚度，或者甚至大于100微米的厚度。應(yīng)該注意的是，能夠獲得低于110微米的任何值。

此外，本發(fā)明的方法允許以在第一和第二步驟期間施加不同的材料。例如，在第一步驟中能夠施加具有高耐磨性的材料，而在第二步驟中能夠施加具有低滑動(dòng)磨損以及較低耐磨性的材料。

自然地，能夠通過(guò)pvd方法施加的層不限于其化學(xué)成分，即也能夠施加氮化物、碳化物以及其他化合物的層，例如尤其crn、tin、nbn、crcn、crcn。當(dāng)由pvd獲得的層具有獨(dú)立于形成這些多層的各層的厚度的多層或者上層建筑結(jié)構(gòu)，即crn/nbn的多層或者納米層時(shí)，也能夠應(yīng)用本發(fā)明描述的方案。還能夠應(yīng)用另一設(shè)計(jì)：在沉積的步驟1和步驟2期間，具有不同化學(xué)成分或者微結(jié)構(gòu)的可行施加材料(例如crn的厚涂層)被施加在端部(31、32)附近的相鄰區(qū)域中，并且在該材料上，使用不同的材料，例如非氫化無(wú)定形碳層或者任何其他材料層。

使用現(xiàn)有技術(shù)中描述的方法不能夠?qū)崿F(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)，這是由于它們是連續(xù)的方法并且僅構(gòu)成一個(gè)步驟。因而，本發(fā)明提議的pvd涂層方法基于現(xiàn)有技術(shù)但是具有更有利的處理方法，因此得到一種產(chǎn)品，該產(chǎn)品至少在耐久性方面的性能水平不同。

依靠本發(fā)明提議的pvd涂層方法獲得的活塞環(huán)1，使得環(huán)1的第一半部21具有的用于涂層5的厚度梯度為：開(kāi)始于在90°和270°的至少15微米，終止于在間隙3的端部31、32附近的相鄰區(qū)域中的至少15微米。此外應(yīng)該注意的是，端部31、32附近具有比端部31、32附近的相鄰區(qū)域薄大約2％至10％的涂層5，因而第一端部31附近具有至少55微米的厚度，第二端部32附近具有至少55微米的厚度。此外，環(huán)的第二半部22即在90°、180°至270°之間，具有至少15微米的均勻厚度的涂層。

已經(jīng)描述了優(yōu)選實(shí)施例，必須理解的是，本發(fā)明的范圍包含其他可能的變型并且僅被包括可能等同結(jié)構(gòu)的附隨的權(quán)利要求的內(nèi)容限制。