内燃机的活动系统的金属构件及该金属构件的制造方法 |
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| 申请号 | CN201380045929.X | 申请日 | 2013-09-11 | 公开(公告)号 | CN104619867B | 公开(公告)日 | 2017-09-05 |
| 申请人 | 马勒金属立夫有限公司; 马勒国际有限公司; | 发明人 | 德尼斯·德尼斯·弗洛雷斯·弗洛雷斯; 茹利亚诺·阿韦拉尔·阿劳霍; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及活动系统的金属构件，诸如 活塞 环(1)，其基本上用单个步骤制造，该单个步骤构造为通过技术方法对金属构件进行表面硬化，同时施加激光至所述金属构件的表面的至少一部分上。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种内燃机的活动系统的金属构件，其特征在于，所述金属构件经历表面硬化处理，表面硬化处理包括依靠涉及激光的方法在其外表面的至少一部分中将外部元素渗透到金属的晶体结构中； |
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| 说明书全文 | 内燃机的活动系统的金属构件及该金属构件的制造方法技术领域[0002] 所述的制造方法构造为：改变构成该金属构件的材料的物理化学属性；提供一部件，该部件设置成在操作方面具有更大效率以及在使用方面具有更长寿命。 背景技术[0004] 活塞环径向布置在气缸的底部，防止燃烧气体朝向曲柄箱流出到燃烧室外部并且避免发动机油以相反方式贯入燃烧室。在单个活塞周围能够具有多于一个的活塞环，非常常见的是，使用两个或者三个活塞环，它们在活塞的底部平行布置。 [0005] 为了符合效率的作用，活塞环应该具有一个磨光的很平的外部，并且应该有相对高硬度的材料制成。这是因为，根据实验发现，活塞环的外表面的硬度越高--尤其是接触套筒的内面的表面，密封方面的效率更大。 [0009] 渗氮； [0010] (其他) [0012] 应注意的是，所述的磨光方法不干涉金属的内部硬度，也即金属部件的内层的硬度。这种表面处理通过原始金属(以下称为涂层膜)的晶体结构仅能够修改该部件的外层，该外层形成测微学厚度膜并且过饱和于外部元素。 [0013] 不过，尽管增加了特定金属表面的硬度程度，但是所述表面处理本身不能够促进创建高效且寿命长的活塞环。这是因为在执行所述处理之后，活塞环变得非常脆化，尤其是在金属部件的外层(也即，涂层膜)及芯之间的交叉点处。 [0014] 所述的脆化尤其是由于在所述的两个材料层之间建立的异质化。因为所述的两层呈现不同材料(一层具有比另一层浓度更大的外部元素)，所以它们还公开了不同的物理属性，诸如膨胀系数、阻力、压缩比等。 [0015] 这正是现有技术的活塞环存在的最大问题。由金属的外层和内层的对比所限定的用来分隔两层的线能够易于引起破裂。所述的破裂能够通过部件传播，从而引起金属的磨损/脱附，结果是，引起活塞环的外层的总损失。 [0016] 通过损失其最外层，活塞环的寿命及效率会突降，从而允许燃烧室和发动机组的最内区域之间不期望的流体交换，增加了活塞环的外面的易磨损性。因此，十分需要有解决所述的问题的方法。这是通过对活塞环的晶体结构进行物理或者化学处理，提出了旨在增加活塞环的寿命以及效率的方案。 发明内容[0017] 本发明旨在涉及一种在密封方面持久且有效的活塞环。 [0018] 本发明还旨在涉及一种在密封方面持久且有效的活塞环的制造方法。 [0019] 本发明还旨在涉及一种内燃机的活动系统的金属构件，其在使用方面有效且耐久。 [0020] 最后，本发明还旨在的概念是内燃机的活动系统的金属构件的制造方法，诸如上述公开的。 [0021] 发明的简要说明 [0022] 本发明的目的通过内燃机的活动系统的金属构件实现，其特征在于，所述金属构件经历表面硬化处理，表面硬化处理包括依靠涉及激光的方法在其外表面的至少一部分中将外部元素渗透到金属的晶体结构中。 [0023] 本发明的目的还通过内燃机的活动系统的金属构件的制造方法实现，其特征在于，包括一个单个步骤，所述单个步骤包括同时进行的两个操作，即：通过将外部元素渗透到金属的晶体结构中来执行表面硬化处理；以及通过施加激光至其外表面，在金属的原始基板和其饱和区域之间形成扩散区域。附图说明 [0024] 将基于附图呈现的实施例来进一步描述本发明，附图示出了： [0025] 图1是活塞环的第一样本的截面图，其经历本发明的处理方法。 [0026] 图2是活塞环的第二样本的截面图，其经历本发明的处理方法。 [0027] 图3是一图表，公开了与现有技术的活塞环相比，本发明的活塞环的材料的阻力指数和磨损指数。 [0028] 图4是一图表，根据朝向其芯的最外层的分析，公开了构成活塞环的材料的硬度变化。 具体实施方式[0029] 本发明的活塞环1的制造方法的基本原则在于，在活塞环1的径向外表面施加高密度的激光。 [0030] 当在正确的条件下施加时，激光引起在环的径向最外层中饱和的外部元素分配在所述材料的内层中，从而在构成这种环的材料的连续层中创建外部元素的浓度梯度。 [0032] 通过所述的两个图像，能够观察到： [0033] 最外范围，其对应于铝板材3的截面(仅用以允许区别涂层的开始的胶木-上部黑区域)；“饱和区域4”或者涂层膜；“基板2”，其对应于原始形式(基本是碳钢)的活塞环1的金属构成；以及“扩散区域5”，其对应于基板2和饱和区域4之间的混合材料。 [0034] 所述扩散区域5能够定义为饱和区域4和基板2之间的中间层，其形成在对活塞环1的径向外表面施加激光的方法之后。 [0035] 应该注意的是，当促进基板材料2和涂层膜之间的覆层/合金的形式时，激光溶解了涂层膜和活塞环1的芯之间起初存在的易于破裂和碎裂的关键点。 [0037] 对活塞环1的样本执行的实验示出的是，自活塞环的径向外表面起至高达深度100微米(深入该环径向的中心)，其材料的硬度逐渐降低，如本说明书的图4的图表所示。 [0038] 除了创建扩散区域5之外，因施加激光至活塞环1导致的辅助特征是其径向外表面中的金属结构的粒度得到改善。 [0039] 在活塞环1的径向外表面中，也即受激光施加影响最大的面中，存在金属的暂时熔化。该熔化因为仅发生在环的外面的测微学厚度范围内，所以被活塞环1(处于室温下)的剩余部分快速冷却。该加热接下来的快速冷却将引起金属结构的粒度降低，该现象称为粒度改善。 [0040] 通过降低金属结构的粒度的尺寸，激光进一步引起环的断裂阻力的增加。这是由于粒度尺寸降低的所有金属结构将增加弹性变形限制，从而避免不期望的事情发生，诸如材料表面的磨损/脱附。 [0041] 在激光施加方法之后，活塞环样本通常示出的是，磨损指数非常高于现有技术的常规环所呈现的磨损指数，如本说明书的图3的图表示出的。 [0042] 激光应该以一定速度和密度施加以实现环的外层的熔化，但是不会引起元素的蒸发。值得注意的是，施加激光的速度越低，外层元素的扩散程度越大，结果是，稀释将越大，也即膜涂层材料的饱和度越低。优选地，施加激光的速度以及密度应该足以形成大约80μm的扩散区域5(可以考虑30至150微米之间的任何值作为合理值)。 [0043] 但是，施加激光的密度和速度并不是影响环的外面上的施加结果的唯一因素。除了激光速度和密度之外，影响该处理的效率的其他因素是：激光的入射角度、激光操作空间的气体以及涂层膜的厚度。 [0044] 优选地，施加激光的最适合参数见于下表中： [0045] [0046] 关注于活塞环1经历的最初表面处理方法，知道的是，该激光处理方法能够在金属环中产生良好的结果，金属环的涂层膜饱含钴、镍、铬、硼、氮、碳或者它们的组合。这些元素能够从碳化物、硫化物以及氮化物中获得，仅是列出了可应用的工业供给源中的一些形式。 [0047] 无论如何，应该注意的是，本发明的施加激光的方法并不限于通过渗透这些外部元素来硬化活塞环，其他施加形式是可行的，只要它们包括本说明书中限定的扩散思路。 [0049] 在优选实施例中，硬化活塞环1的外层的硬化方法和激光的施加构成了一个单个步骤。换句话说，将外部元素插入金属的晶体结构中间与施加激光同时进行，使得同时发生两个伴随的现象：硬化环的外面以及创建梯度(即，扩散区域5)。 [0050] 例如，该操作能够通过在施加激光期间喷射包含外部元素的颗粒到经加热融化的金属上来进行。 [0051] 应该注意的是，通过以上公开的处理以及制造方法，本发明能够解决其旨在解决的所有问题，即：现有技术的活塞环1的密封效率低以及寿命低的问题。 [0052] 本发明进一步公开了在其可能实施例之一中由于生态利益实现的辅助优势。也就是说，在将碳元素插入金属的晶体结构中间的方法中，能够使用称为碳黑的材料。 [0053] 碳黑是汽车轮胎高温分解(可控燃烧)的副产物。其在产业方法(诸如本发明)中的使用对环境是非常有益的，因为通过将碳原子“锁定”到金属的晶体结构中间，本发明防止了这种原子分解成二氧化碳或者一氧化碳，它们对环境是非常危险的污染物。 [0054] 最后，值得注意的是，尽管该说明中在上面仅参考活塞环1，但是显然，此处描述的制造方法还能够应用于内燃机的任何其他部件。 [0055] 能够使用该制造方法的其他可能部件例如是，活塞的套筒、进气阀和排气阀、活塞销以及其壳体、连接杆、曲轴的各种部件。以及其他零件。值得注意的是，与在内燃机内部移动的了零件接触的任何活动零件能够接受本说明中描述的处理。 [0056] 因而，活塞套筒能够在其整个内表面(在发动机操作期间将接触活塞环1的表面)上接受表面处理，并且经历激光施加以引起与已经描述的相同的效果，即，在涂层膜和材料的芯之间创建扩散区域5，并且靠近该涂层膜实现粒度改善。 [0057] 因而，应该注意的是，总之，本发明要求保护的是，内燃机的活动系统的金属构件以及所述金属构件的制造方法。在活动系统的金属构件之中，例如，活塞套筒以及活塞环1以及内燃机的其他部件能够受益于此处提出的制造方法。 |
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