專利名稱：抗裂紋擴(kuò)展的氮化活塞環(huán)的制作方法
抗裂紋擴(kuò)展的氮化活塞環(huán)本發(fā)明涉及用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)，更具體地，涉及用于彈性燃料發(fā)動(dòng)機(jī)(Flex-fuel engine)的壓縮環(huán),其抗氮化層剝落的性質(zhì)具有相當(dāng)大的改善。氮化
氮化是一種旨在尤其是對鋼制壓縮環(huán)的機(jī)械性能(在此特定情況下，為活塞環(huán)的滑動(dòng)面的機(jī)械性能)提供改善的表面處理。通過

圖1，僅為了舉例說明氮化過程，我們可觀察到氣體氮化(最簡單且最重要的氮化形式之一)的化學(xué)物理過程。還可觀察到氨分解為氮以及被鋼的相應(yīng)吸收。氨與鋼接觸時(shí)發(fā)生分解，釋放原子氮，其隨后能被鋼吸收并以填隙方式溶解于鐵(Fe)中。當(dāng)表面達(dá)到某種飽和水平時(shí)，氮化物的形成通過成核和生長的機(jī)制得以促進(jìn)，并且為此目的需要一定的醞釀期。
通常，通過表面熱化學(xué)處理，氮化處理能夠使表面具有較高的硬度。在此處理中，利用含氮環(huán)境在一定的溫度下在α相(鐵素體)中引入氮，目的是實(shí)現(xiàn)鋼的硬度和耐磨性的增加。此表面處理提供直至一定表面深度的物質(zhì)轉(zhuǎn)化，保持了可延展的和強(qiáng)韌的芯，結(jié)果，當(dāng)鋼冷卻至室溫時(shí)在所述芯中沒有相的變化。正如本主題的專家通常所知，在所有氮化過程中，材料的最表面的區(qū)域?yàn)榻邮芨嗟降膮^(qū)域，并且隨著材料內(nèi)部到表面的距離增力口，被吸收的氮的量下降。類似地，材料的硬度在表面上較高，隨著深度增加而緩慢降低。在氮化的一些優(yōu)點(diǎn)中，我們應(yīng)指出
高表面硬度和增加的耐磨性；
高耐疲勞性-在鋼表面形成可壓縮力；
聞尺寸穩(wěn)定性；
無翹曲風(fēng)險(xiǎn)。彈性燃料發(fā)動(dòng)機(jī)
乙醇是一種用作內(nèi)燃機(jī)燃料的易燃材料，尤其是在巴西，在那里，隨著彈性燃料發(fā)動(dòng)機(jī)(其能用純的或以任何比例混合的酒精或汽油來運(yùn)行)的投放市場，它近來開始被廣泛使用。由于允許將酒精用作燃料，靠汽油運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)逐漸適合于也能使用乙醇；然而，盡管有本領(lǐng)域中的這些發(fā)展，在將乙醇用作燃料中也會(huì)出現(xiàn)一些產(chǎn)生缺點(diǎn)的問題。最麻煩的缺點(diǎn)之一是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)利用乙醇運(yùn)行時(shí)，活塞環(huán)承受更高磨損，這因較低的潤滑條件和較高的工作溫度而變得更糟。在一些彈性燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中，已經(jīng)出現(xiàn)壓縮環(huán)涂層氮化表面層材料的剝落。剝落的發(fā)生是由以下因素的組合所致例如邊緣潤滑條件、高工作溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火點(diǎn)過度提前，特別是當(dāng)彈性燃料發(fā)動(dòng)機(jī)利用乙醇運(yùn)行時(shí)應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火點(diǎn)過度提前以促進(jìn)在部分荷載下所產(chǎn)生的扭矩的增加。點(diǎn)火點(diǎn)的過度提前代表活塞和環(huán)的過度工作，這可導(dǎo)致經(jīng)表面處理的材料以相比靠汽油運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)的情況嚴(yán)重得多的方式剝落。而且，恒定的負(fù)載和卸載作用造成環(huán)滑動(dòng)表面上的塑性變形，這一事實(shí)可導(dǎo)致表面下裂紋和隨之發(fā)生的覆蓋物松弛。此現(xiàn)象在英語中稱為5T7a77i/^，在葡萄牙語中稱為"e spa lap各ο"或"ofesiacaffieflio 〃,在本文中我們使用術(shù)語“剝落(spalling) ”?；钊h(huán)的這些片段的剝落可造成嚴(yán)重的運(yùn)行問題，例如由于環(huán)和汽缸之間的磨擦引起的在汽缸壁上的刮痕和汽缸套的損耗、損害汽缸的密封并導(dǎo)致壓縮的損失以及使油通往發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室區(qū)域。此類問題在更嚴(yán)重的情況下導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)最佳操作特性的損失(例如發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮的顯著降低)并且還造成作用部件的過早磨損。我們應(yīng)指出，此類問題尤其是在將乙醇用作燃料的彈性燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)生。上述剝落現(xiàn)象尤其可在圖2和3中觀察到。圖2顯示將乙醇用作燃料的彈性燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的由氣體氮化鋼-GNS制成的活塞環(huán)中發(fā)生的裂紋和隨之發(fā)生的剝落。而圖3描述與圖2中的環(huán)等同的環(huán)的橫截面，其中易于識別裂紋的外觀和相應(yīng)的擴(kuò)展，該裂紋造成隨之發(fā)生的氮化表面的剝落。作為本報(bào)告中將探究的技術(shù)特征，我們應(yīng)提到這些圖中所示類型的GNS環(huán)具有約1000表面維氏硬度值(Hv)的硬度。在重復(fù)的測試和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室觀察之后，可觀察到通常裂紋的發(fā)生在大多數(shù)情況下垂直于環(huán)的滑動(dòng)表面發(fā)生，并且在硬度較低的某一深度開始，裂紋偏離，并開始與氮化層 和非氮化材料的基底之間的邊界平行。如本報(bào)告一開始在氮化章節(jié)中所闡釋的，氮化材料的表面區(qū)域吸收更多的氮，該表面區(qū)域被轉(zhuǎn)化為比材料的更內(nèi)部的區(qū)域更硬的區(qū)域，，而在該更內(nèi)部的區(qū)域中，自然地，吸收較少的氮并因此是硬度較低的區(qū)域即，具有較高的韌性。因此可合理地推斷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)硬度較低(即更具韌性)的材料區(qū)域時(shí)，裂紋朝向深處擴(kuò)展不可能，促使其在該區(qū)域內(nèi)改變方向并水平擴(kuò)展，在所述區(qū)域內(nèi)基底的硬度仍相當(dāng)高。最后，我們應(yīng)注意，環(huán)的氮化表面的剝落發(fā)生在使用者觀察不到的地方，并且其可產(chǎn)生比環(huán)本身剝落甚至更多的損耗，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的拆卸以供檢修(往往是成本高昂的手續(xù))?，F(xiàn)有技術(shù)的描述
現(xiàn)有技術(shù)討論了具有良好抗剝落性的活塞環(huán)，但目前沒有已知的文獻(xiàn)預(yù)期到本發(fā)明活塞環(huán)對象的特性。專利US 4. 570. 946涉及在其表面具有(equip with)外部涂層的氮化活塞環(huán)。該環(huán)首先在其整個(gè)表面上進(jìn)行了氮化以便形成組成層(composed layer)和擴(kuò)散層，其中組成層形成于擴(kuò)散層上。之后，除去至少組成層并施加附加的涂層，提高所得環(huán)的機(jī)械性能。氮化層發(fā)揮作用以防止在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間由于與活塞小通道的重復(fù)的不可避免的沖擊而發(fā)生環(huán)的磨損。專利US 4. 966. 751涉及一種用于例如活塞環(huán)或往復(fù)桿的鋼，所述鋼由于其化學(xué)組成而具有良好的耐磨性。出于使這些優(yōu)良的性質(zhì)更佳的目的，所述鋼必須為氮化工序的對象，尤其是在其將與另一組件具有機(jī)械接觸的位置。該文獻(xiàn)詳細(xì)描述了所述鋼、其主要變型及組成。專利US 2007/0187002的申請案涉及一種具有高抗刮擦性和高抗疲勞性的活塞環(huán)以及其制造方法。該環(huán)的基底由不銹鋼制成并且滑動(dòng)層經(jīng)過氮化，其表面上包括由亞硝酸鹽組成且尺寸為O. 2至2. O μ m的硬顆粒，因?yàn)槠漭^大直徑必須為7 μ m或更小并且相應(yīng)區(qū)域的比率必須為5%至30%。專利文獻(xiàn)JP 58 - 27860涉及一種耐磨性、耐腐蝕性和耐刮擦性增強(qiáng)的活塞環(huán)，其具有具有馬氏體結(jié)構(gòu)(martensitic structure)的鋼基底,無數(shù)的碳化鉻顆粒以3至30μ m的尺寸均勻地分散于所述馬氏體結(jié)構(gòu)中。涉及該區(qū)域的顆粒的分散以3至20%的比率發(fā)生。所述環(huán)具有約400-800 HV的硬度，并且任選地，其接受表面硬度為800-1500 HV的附加的氮化層。文獻(xiàn)JP 61 - 69957涉及一種氮化涂層，其脆性通過改變位于外部的組成層而降低，所述組成層在其形成(黑色金屬的氮化)后是熱處理的對象。熱處理除了使組成層成為多孔狀并且使其有可能像活塞環(huán)的層和涂層那樣使用之外，還降低了組成層的脆性并能更容易地在隨后對其進(jìn)行處理。最后，文獻(xiàn)JP 2002 - 317225涉及一種用于活塞環(huán)的具有低的鉻含量的馬氏體不銹鋼，其對疲勞、磨損和高溫更具抗性。此材料的組成包括O. 35%至O. 9 %的C、7%至13%的Cr和O. 05%至O. 20%的N，因?yàn)橛盟纬傻沫h(huán)的滑動(dòng)接觸表面必須經(jīng)過氮化處理。發(fā)明目的
因此，本發(fā)明的目的之一是提供用于彈性燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的氮化活塞環(huán)，其能夠解決當(dāng)此類發(fā)動(dòng)機(jī)靠作為燃料的乙醇運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生的剝落問題。本發(fā)明的另一目的是通過對裂紋擴(kuò)展具有優(yōu)越抗性的涂層來保證活塞環(huán)的氮化表面的高耐磨性和高抗剝落性。發(fā)明簡述
本發(fā)明的目的通過提供如此的氮化活塞環(huán)而得以滿足，其具有主要由鐵構(gòu)成且與第一層結(jié)合的金屬基底，所述環(huán)另外包括位于基底與第一層之間的第二層，第一層具有至少2重量％氮和基本上800維氏硬度值的最大硬度，并且第二層具有的碳的重量百分比至少略大于存在于基底上的碳的重量百分并且厚度大于或等于至少15微米(μπι)。本發(fā)明的目的還通過如此的氮化活塞環(huán)而得以滿足，該氮化活塞環(huán)具有主要由鐵構(gòu)成且與第一層結(jié)合的金屬基部的，所述環(huán)另外包括第二層，第二層位于基底與第一層之間，第一層具有至少2重量％氮，第二層具有的碳的重量百分比至少略大于存在于基底(3)上的碳的重量百分比，并且所述環(huán)具有基本上800維氏硬度值的最大硬度，所述硬度以基本上線性的方式變化，直至在從其外表面或從第一層(I)最外部開始計(jì)算85微米(μπι)的深度處的400維氏硬度值的最小硬度。附圖簡述
以下將基于附圖中代表的實(shí)施例子對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。這些圖中顯示
圖I -其為氣體氮化過程的示意圖，其中可觀察到氨向氮的分解以及被鋼相應(yīng)的吸收。圖2-現(xiàn)有技術(shù)中活塞環(huán)的滑動(dòng)面的金相照片；
圖3-現(xiàn)有技術(shù)中活塞環(huán)的橫截面的金相照片；
圖4-現(xiàn)有技術(shù)中氮化活塞環(huán)的金相照片；
圖5-本發(fā)明活塞環(huán)對象的金相照片；
圖6-現(xiàn)有技術(shù)中氮化活塞環(huán)的微觀結(jié)構(gòu)的照片，其揭示擴(kuò)散層的存在；
圖7-本發(fā)明活塞環(huán)對象的微觀結(jié)構(gòu)的照片，其揭示兩個(gè)擴(kuò)散層的存在；
圖8-現(xiàn)有技術(shù)中活塞環(huán)與本發(fā)明的環(huán)對象對比的磨損的比較 圖9-現(xiàn)有技術(shù)中氮化活塞環(huán)的金相照片，其揭示在氮化層上存在碳化鐵；圖10-本發(fā)明的活塞環(huán)對象的金相照片，其揭示在氮化層上不存在碳化鐵；
圖11-顯示現(xiàn)有技術(shù)中的活塞環(huán)與本發(fā)明的活塞環(huán)對象的硬度分布(profile)的圖；圖12-本發(fā)明的活塞環(huán)對象的金相照片，其中可辨識出兩個(gè)不同的層，以及根據(jù)各層的碳和氮的不同濃度的曲線；
圖13-現(xiàn)有技術(shù)中氮化活塞環(huán)的照片，其揭示刮痕試驗(yàn)的結(jié)果；
圖14-本發(fā)明活塞環(huán)對象的照片，其揭示刮痕試驗(yàn)的結(jié)果；以及 圖15-本發(fā)明活塞環(huán)對象的變型的示意圖，包括之后在第一氮化層上施加涂層。附圖詳述
本發(fā)明提出一種氮化活塞環(huán)，其涂層賦予對裂紋的形成和尤其是對裂紋的擴(kuò)展的更高 的抗性。所述活塞環(huán)包括金屬基底，該金屬基底優(yōu)選地但非強(qiáng)制性地由碳含量大于8%的馬氏體不銹鋼構(gòu)成。該環(huán)的優(yōu)選的環(huán)應(yīng)用為用于彈性燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的第一道壓縮環(huán)，考慮到其解決了與當(dāng)此類發(fā)動(dòng)機(jī)將乙醇用作燃料時(shí)可發(fā)生的剝落相關(guān)的問題。因此，成功地開發(fā)了這樣的氮化產(chǎn)品，其具有高延展性、裂紋的形成和擴(kuò)展特別減少、保持關(guān)于耐磨性的所需特性的特性。當(dāng)然，所滿足的優(yōu)越值的測量是參照現(xiàn)有技術(shù)中的活塞環(huán)，也稱為典型GNS環(huán)。圖2和3舉例說明現(xiàn)有技術(shù)中的活塞環(huán)；其中，裂紋的形成和擴(kuò)展以及隨之發(fā)生的剝落10是明顯的，這些正是本發(fā)明的環(huán)所要解決的問題。圖4和5分別顯示現(xiàn)有技術(shù)中的活塞環(huán)101和本發(fā)明的環(huán)100并且它們對于理解本發(fā)明是非常重要的，這就是為什么在此報(bào)告中對它們進(jìn)行反復(fù)討論的原因。我們應(yīng)預(yù)先說明，圖4和5均顯示活塞環(huán)在經(jīng)歷Murakami型化學(xué)侵蝕之后的橫截面金相圖像，以便使存在于微觀結(jié)構(gòu)中的碳化物明顯。與圖5相比時(shí)，圖4清楚地示出基底中的本質(zhì)區(qū)別，其明顯驗(yàn)證了本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)步。圖4顯示典型的GNS環(huán)，其中僅存在一個(gè)氮化擴(kuò)散層4，隨后為金屬基底5。圖5代表本發(fā)明的環(huán)對象，其實(shí)質(zhì)上具有基底3和至少一個(gè)第一氮化層I和一個(gè)第二氮化層2。所謂的第一層I朝向外部并且其在大多數(shù)情況下為外部層，除非施加任何涂層的第三層30 (類似這樣形成的100’環(huán)(其構(gòu)成本發(fā)明的變型)顯示在圖15中并將在以下更詳細(xì)地加以描述)。關(guān)于第二層2,其為位于第一層I與基底3之間的層。在圖5中，我們能清楚地看到由創(chuàng)新性氮化法所產(chǎn)生的兩個(gè)擴(kuò)散層1、2，在創(chuàng)新氮化過程這一點(diǎn)上，最大的新穎性是存在第二層2，其非常清楚和明確，與現(xiàn)有技術(shù)的解決方案不同。因此，在本發(fā)明的環(huán)中非常顯著的是存在第二層2，其與現(xiàn)有技術(shù)中的環(huán)101相比富含碳化物，由于在圖4中氮化層4之后碳化物的分布明顯更均勻，因此中間層的存在不明顯，例如第二層2。因此，圖5明顯地顯示出新穎性(正是存在中間的碳化物第二層2)。還可觀察到第一層I上幾乎不存在碳化物，這一事實(shí)與現(xiàn)有技術(shù)的氮化相4中通常存在碳化物相比同樣非常新穎(這一點(diǎn)在本報(bào)告中將適時(shí)進(jìn)行討論)。關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)101中擴(kuò)散層4和本發(fā)明100的兩個(gè)擴(kuò)散層1、2的具體存在的此類特性還可見于圖6和7，兩圖分別代表現(xiàn)有技術(shù)101和本發(fā)明100的微觀結(jié)構(gòu)。那么，在本發(fā)明對象的一個(gè)優(yōu)選的但非強(qiáng)制性的具體化形式(concretization)中，我們可以限定，氮化活塞環(huán)100的硬度為約650維氏硬度值，該值遠(yuǎn)低于通常用于此類應(yīng)用的值，該值由兩個(gè)擴(kuò)散層1、2 (以便具有最軟的可能的硬度梯度)和總共約60微米(μπι)的氮化層限定。極為重要的是指出現(xiàn)有技術(shù)中的環(huán)101 (該環(huán)僅具有一個(gè)擴(kuò)散層4)具有約1000維氏硬度值的表面硬度以及明顯更高的硬度梯度。在產(chǎn)品開發(fā)階段，本發(fā)明的活塞環(huán)對象100和現(xiàn)有技術(shù)中的環(huán)101參與現(xiàn)場試驗(yàn)，以關(guān)于對剝落和裂紋形成的抗性進(jìn)行比較，但是由于其硬度較低而預(yù)期到本發(fā)明的環(huán)100的磨損率合乎邏輯地增加。此現(xiàn)場試驗(yàn)的目的是獲取基本信息以用作后面開發(fā)的指導(dǎo)。出乎意料地，如圖8中所示，所進(jìn)行的試驗(yàn)顯示本發(fā)明的環(huán)100并未如一開始預(yù)期的具有次于典型GNS環(huán)101的耐磨性。此外，觀察到本發(fā)明的環(huán)100抵抗垂直于表面的裂紋的形成(在典型的GNS環(huán)101中，這種形成通常會(huì)發(fā)生)，這中裂紋引發(fā)且導(dǎo)致氮化層的剝落過程。因此，滿足出乎意料的效果，從而獲得了尤其適合于將環(huán)乙醇用作燃料的彈性燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行的環(huán)。
以下所述的一系列試驗(yàn)的結(jié)果顯示出現(xiàn)有技術(shù)101和本發(fā)明100之間的非常重要的差異，顯示在所討論的作用區(qū)域中還存在范例的變化。通過更詳細(xì)的研究，可觀察到使得本發(fā)明的環(huán)100可抵抗裂紋擴(kuò)展的原因之一。圖9和10分別顯示現(xiàn)有技術(shù)中的環(huán)101和本發(fā)明的環(huán)100。通過觀察這兩幅圖，可在化學(xué)侵蝕之后對結(jié)果進(jìn)行比較，以揭示氮化表面上存在碳化物。在圖9中，碳化物在晶粒間界上的沉淀非常明顯，所述沉淀采取不同程度的平行于氮化表面4的方式，如同形成“橙皮”圖案。相反地，在圖10中，可觀察到不存在第一層I上碳化物的沉淀。上述結(jié)果為此類產(chǎn)品滿足優(yōu)異目的的另一證據(jù)，由于現(xiàn)有技術(shù)101中材料內(nèi)存在提及的“橙皮”賦予材料一定的皺褶，當(dāng)具有工作負(fù)荷時(shí)，這些皺褶使高摩擦力作用使較高的張力能夠擴(kuò)展通過晶粒間界成為可能，所述晶粒間界將不可避免地試圖卸載此類集中的能量，根據(jù)材料的韌性，這將引起裂紋擴(kuò)展和隨之發(fā)生的氮化層的剝落。請注意，圖10顯示完全不存在碳化物沉淀，僅通過此唯一特性，就可證明所述材料明顯更適于抵抗其將承受的工作負(fù)荷。正如所提及的，這在伴隨應(yīng)用的材料的氮化過程中是非常希望的特性，并且直至今天都顯示這是非常難以獲得的。出乎意料的效果再次出現(xiàn)。以上圖像的相關(guān)性使得必須提到韌性特性，并且為了更好地闡述該主題，我們必須觀察圖11中的硬度曲線圖。根據(jù)該硬度分布曲線圖，我們可得出結(jié)論現(xiàn)有技術(shù)中的活塞環(huán)101旨在保證氮化層區(qū)域中具有明顯更優(yōu)越的硬度。這意味著在從環(huán)表面到材料內(nèi)部的約50微米(μπι)的距離處，硬度高于1000維氏硬度值，并且在氮化層之后，硬度急劇下降，對于到表面大于80微米(Pm)的距離處的，硬度約降低三倍。在過去幾年間，這是流行并指導(dǎo)用于活塞的氮化活塞環(huán)的開發(fā)的范例。本發(fā)明對象的優(yōu)選但非強(qiáng)制性的具體化形式以出乎意料地不同方式表明，本發(fā)明的對象具有顯著不同的硬度分布。所達(dá)到的最大硬度為接近800維氏硬度值并且具有降低行為，當(dāng)其向金屬基底3深入時(shí)幾乎是線性的，對于距離表面(或距離第一涂層I的最外部，如果環(huán)被施加了另一涂層，我們將在以下進(jìn)一步論述這一點(diǎn))90微米(μπι)的距離(深度)處具有約400維氏硬度值的值。因此，本發(fā)明的活塞環(huán)100的微觀結(jié)構(gòu)帶來氮化基質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，其與典型的GNS環(huán)101相比極具創(chuàng)新性并且明顯不同。綜合以上所述，圖12的金相照片顯示本發(fā)明的環(huán)對象，其中可識別兩種不同的氮化層1、2，以及根據(jù)每個(gè)氮化層1、2的碳6和氮7的不同濃度的曲線，以更好地證明本發(fā)明100的環(huán)對象的出乎意料的和創(chuàng)新性的特性。首先，通過圖12觀察本發(fā)明的對象的優(yōu)選的但非強(qiáng)制性的具體化形式，可得出結(jié)論氮化的第一層I在至多45微米(μπι)的深度(在該例子中，為距離表面的距離，因?yàn)橹笪词┘油繉?具有在3重量％和6. 5重量％之間變化的氮7濃度。對于此類方法而言，可認(rèn)為這些值是正常的；然而，直至40微米(μπι)的深度(在該例子中，為距離 表面的距離，因?yàn)橹笪词┘油繉?，碳6的值為O重量％，一種非典型的情況，從第一層I與第二層2的互連區(qū)域中開始增加，因?yàn)楫?dāng)?shù)诙?開始時(shí)，其對應(yīng)于距離表面50微米(μπι)的深度(在該例子中，為距離表面的距離，因?yàn)橹笪词┘油繉?，碳7的值升高至介于2重量％和3. 5重量％之間的值。這些碳值存在于限定的第二層2中，直至約75微米(μπι)的深度(在該例子中，為距離表面的距離，因?yàn)橹笪词┘油繉?，在此之后，我們進(jìn)入金屬基底3的區(qū)域并且碳開始具有I. 5重量％的值，這是合金所用的典型值，并且其中自然不再存在氮7。人們可得到的最重要且最反常的觀察結(jié)果來自導(dǎo)致本發(fā)明的氮化過程的特征(particularity)，并且它們顯示，在氮化過程期間，第一層I上存在的所有碳6均被氮7“推擠”至第二層2，這一事實(shí)導(dǎo)致不存在碳化鐵的沉淀，這可見于圖10。由于此現(xiàn)象，從第一層I開始進(jìn)行的碳6的全體化(totality)使得碳6致密化，這導(dǎo)致界限清楚的第二層2的形成。這些創(chuàng)新性的特性使材料具有絕對需要的性質(zhì)，這些性質(zhì)已經(jīng)過論述并且可通過觀察圖13和14部分地得以驗(yàn)證。圖13顯示現(xiàn)有技術(shù)的氮化環(huán)101，其揭示刮痕試驗(yàn)的結(jié)果，其中除了弧形裂紋之夕卜，還存在前向鋸齒形張力(Forward Chevron Tensile)裂紋,這是易碎裂痕的指示。至于圖14，其顯示本發(fā)明的氮化環(huán)100的照片，該照片揭示刮痕試驗(yàn)中得到的多種結(jié)果之一，其中弧形裂紋的唯一存在證明其是比現(xiàn)有技術(shù)101更具韌性的材料。作為一個(gè)例子，開發(fā)的產(chǎn)品優(yōu)選但非強(qiáng)制地為活塞環(huán)，其可用作壓縮環(huán)，金屬基底主要由鐵、更具體地由回火型馬氏體不銹鋼構(gòu)成并具有高含量的鉻(Cr超過8%)，所述環(huán)經(jīng)受氮化處理。與總是試圖達(dá)到可能的最高程度的硬度(高于1100維氏硬度值(Hv))以保證優(yōu)良的耐磨性的現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)101不同，本發(fā)明以不同的方式解決此問題，提供(present)最高約800維氏硬度值的表面硬度，并且代替現(xiàn)有技術(shù)中僅存在一個(gè)氮化層，其具有雙級氮化，也就是說，總厚度為90微米(μ m)的兩個(gè)層1、2。為本發(fā)明提供新穎性和創(chuàng)造性的該新穎的前所未聞的事實(shí)還可通過可獲得的固有的技術(shù)文加以證實(shí)。根據(jù)在冶金學(xué)領(lǐng)域中聞名世界的最重要的指南和極具聲譽(yù)的書籍-裔魚ASM熱處理手冊{ASM Handbook of Heat Treating) (ASM手冊第4卷,熱處理Qiea t Trea ting))，所有鋼的氮化溫度介于495°C和565°C之間。按照這些指示，不銹鋼可容易地達(dá)到約1200維氏硬度值的表面硬度。根據(jù)該書，通過氮化層獲得的硬度與活塞環(huán)的耐磨性直接相關(guān)(硬度越高，環(huán)的耐磨性越高)。謹(jǐn)記上一段的前提且注意本發(fā)明的特性，我們注意到由于本方法的特征，本發(fā)明的環(huán)100經(jīng)歷了超越上述常規(guī)參數(shù)的氮化處理并且顯示在抗剝落性方面令人倍感意外的結(jié)果，觀察到在耐磨性特性方面(即，對于在彈性燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用)沒有損失。盡管本發(fā)明的環(huán)100的表面硬度為最高約800維氏硬度值，一個(gè)比現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)101的典型的1100維氏硬度值低得多的值，但卻獲得了這些結(jié)果。因此我們可總結(jié)出所獲得的是這樣一種材料，其表面硬度遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)，一種即使具有較低的硬度也能賦予與現(xiàn)有技術(shù)相當(dāng)?shù)哪湍バ缘木哂谢旧暇€性行為的硬度，推出了阻止裂紋擴(kuò)展并因此在應(yīng)用于用于彈性燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的環(huán)時(shí)不會(huì)發(fā)生剝落的材料。這些結(jié)果證明，確定最大表面硬度(比現(xiàn)有技術(shù)的值低得多)的這些創(chuàng)新性相關(guān)事項(xiàng)(correlation)導(dǎo)致韌性增加。另外重要的是，提到表面氮化處理現(xiàn)在導(dǎo)致兩個(gè)明顯的氮化層第一層I和第二層2。這些層也具有新的行為，因?yàn)樵诘谝粚覫上碳的存在為基本上O重量％，因?yàn)樵诘^程期間對氮的吸收促使碳從第一層I全部遷移至第二層2，這自然意味著此第二層2的碳重量百分比大于活塞環(huán)100的金屬基底3的碳重量百分比。例如，對于金屬基底上具有I. 5重量％碳的鋼而言，我們預(yù)期第二層2上的碳將增加到至少約2重量％。重要的是提到，在現(xiàn)有技術(shù)中，在氮化區(qū)域4中總是存在殘留的碳。另外重要的是提到，在本材料中裂紋擴(kuò)展 變得不可行，因?yàn)檎缥覀兛煽吹降?圖3)，從約600維氏硬度值的硬度開始，材料具有足夠的韌性而不會(huì)使裂紋擴(kuò)展。在本發(fā)明中，我們采用與該值非常接近的值，除了這一事實(shí)，即對在第一層I中碳化物的沉淀的抵制(immunity)也有助于抑制相應(yīng)的裂紋擴(kuò)展。因此我們優(yōu)選地但非強(qiáng)制性地具有如此的材料，其最大表面硬度為800維氏硬度值，并且在第一層的邊緣，在于35微米(μπι)和55微米(μπι)之間的值范圍內(nèi)變化的深度處(在該例子中，為距離表面的距離，因?yàn)橹笪词┘油繉?，該表面硬度線性降低至為至少約500維氏硬度值的值(參見圖12)。接著是第二層2，其硬度繼續(xù)前一層的線性行為，引起在最高約600維氏硬度值至最低400維氏硬度值的硬度之間變化的值，這些值見于最小約15微米(μπι)至最大約30微米(μπι)的的第二層的厚度之間，在氮化區(qū)域之后到活塞環(huán)的金屬基底。如之前提到的，本發(fā)明的范圍還包括具有至少一個(gè)附加的涂層30的環(huán)100’，所述附加涂層30在后來施加于第一層I上。在此產(chǎn)品中，第一層I不再是外層，考慮到在其上施加后來的附加層30。因此，環(huán)100’現(xiàn)具有三個(gè)或更多個(gè)涂層。之后施加在第一層I上的至少一個(gè)第三涂層30可具有任何組成、厚度并且甚至可通過任何沉積方法來施加，并且所得環(huán)100’將包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，即使因?yàn)榇说谌繉?0本身不具有任何創(chuàng)新特性。如以上所提到的，此環(huán)100’的特性是之前所提到的第一和第二層的厚度和組成的特性。在此第二種變型中，至少一個(gè)第三涂層30的施加在造成第一層I和第二層2形成的氮化過程實(shí)現(xiàn)后發(fā)生。因此，對于環(huán)的該第二種變型，以上提及的所有特性也均適用，然而，涉及深度的值、尤其是確定硬度的值不是從表面開始計(jì)，而是從其上施加了第三涂層30的第一層I的最外部開始計(jì)。因此
(i)環(huán)100’的第二種變型達(dá)到的最大硬度接近800維氏硬度值并且當(dāng)向金屬基底3深入時(shí)具有幾乎線性的降低行為，在從第一涂層I的最外部開始計(jì)的90微米(Mm)的距離(深度)處具有約400維氏硬度值的值。
(ii)第一氮化層I具有在3重量％和6. 5重量％之間變化的氮7濃度,從第一涂層I的最外部開始計(jì)最多45微米(μ m)。(iii)在從第一涂層I的最外部開始計(jì)的40微米(μ m)的距離處，碳6的值為0%，在第一層I與第二層2的互連區(qū)域中開始增加，因?yàn)閺牡诙?開始，第二層對應(yīng)于50微米(μ m)的深度(從第一涂層I的最外部開始計(jì))，碳7的值突然高升至2重量％和3. 5重量％之間的值。(iv)所述碳值存在于限定的第二層2中，直至約75微米(μπι)的深度(從第一涂層I的最外部開始計(jì))，此刻我們進(jìn)入金屬基底3的區(qū)域并且碳開始出現(xiàn)，具有I. 5重量％的值，這是所用合金的典型值，并且其中自然不再存在氮7。已描述了優(yōu)選的具體化形式的例子，我們必須理解，本發(fā)明的范圍包括其它可能 的變型，僅受所附權(quán)利要求書的內(nèi)容的限制，包括可能的等效物。
權(quán)利要求
1.氮化活塞環(huán)(100，100’)，其具有基本上由鐵構(gòu)成且與一個(gè)第一層(I)結(jié)合的金屬基底，所述環(huán)的特征在于以下事實(shí)，其另外包括位于所述基底(3)與所述第一層(I)之間的一個(gè)第二層(2)，所述第一層(I)具有至少2重量％的氮和基本上800維氏硬度值的最大硬度，并且所述第二層(2)具有的碳的重量百分比至少略大于所述基底(3)中存在的碳的重量百分比并且厚度大于或等于至少15微米(μπι)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，所述基底(3)由馬氏體不銹鋼的合金構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，所述第一層(I)對應(yīng)于所述環(huán)的外部或外面的層。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，所述第一層(I)具有基本上低于O. 05重量％的碳量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，所述第一層(I)具有基本上O重量％的碳量。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，所述第二層(2)具有等于或高于I. 5重量％的碳百分比。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4或5的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，所述第一層(I)具有大約(35)微米(μπι)的最小厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，在從其外表面開始計(jì)的55微米(μπι)的深度處，其具有大于500維氏硬度值的最小硬度。
9.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，在從所述第一層(I)的最外部開始計(jì)的55微米(μπι)的深度處，其具有大于500維氏硬度值的最小硬度。
10.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，在從其外表面開始計(jì)的60 μ m的深度處，其具有至多600維氏硬度值的最大硬度。
11.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，在從所述第一層(I)的最外部開始計(jì)的60 μ m的深度處，其具有至多600維氏硬度值的最大硬度。
12.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，在從其外表面開始計(jì)的85微米(μπι)的深度處，其具有大于400維氏硬度值的最小硬度。
13.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，在從所述第一層⑴的最外部開始計(jì)的85微米(μπι)的深度處，其具有大于400維氏硬度值的最小硬度。
14.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，(i)所述氮化活塞環(huán)(100)的外表面具有至多800維氏硬度值的硬度，和(ii)所述硬度以基本上線性的方式變化，直至在從其外表面開始計(jì)的85微米(μπι)的深度處的400維氏硬度值的最小硬度。
15.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，(i)所述氮化活塞環(huán)(100)的外表面具有最大800維氏硬度值的硬度，和(ii)所述硬度以基本上線性的方式變化，直至在從所述第一層(I)的最外部開始計(jì)的85微米(μπι)的深度處的400維氏硬度值的最小硬度。
16.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，所述第一層(I)不具有碳化物的沉淀。
17.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，所述第二層(2)不具有碳化物的沉淀。
18.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，其在所述第一層(I)的區(qū)域中不使裂紋擴(kuò)展。
19.根據(jù)權(quán)利要求I的氮化活塞環(huán)(100，100’)，其特征在于以下事實(shí)，它們應(yīng)用于彈性燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。
20.氮化活塞環(huán)(100，100’)，其具有主要由鐵構(gòu)成且與第一層(I)結(jié)合的金屬基底，所述環(huán)的特征在于以下事實(shí)，其另外包括第二層(2)，所述第二層(2)位于所述基底(3)與所述第一層(I)之間，所述第一層(I)具有至少2重量％的氮，所述第二層(2)具有的碳的重量百分比至少略大于所述基底(3)中存在的碳的重量百分比，并且所述環(huán)具有基本上800維氏硬度值的最大硬度，所述硬度以基本上線性的方式變化，直至在從其外表面或從所述第一層⑴的最外部開始計(jì)的85微米(μπι)的深度處的400維氏硬度值的最小硬度。
21.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的氮化活塞環(huán)(100’)，其特征在于以下事實(shí)，其包括之后施加在所述第一層(I)上的至少一個(gè)附加的涂層(30)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于彈性燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)中的氮化層剝落問題的解決方案，不損害耐磨性，針對此目的提出一種氮化活塞環(huán)(100,100’)，其具有兩個(gè)氮化層(1,2)以及主要由鐵構(gòu)成的金屬基底(3)，并且其展示出的表面硬度為約800維氏硬度值，對于距離表面至多90微米(μm)的距離，所述表面硬度以基本上線性的方式降低直至約400維氏硬度值。
文檔編號F16J9/26GK102918306SQ201080064930
公開日2013年2月6日 申請日期2010年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者G.阿布拉斯馬奎斯, A.費(fèi)拉雷塞, C.J.d.奧里維拉, J.瓦塔魯克 申請人:馬勒金屬制品有限公司