СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЕВОГО КОЛЬЦА Российский патент 2018 года по МПК C23C14/06 F16J9/14 

$$$$ Изобретение относится к способу изготовления состоящего из чугуна или стального литья поршневого кольца в соответствии с родовой частью первого пункта формулы изобретения.

Общеизвестно снабжение поршневых колец износостойкими покрытиями. В этом случае на рабочую поверхность осаждается несколько очень твердых PVD-покрытий. Из работы двигателей известно, что поршневые кольца, в частности первой канавки, имеют на стыке больший износ, чем на спинке. В то же время PVD-покрытие оказывает отрицательное влияние на распределение радиального давления кольца при работе двигателя. Из-за разного теплового расширения покрытий и материала основы (биметаллический эффект) давление на стыке повышается, способствуя, тем самым, еще большему износу в этой зоне. Это также приводит к более высокой нагрузке ответного тела и, тем самым, к его большему износу.

В JP 2001-295699 А раскрыто поршневое кольцо с покрытой рабочей поверхностью. Она снабжена твердым PVD-покрытием. На него осаждается еще одно покрытие, обладающее лучшими приработочными свойствами, чем твердое PVD-покрытие. Эта мера должна обеспечивать оптимальное распределение давления в направлении периферии поршневого кольца, поскольку приработочное покрытие в близкой к стыку зоне поршневого кольца относительно быстро удаляется.

ЕР 1359351 B1 касается родового способа. Снабженное стыком основание приводится во вращение вокруг источника испарения. За счет разных скоростей вращения создаются разные, если смотреть по периферии основания, толщины покрытия. При этом толщина покрытия в зоне стыка должна быть больше, чем в остальной периферийной зоне.

Из-за разных коэффициентов теплового расширения материала основы поршневого кольца и PVD-покрытия распределение радиального давления при работе двигателя, начиная с температуры кольца около 150°С, изменяется таким образом, что в зоне стыка возникает повышенное радиальное давление.

В основе изобретения лежит задача повышения срока службы поршневого кольца с PVD-покрытием, причем в то же время ответное тело не должно подвергаться повышенному износу или повышенной нагрузке.

Эта задача решается за счет того, что тело поршневого кольца обрабатывается так, что в холодном нерабочем состоянии двигателя оно имеет распределение радиального давления, при котором стыковые концы по определенному периферийному углу не имеют почти никакого радиального давления, а переменная толщина PVD-покрытия устанавливается так, что при температуре поршневого кольца выше 150°С возникает почти равномерное распределение радиального давления по всей периферии поршневого кольца.

Предпочтительные варианты способа приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

Эта задача решается также посредством поршневого кольца, изготовленного предложенным способом.

Предпочтительные варианты этого поршневого кольца приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

Снабженное стыком поршневое кольцо включает в себя тело из стального литья или чугуна, на внешнюю периферийную поверхность которого нанесено, по меньшей мере, одно износостойкое PVD-покрытие, причем оно в близкой к стыку зоне тела поршневого кольца, если смотреть по определенной периферийной зоне, выполнено большей толщины материала, чем в остальной периферийной зоне.

Согласно другой идее изобретения, на состоящее из стального литья или чугуна тело поршневого кольца с коэффициентом расширения < 15×10^-6/К в температурном диапазоне от 100 до 200°С наносится PVD-покрытие с коэффициентом расширения < 4×10^-6/К.

Предпочтительным образом толщина PVD-покрытия в близкой к стыку зоне на 20-40% больше, чем в остальной периферийной зоне.

Согласно другой идее изобретения, толщина PVD-покрытия в близкой к стыку зоне составляет > 40-100 мкм, а в остальной периферийной зоне от 5 до 60 мкм.

Если PVD-покрытие выполнено в виде многослойного покрытия, например AlTiN/CrN, или в виде однородного покрытия, например CrN, CrN(O) или CrN, с содержанием кислорода до 15 мас. %, то оно имеет в температурном диапазоне от 100 до 200°С коэффициент теплового расширения < 4×10^-6/К, причем толщина PVD-покрытия в зоне спинки поршневого кольца составляет от 5 до < 40 мкм, а в близкой к стыку зоне от - 40 до < 100 мкм.

Если PVD-покрытие выполнено на основе С, то оно, согласно другой идее изобретения, имеет в температурном диапазоне от 100 до 200°С коэффициент теплового расширения < 2×10^-6/К, причем толщина PVD-покрытия в зоне спинки поршневого кольца составляет > 1-20 мкм, а в близкой к стыку зоне - макс. 30 мкм.

При необходимости, PVD-покрытие может быть также снабжено наночастицами.

Согласно другой идее изобретения, близкая к стыку зона, начиная с соответствующего стыкового конца, снабжается в угловом диапазоне от 10 до 40° PVD-покрытием большей толщины.

За счет подходящего технологического процесса во время нанесения покрытия по периферии тела поршневого кольца создается переменная толщина покрытия. Как уже сказано, износозащитное PVD-покрытие в близкой к стыку зоне выполнено заметно толще, чтобы воспрепятствовать здесь повышенному износу и, тем самым, значительно повысить срок службы выполненного таким образом поршневого кольца.

На оставшейся части периферии, в частности на спинке кольца, первоначальная толщина покрытия сохраняется. Это не усиливает биметаллический эффект покрытия.

Форму поршневого кольца, в частности горячего, можно регулировать за счет целенаправленного создания покрытия так, чтобы стыковые концы оказывали на ответное тело, например на рабочую поверхность цилиндра, заметно меньшее давление.

Поскольку, согласно изобретению, стыковые концы холодного поршневого кольца не оказывают почти никакого радиального давления, за счет биметаллического эффекта, который невозможно устранить, в идеальном случае применения при температуре поршневого кольца, начиная со 150°С, устанавливается равномерное распределение радиального давления по всей периферии кольца. Эта мера позволяет оказывать благоприятное влияние также на форму поршневого кольца, что уменьшает давление на стыке и препятствует, тем самым, повышенному износу, в частности в близкой к стыку зоне.

Предложенное поршневое кольцо используется во многих областях. Так, возможно его применение в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств (легковые и грузовые автомобили, автобусы), промышленное применение (например, стационарные двигатели), строительных машинах, локомотивах и на судах. Предпочтительно применение в области дизельных двигателей, в частности в двухтактных дизельных двигателях с большим рабочим объемом.

Объект изобретения более подробно описан ниже на примере его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых изображают:

- фиг. 1: принципиальную схему тела поршневого кольца с обозначенным распределением радиального давления;

- фиг. 2: принципиальную схему тела поршневого кольца из фиг. 1, снабженного PVD-покрытием.

На фиг. 1 изображено тело 1 поршневого кольца, снабженное лишь обозначенным стыком. Распределение радиального давления тела 1 в его холодном состоянии обозначено стрелками. Видно, что тело 1, за исключением своих близких к стыку концевых участков 3, 4, выполнено с приблизительно одинаковым распределением радиального давления, если смотреть в направлении периферии. В направлении близких к стыку концевых участков 3, 4, проходящих преимущественно по периферийному углу от 10 до 40°, распределение радиального давления должно быть уменьшено почти до 0. Это может происходить, например, за счет того, что тело 1 на своих близких к стыку концевых участках 3, 4 снабжается негативным контуром.

На фиг. 2 изображено тело 1 поршневого кольца из фиг. 1. Видны стык 2 и близкие к нему концевые участки 3, 4. Тело 1 должно состоять в этом примере из стального литья и иметь коэффициент расширения от 11×10^-6/К. На образующую рабочую поверхность внешнюю периферийную поверхность осаждается PVD-покрытие 5, которое, согласно изобретению, имеет в зоне близких к стыку концевых участков 3, 4 тела 1 большую толщину. При этом могут использоваться многослойные PVD-покрытия, например AlTiN/CrN, или однородные покрытия, например CrN, с долей кислорода до 15 мас. %. Подходящее износостойкое PVD-CrN-покрытие имеет коэффициент теплового расширения 3×10^-6/К. Для таких покрытий на основе CrN достигается твердость от 800 до 2500 HV, в качестве альтернативы для покрытий на основе С - до 4500 HV, а, при необходимости, еще выше, например 6000 HV.

В этом примере толщина PVD-покрытия 5 должна составлять в зоне близких к стыку концевых участков 3, 4 около 42 мкм, а в зоне спинки 6 кольца - около 15 мкм. Вследствие биметаллического эффекта, который невозможно устранить, подготовленное по фиг. 1 тело 1 поршневого кольца будет иметь в идеальном случае применения начиная с его температуры 150°С, в основном, равномерное распределение радиального давления по периферии кольца.

Изобретение относится к изготовлению поршневого кольца, выполненного из чугуна или литейной стали. Изготавливают тело поршневого кольца, на которое по внешней периферии наносят по меньшей мере одно PVD-покрытие переменной толщины таким образом, что оно в близкой к стыку концов поршневого кольца зоне имеет по сравнению с остальной внешней периферийной зоной тела поршневого кольца большую толщину. Тело поршневого кольца обрабатывают так, что в холодном состоянии в близкой к стыку концов поршневого кольца зоне оно не имеет никакого радиального давления. Переменную толщину PVD-покрытия наносят так, что при температуре поршневого кольца выше 150°С возникает равномерное распределение радиального давления по всей внешней периферии поршневого кольца. В результате чего повышается срок службы поршневого кольца. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления поршневого кольца, выполненного из чугуна или литейной стали, включающий изготовление тела (1) поршневого кольца, на которое по внешней периферии наносят, по меньшей мере, одно PVD-покрытие (5) переменной толщины таким образом, что оно в близкой к стыку концов (3, 4) поршневого кольца зоне имеет по сравнению с остальной внешней периферийной зоной тела (1) поршневого кольца большую толщину, отличающийся тем, что тело (1) поршневого кольца обрабатывают так, что в его холодном состоянии в близкой к стыку концов (3, 4) поршневого кольца зоне оно не имеет никакого радиального давления, а переменную толщину PVD-покрытия (5) наносят так, что при температуре поршневого кольца выше 150°С возникает равномерное распределение радиального давления по всей внешней периферии поршневого кольца.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что близкую к стыку зону (3, 4) тела (1) поршневого кольца снабжают PVD-покрытием (5) толщиной <100 мкм, в частности <60 мкм, а оставшуюся периферийную зону тела (1) поршневого кольца - PVD-покрытием толщиной <60 мкм, в частности <40 мкм.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что PVD-покрытие (5) наносят на рабочую поверхность тела (1) поршневого кольца в виде многослойного PVD-покрытия, в частности на основе AlTiN/CrN.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что PVD-покрытие (5) наносят на рабочую поверхность тела (1) поршневого кольца в виде однородного покрытия на основе CrN, CrN(O) или CrN с содержанием кислорода до 15 мас.%.

5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве PVD-покрытия используют покрытие на основе С.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на тело (1) поршневого кольца с коэффициентом расширения <15×10^-6/К в температурном диапазоне от 100 до 200°С наносят PVD-покрытие (5) с коэффициентом расширения <4×10^-6/К.

7. Поршневое кольцо, содержащее снабженное стыком (2) тело (1) из чугуна или стального литья, на внешнюю периферийную поверхность которого нанесено по меньшей мере одно PVD-покрытие (5) переменной толщины, отличающееся тем, что оно изготовлено способом по п. 1.

8. Поршневое кольцо по п. 7, отличающееся тем, что PVD-покрытие (5) выполнено в близкой к стыку зоне (3, 4) тела (1) поршневого кольца, по определенной периферийной зоне, большей толщины материала, чем в остальной периферийной зоне.

9. Поршневое кольцо по п. 7 или 8, отличающееся тем, что толщина PVD-покрытия (5) в близкой к стыку зоне (3, 4) на 20-40% больше, чем в остальной периферийной зоне.

10. Поршневое кольцо по п. 7 или 8, отличающееся тем, что толщина PVD-покрытия (5) в близкой к стыку зоне (3, 4) составляет от 40 до 100 мкм, а в остальной периферийной зоне от 5 до 60 мкм.

11. Поршневое кольцо по п. 7 или 8, отличающееся тем, что зона большей толщины PVD-покрытия (5) проходит по периферийной зоне от 10 до 40°, в частности от 10 до 20°, исходя от стыка (2) тела (1) поршневого кольца.

12. Поршневое кольцо по п. 7 или 8, отличающееся тем, что его тело (1) состоит из стального материала с коэффициентом теплового расширения <15×10^-6/K в температурном диапазоне от 100 до 200°С.

13. Поршневое кольцо по п. 7 или 8, отличающееся тем, что PVD-покрытие (5) выполнено в виде многослойного покрытия, в частности на основе AlTiN/CrN, или в виде однородного покрытия, в частности на основе CrN, CrN(O) или CrN, с содержанием кислорода до 15 мас.% и имеет в температурном диапазоне от 100 до 200°С коэффициент теплового расширения менее 4×10^-6/К, причем толщина PVD-покрытия в зоне спинки поршневого кольца составляет от 5 до менее 40 мкм, а в близкой к стыку зоне от 40 до менее 100 мкм.

14. Поршневое кольцо по п. 7 или 8, отличающееся тем, что PVD-покрытие (5) выполнено на основе С, имеет в температурном диапазоне от 100 до 200°С коэффициент теплового расширения менее 2×10^-6/К, причем толщина PVD-покрытия (5) в зоне спинки поршневого кольца составляет от более 1 до 20 мкм, а в близкой к стыку зоне (3, 4) - максимпльно 30 мкм.

15. Поршневое кольцо по п. 7 или 8, отличающееся тем, что PVD-покрытие (5) включает в себя наночастицы.