用于往复式活塞内燃机的具有硬化的活塞环槽的活塞

摘要

涉及用于往复式活塞内燃机的活塞，由氮化物构成的基础合金制成，具有活塞上部(1)，该活塞上部具有多个环绕的活塞环槽(4)，并且至少其最上边的靠近燃烧室的环槽(4a)具有磨损防护的、被硬化的槽侧面(5a，b)，本发明的改进在于：为使活塞上部，尤其是其最上边的活塞环槽具有尽量延长的运行使用寿命而提出，至少该活塞上部的包围着要磨损防护而被硬化的槽侧面和耐火钝边的外表面设有另外的氮化层形式的磨损和腐蚀防护层(7)，其中该磨损和腐蚀防护层通过在氮氛围或氮碳氛围中使氮化物构成的基础合金以等离子渗氮或以等离子氮碳共渗方式转化而制成，因此被硬化的槽侧面附加地借助于氮化层(7)得到保护。

说明书

本发明涉及由一种用于往复式活塞内燃机的由氮化物形成的基础合金制成 的活塞，其具有活塞上部，该活塞上部具有多个环绕的活塞环槽和耐火钝边， 并且至少其最上边的靠近燃烧室的环槽具有磨损防护的、被硬化的槽侧面。

活塞上部，即最上边的与燃烧室相对置的元件，其经历整个燃烧过程，是 此类型活塞的最大危险的部分。

在此的作用是对从上方作用到活塞上部上燃烧压力进行密封。这是通过所 谓的活塞环实现的，活塞环在活塞的侧部区域安装在活塞环槽内，并且将燃烧 室向下方相对曲轴箱密封。在这个区域中最大问题是活塞环槽的使用寿命。这 很大程度决定了整个活塞的维修间隔，以及与之相关的运行成本和运行可靠性。

公知的是，为了延长运行使用寿命，对这类活塞上部以及特别是其活塞环 槽进行硬化处理，确切地说，可以感应方式和/或通过镀铬。这种感法硬化产生 平均的磨损特性。例如DE19833825C1已经表明了上述的活塞，特别是用于 大型发动机，其中活塞环槽具有磨损防护的侧面。

此处活塞上部由调质的并合金的钢制成，其在活塞环槽上面和下面侧面的 区域中被硬化处理，使得在侧面宽度所在的区域上产生连续的硬化区域。该硬 化过程可以按目的通过感应方式实现，这样能以简单方式为进行希望的组织转 化实现必需的温度控制。

但是上述措施从一定高的燃烧压力开始就不再能满足需求。亦即该侧面负 荷随着升高的燃烧压力以超比例方式增大。联系此方面，如今希望的低润滑(油) 率是不利的。由此导致硬化侧面快速的磨损。这尤其发生在第一个最接近燃烧 室的活塞环槽，按照本发明，在此处负荷是最大的。

另一方面也已公知，在使用渗氮的或氮碳共渗的钢情况下，耐磨强度是明 显提高的。

等离子渗氮或等离子氮碳共渗一般地人们理解是对钢表面层的硬化，其中 氮原子或碳原子扩散进入，并且由此在薄的表面层中与铁反应为氮化物或碳氮 化物，连接层。在其上连接的扩散层中，氮在冷却时才部分地被离析为氮化物 并因此导致硬度提高。该硬度本身取决于氮化物的类型。按照如何将氮与钢发 生反应情况，渗氮时间和氮化层不同。

换句话说，以氮实现材料的边缘层的扩散饱和，从而提高硬度、耐磨强度、 疲劳强度和耐腐蚀性。在渗氮/氮碳共渗以后，边缘层由外侧的氮化层或碳氮层 (连接层)和紧接着的由富含氮的混合晶体和离析的氮化物构成的层(扩散层) 构成。

通过发光放电，所谓的等离子渗氮，氮的离子化可以将渗氮时间缩短(在 450℃至550℃时进行等离子渗氮)。

在氮碳共渗时处理介质除了氮还包含释放碳的组分，在这种氮碳共渗的情 况下，可以在粉末、盐浴、气体或等离子体中同样氮碳共渗(在500℃至590 ℃时，优选是在约520℃时进行等离子氮碳共渗)。

由此作为本发明基础的任务是，将所属类型的具有已借助于边缘层被硬化 的环槽侧面和由调质的并由氮化物形成的合金钢构成的活塞如此地进行最佳优 化，使得活塞上部，而且特别是其最上边的活塞环槽具有尽量延长的运行使用 寿命，也就是说，特别是在活塞上部上的环槽磨损被明显地减小。

通过至少是活塞上部的包围着为磨损防护而被硬化的槽侧面的外表面设有 另外的呈氮化层形式的磨损和腐蚀防护层，其中该磨损和腐蚀防护层通过在氮 氛围或氮碳氛围中以等离子渗氮或以等离子氮碳共渗方式使氮化物形成的基础 合金进行转化而制成，因此，已被硬化的槽侧面附加地借助于氮化层得到保护， 从而实现明显改善的磨损和腐蚀防护性能，并且当然地实现较长的维护间隔/构 件使用寿命。因此特别在和燃烧室最接近的最强负载的第一环槽中，可以使其 磨损被大大地最小化。

本发明所述的活塞下面借助于实施例在附图中示出，并此外详细地说明。

附图示出：

图1通过本发明所述的活塞上部的纵向剖视图，

图2基于图1，根据本发明在侧面上硬化并附加地设有氮化层的三个上边 环槽的细节视图。

图1示出了往复式活塞内燃机的活塞的活塞上部(1)，其具有燃烧室凹腔 (2)、耐火钝边(3)以及分别具有平行环槽侧面(5a，b)的四个环槽(4a，b， c，d)。

这个活塞上部(1)由调质的和氮化物形成的合金钢构成。按照图2，这三 个上边的环槽(4a，b，c)分别在它们上面和下面侧面(5a，b)的区域中被硬 化，使得分别在侧面宽度所在区域中形成了呈边缘层(6)形式的连续的硬化区 域。此处该硬化过程本身采用公知的感应方式进行。

另外按照图1和图2提出，至少活塞上部(1)包围着磨损防护的环槽(4a， b，c)和耐火钝边(3)的外面部分设有另外的呈氮化层形式的磨损和腐蚀防护 层(7)，其中磨损和腐蚀防护层(7)通过在氮氛围或者氮碳氛围中以等离子渗 氮或以等离子氮碳共渗方式使氮化物形成的基础合金转化而制成，从而被硬化 的槽侧面(5a，b)附加地借助于氮化层(7)得到保护。

其中在本发明意义上重要的是，至少是借助于边缘层(6)被磨损防护的环 槽(4a，b，c)被设有另外的氮化层，而燃烧室凹腔(2)和/或耐火钝边(3) 则不必氮化。

特别按照图1，根据示出的具体实施例，塞顶部(1)全部外表面都设有氮 化层(7)，而活塞上部(1)的内表面则保特未被覆层。

氮化层(7)以公知方式设置有两层的结构，亦即至少在构件表面上邻接的 扩散层和在其上构成的连接层。本发明的特征在于，氮化层(7)包括被硬化的 边缘层在被硬化的槽侧面(5a，b)上具有0.2mm至1.0mm的厚度(渗氮硬化 深度)，并具有大于550HV(维氏)的表面硬度，其中槽侧面(5a，b)具有构 造在其上的厚度为2μm至15μm的连接层。

扩散区域的硬度随着到表面的增大的厚度或者距离而下降，因为渗氮硬化 的作用由于控制的扩散过程而随着深度下降。

对于往复式活塞内燃机活塞的活塞上部(1)的承受废气的外表面来说，本 发明应用的氮化层(7)不仅在环槽区域中提高了耐磨强度，特别是上边环槽并 且尤其是第一个最接近燃烧室(2)的环槽(4a)的区域中提高了耐磨强度，而 且还实现提高的抗腐蚀强度。

最后还要提及的是，优选要磨损防护的槽侧面在第一道工序中以感应方式 被硬化。