CN111868421A - 用于二冲程发动机的具有磨损指示的活塞环 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于二冲程发动机的具有磨损指示的活塞环，该活塞环包括活塞环本体，该活塞环本体具有外部面、两个活塞环侧面和活塞环内部面。本发明的特征在于，外部面被配备有在径向上一层位于另一层上的至少两层热喷涂层，所述至少两层热喷涂层具有处于确定顺序的至少两种不同颜色，并且能够由此在颜色上进行区分。径向上的一个或多个最下层通过添加Cu或CuFeAl而被染为红色，其中，一个或多个最下层的铜含量优选地在30至50wt％之间。
Description
本发明涉及用于二冲程发动机的活塞环，优选地涉及用于大缸径活塞二冲程发动机的活塞环，上述活塞环设置有磨损指示。
用于确定特别是二冲程发动机中的活塞环的剩余厚度的先前方案包括超声波头的使用，利用该超声波头可以确定活塞环本身的剩余厚度或活塞环的工作面的涂层的剩余厚度。由于校准要求和超声波装置的令人不舒适的操纵，通常使这种磨损的确定较困难。
因此，希望有下述可用的方法和/或活塞环，利用该方法和/或活塞环可以快速地且容易地确定当前磨损状态，并且从而确定是否必须更换活塞环，或者在更换不可避免之前，是否仍然可以使用在当前磨损状态下的活塞环进行下一工作循环。
根据本发明，提供了用于二冲程发动机的具有磨损指示的活塞环，该活塞环包括活塞环本体，该活塞环本体具有外部面、两个活塞环侧面和活塞环内部面，并且提供了至少两层在径向上一层位于另一层顶部上的热喷涂涂层，该热喷涂涂层具有：处于固定顺序的至少两种不同颜色；由于添加了Cu或CuFeAl，径向上的一个或多个最下层是红色的，一个或多个最下层的铜含量优选地在30至50wt％之间。
特征性地并且尤其地，颜色顺序应该始终相同，即使有多层也如此。如果位于彼此顶部上的多个层或涂层的颜色顺序是已知的，那么使用颜色顺序可以很容易地确认颜色过渡是属于径向上较下的涂层还是径向上较高的涂层。这使得评估活塞环的磨损模式非常容易。其因此可以立即确定，而无需重新测量过度磨损在何处出现以及比预期更少的磨损在何处发生。在颜色标记的情况下，可以例如通过缸的冲洗通道而容易地一眼就确认活塞环是否已经严重磨损或是否仍可以使用。高的铜含量可以将层着色为光亮的红色或铜色，并且因此允许作为磨损防护涂层的层的特别地简单的颜色表征。
优选地，设置有在径向上一层位于另一层的顶部上的热喷涂涂层，上述至少三层热喷涂涂层由处于固定顺序的(至少)三种不同颜色表征。在该设计中，一个或多个热喷涂层以一层位于另一层的顶部上的方式布置在工作面上。
在活塞环的另一实施方式中，该活塞环包括在周向方向上围绕工作面螺旋地延伸的至少一个热喷涂层。该螺旋层围绕整个活塞环延伸至少两次。
螺旋热喷涂层优选地在周向方向上包括材料梯度。在该情况下，至少在一个区域中，单个热喷涂层被施加到对应地被夹持的封闭环或开放环；热喷涂层的材料成分可以在围绕活塞环旋转或转动之后改变，其结果是，例如至少一个可选的应急工作涂层、至少一个磨损表征涂层、至少一个优选的多个磨损防护涂层和至少一个优选多个磨合涂层可以在单个步骤中通过一个螺旋热喷涂层产生。
在活塞环的一个实施方式中，至少一个最下或至少一个较下的热喷涂层、或螺旋热喷涂层的起始区域设置有赋予该层或该起始区域特征颜色的填料。因此，磨损指示涂层可以被施加于活塞环。
活塞环的另外的实施方式包括：至少一个最下热喷涂层或螺旋热喷涂层的起始区域具有赋予该层或该起始区域应急工作性能的填料。该实施方式还包括：至少一个中部层或螺旋热喷涂层的中部区域具有赋予该至少一个中部层或螺旋热喷涂层的中部区域磨损性能的填料。此外，在该实施方式中，螺旋热喷涂层的至少一个较上的层或端部区域处于磨合涂层的形式，固体润滑剂被引入到该层或该区域。固体润滑剂意味着活塞环可以慢慢地适应缸的形状，同时得益于固体润滑剂，在磨合阶段期间避免了活塞环的工作表面和缸的内部面的过度磨损。利用该组合，活塞环可以实现相对地较长的使用寿命。至少最下层或第二最下层或区域的颜色标记还可以确保可以通过简单的视觉手段——例如通过缸中的开口(例如二冲程发动机中的冲洗通道)——来识别活塞环的超前磨损，并且可以确认活塞环是否必须更换或者其是否仍然可以使用。因此，在发动机的任何停止的情况下，可以毫无问题地检查活塞环的状况，并且因此可以相对地容易地确认是否已经使用了最下层或第二最下层，或者是否仍然有足够的时间直到下一维护间隔。
在本活塞环的另外的实施方式中，最下热喷涂层或螺旋热喷涂层的起始区域设置有赋予该层或该起始区域应急工作性能的填料。最下热喷涂涂层优选地被喷涂有高含量的硬质材料诸如Al2O3，以便允许活塞环当在所述最下涂层之上的热喷涂涂层完全地磨损时被使用直到下一次更换。添加Al2O3引起白色的着色。这应当特别地减缓在活塞环的主要材料之前的最后的层的磨损。
在活塞环的另外的实施方式中，它包括含有Al2O3的至少一个最下热喷涂层或螺旋热喷涂层的起始区域。添加剂Al2O3提供了可以使用较长时间的硬质喷涂涂层，并且应当允许继续以低磨损的方式使用活塞环，至少直到目标被达成，即使当所有其他覆盖的涂层或层或层区域已经磨损时。这个方面是重要的，因为本活塞环意图特别地在用于船舶的柴油发动机中使用，并且重要的是船舶仍然可以在发动机动力下到达可以更换活塞环的下一港口或目的地港口。在海上更换活塞环将导致船舶不能移动，有相当大的全损风险。
在活塞环的另外的实施方式中，至少一个热喷涂的较下中间层或螺旋热喷涂层的中间区域包括Cu或Cu合金，中间层或中间区域的铜含量在该层的铜含量的30至50wt％之间。
在活塞环的另一实施方式中，至少一个热喷涂的较上磨合层或螺旋热喷涂层的端部区域包括Mo、Ni、Cr、Cr3C2、Mo2C或其组合作为硬质相。提到的硬质物质允许活塞环的工作面或喷涂的层缓慢地适应缸内壁的内部轮廓。
在活塞环的另外的实施方式中，至少一个热喷涂层或螺旋热喷涂层具有20至30μm的层厚度。
在活塞环的附加实施方式中，存在多个中部热喷涂层，或者螺旋热喷涂层的中部区域围绕整个活塞环延伸多次，并且一层位于另一层顶部上的每一对层通过使用不同的添加剂而在颜色上彼此区分。该实施方式允许更精确和简单地对下述进行判断：活塞环的磨损模式，即在活塞环上磨损如何发生，以及尤其是该活塞环关于轴线方向和周向方向如何均匀地磨损。
如果活塞环不能在活塞环沟槽中按期望的旋转，前述的两个实施方式同样地使对下述的确认成为可能：缸是否偏离圆形形状，以及因此某些磨损模式是否是由产生单侧或不均匀磨损的缸特性导致的。
在活塞环的另外的实施方式中，至少一个最下的热喷涂层或者螺旋热喷涂层的起始区域具有在10至60μm之间的厚度，优选地具有在20至30μm之间的厚度。在该实施方式中，至少一个热喷涂的中间层或螺旋热喷涂层的中间区域具有在10至120μm之间的厚度，优选地具有在20至60μm之间的厚度。在相同实施方式中，至少一个中部热喷涂层或螺旋热喷涂层的中部区域具有在100至600μm之间的总厚度，优选地具有在200至400μm之间的总厚度。此外，至少一个较上磨合层或螺旋热喷涂层的较上磨合区域具有在100至600μm之间的总厚度，优选地具有在200至400μm之间的总厚度。该实施方式涉及当前优选的实施方式，其中，各个层的顺序和厚度提供了具有磨损指示涂层(中间层)和应急工作性能的特别好的活塞环。
在另外的实施方式中，活塞环包括：由铸铁构成的活塞环本体或包括铸铁的活塞环本体。
下面将使用不按比例的示意图更详细地解释本发明。
图1示出了在环本体的外部面上具有多个同心热喷涂涂层的活塞环。
图2示出了在环本体的外部面上具有螺旋的周向的热喷涂涂层的活塞环，该热喷涂涂层在周向方向上具有至少一个材料梯度。
图1示出了具有环本体4的活塞环2，不同的热喷涂层相继地被施加到该环本体的外部面。围绕整个活塞环以一定厚度延伸的应急工作涂层6被直接地施加到外部面。应急工作涂层6同样地可以包括两个或更多个同心层。应急工作涂层6设置有Al2O3颗粒，其赋予该涂层特别高的硬度。也可以使用经掺杂的Al2O3颗粒。例如，掺杂有铬的Al2O3可以将红色赋予应急工作涂层。应急工作涂层的其他颜色也可以使用掺杂有Fe2+、Fe3+、Ti4+、Co2+、Fe3+、Ti3 +、Ti4+、Co2+或V4+的Al2O3来实现。磨损指示涂层8被施加到应急工作涂层6上，该磨损指示涂层应该同样地在任何地方都具有相同的厚度并且可以包括一个或两个热喷涂层。磨损指示涂层8可以与铜混合以借助于闪光的铜色来指示磨损防护涂层的磨损极限。磨损防护涂层10通过热喷涂被施加到磨损指示涂层8。磨损防护涂层10可以包括多个热喷涂层。磨损防护层10的各个层甚至可以由不同的填料以颜色进行标记，由此可以简单地通过注视环工作面来识别不均匀磨损；在该情况下，磨损防护涂层10的两个不同着色层之间的过渡线对应于分布图的轮廓线，由此可以一眼辨认出磨损的类型和不均匀性。这种指示环可以同样地被用于生产从一开始就具有不均匀涂层的对应的环，如果磨损不均匀，所述涂层在经磨损的活塞环中引起均匀的残留涂层或层厚度。
在磨损防护涂层10上存在若干另外的磨合涂层的层或热喷涂的磨合层12，这些层包括较高含量的固体润滑剂并且因此允许活塞环进行磨合过程，而不具有缸内壁的磨损或显著减少了缸内壁的磨损。热喷涂层可以被相继地施加到活塞环。各个层应该尽可能具有最均匀的厚度并且尽可能被同心地布置。在活塞环或活塞环本体在环间隙端部14处被切开之前，可以对热喷涂层进行喷涂。
图2示出了具有与图1的活塞环相似的结构的活塞环。然而，代替多个层，在单个步骤中使用围绕外部面螺旋地延伸的单个热喷涂层生产该活塞环。活塞环2包括与如在图1中示出的相同的活塞环本体4。代替相继地热喷涂多个层，在周向方向上在开始处施加具有第一成分的单个层。当第一层或一次旋转完成时，继续喷涂第一层而不中断热喷涂过程，直到两个涂层因此一层位于另一层的顶部上为止。前两个涂层形成具有特别高强度的应急工作涂层16。喷涂过程继续进行，将用于活塞环的第三和第四旋转的连续涂层的成分改变成较低Al2O3含量和较高铜含量，其结果形成螺旋磨损指示涂层18。在起先的2至4个旋转之后，碳化物(钼、铬、钨等)被用作添加剂来施加多层螺旋磨损防护涂层20以用于接下来的8至16次旋转。然后在不中断热喷涂过程的情况下，喷涂材料的成分可以再次被改变成具有较高固体含量的材料，其结果是，为随后的螺旋层形成螺旋磨合涂层22。通过经调整的喷涂和旋转参数，最后的层可以慢慢变薄，从而形成整体柱状的外部面。在该情况下，不同的功能涂层或功能层在单个不中断的喷涂过程中被施加，单个螺旋热喷涂层仅在周向方向上具有不同的梯度，所述梯度各自形成应急工作涂层、磨损指示涂层、磨损防护涂层和磨合涂层之间的过渡。过渡区域可以被选择成相对地短。然而，同样地可以在整个旋转过程上扩展材料梯度。在图2中，过渡区域在每个情况下包括从12点钟位置延伸到3点钟位置的四分之一圆。在该情况中，也可以在活塞环或活塞环本体在环间隙端部14处被切开之前，对具有多个梯度的热喷涂层进行喷涂。
附图标记列表
2 活塞环
4 活塞环本体
6 应急工作涂层/应急工作层
8 磨损指示涂层/层
10 磨损防护涂层/层
12 磨合涂层/层
14 环间隙
16 螺旋应急工作涂层/应急工作层
18 螺旋磨损指示涂层/层
20 螺旋磨损防护涂层/层
22 螺旋磨合涂层/层
Claims (14)
1.一种用于二冲程发动机的具有磨损指示的活塞环，所述活塞环包括活塞环本体，所述活塞环本体具有外部面、两个活塞环侧面、和活塞环内部面，
其特征在于，在所述外部面上设置有在径向上一层位于另一层的顶部上的至少两层热喷涂涂层，所述至少两层热喷涂涂层具有处于固定顺序的至少两种不同颜色并且因此在颜色上是可区分的，径向上的一个或多个最下层由于Cu或CuFeAl的添加而被着色成红色，其中，所述一个或多个最下层的铜含量优选地在30至50wt％之间。
2.根据权利要求1所述的活塞环，
其特征在于，设置有在径向上一层位于另一层的顶部上的至少三层热喷涂涂层，所述至少三层热喷涂涂层由处于固定顺序的三种不同颜色表征。
3.根据权利要求1或2所述的活塞环，
其特征在于，所述活塞环包括在周向方向上围绕工作面螺旋地延伸的至少一个热喷涂层。
4.根据权利要求3所述的活塞环，
其特征在于，螺旋热喷涂层在周向方向上包括材料梯度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的活塞环，其中，最下热喷涂层或螺旋热喷涂层的起始区域包括赋予该层或该起始区域特征颜色的填料。
6.根据前述权利要求中任一项所述的活塞环，其中，最下热喷涂层或螺旋热喷涂层的起始区域包括赋予该层或该起始区域应急工作性能的填料。
7.根据前述权利要求中任一项所述的活塞环，其中，至少一个最下热喷涂层或螺旋热喷涂层的起始区域包括赋予该层或该起始区域应急工作性能的填料，其中，至少一个中部层或螺旋热喷涂层的中部区域包括赋予所述至少一个中部层或螺旋热喷涂层的中部区域磨损性能的填料，并且其中，至少一个较上层或螺旋热喷涂层的端部区域包括设置有固体润滑剂的磨合涂层。
8.根据前述权利要求中任一项所述的活塞环，其中，至少一个最下热喷涂层或螺旋热喷涂层的起始区域包括Al2O3。
9.根据前述权利要求中任一项所述的活塞环，其中，至少一个热喷涂的较下中间层或螺旋热喷涂层的中间区域包括Cu，其中，所述中间层或中间区域的铜含量为该层的铜含量的50至70wt％。
10.根据前述权利要求中任一项所述的活塞环，其中，至少一个热喷涂的较上磨合层或螺旋热喷涂层的端部区域包括Mo、Ni、Cr、Cr3C2、Mo2C或其组合。
11.根据前述权利要求中任一项所述的活塞环，其中，至少所述热喷涂层或所述螺旋热喷涂层具有20至30μm的层厚度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的活塞环，其中，存在多个中部热喷涂层，或者螺旋热喷涂层的中部区域围绕整个活塞环延伸多次，其中，一层位于另一层的顶部上的每一对层通过使用不同的添加剂而在颜色上彼此区分。
13.根据前述权利要求中任一项所述的活塞环，其中，
所述至少一个最下热喷涂层或螺旋热喷涂层的起始区域具有在20至30μm之间的厚度，
所述至少一个热喷涂的中间层或螺旋热喷涂层的中间区域具有在20至60μm之间的厚度，
所述至少一个中部热喷涂层或螺旋热喷涂层的中部区域具有在200至400μm之间的厚度，并且
所述至少一个较上磨合层或螺旋热喷涂层的较上磨合区域具有在200至400μm之间的厚度。
14.根据前述权利要求中任一项所述的活塞环，其中，所述活塞环本体由铸铁构成或包括铸铁。
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