[发明专利]抗裂纹扩展的氮化活塞环

说明书

本发明涉及用于内燃机的活塞环，更具体地，涉及用于弹性燃料发动机（Flex-fuel engine）的压缩环，其抗氮化层剥落的性质具有相当大的改善。

氮化

氮化是一种旨在尤其是对钢制压缩环的机械性能（在此特定情况下，为活塞环的滑动面的机械性能）提供改善的表面处理。

通过图1，仅为了举例说明氮化过程，我们可观察到气体氮化（最简单且最重要的氮化形式之一）的化学物理过程。还可观察到氨分解为氮以及被钢的相应吸收。氨与钢接触时发生分解，释放原子氮，其随后能被钢吸收并以填隙方式溶解于铁(Fe)中。当表面达到某种饱和水平时，氮化物的形成通过成核和生长的机制得以促进，并且为此目的需要一定的酝酿期。

通常，通过表面热化学处理，氮化处理能够使表面具有较高的硬度。在此处理中，利用含氮环境在一定的温度下在α相（铁素体）中引入氮，目的是实现钢的硬度和耐磨性的增加。此表面处理提供直至一定表面深度的物质转化，保持了可延展的和强韧的芯，结果，当钢冷却至室温时在所述芯中没有相的变化。正如本主题的专家通常所知，在所有氮化过程中，材料的最表面的区域为接受更多氮吸附的区域，并且随着材料内部到表面的距离增加，被吸收的氮的量下降。类似地，材料的硬度在表面上较高，随着深度增加而缓慢降低。

在氮化的一些优点中，我们应指出：

高表面硬度和增加的耐磨性；

高耐疲劳性–在钢表面形成可压缩力；

高尺寸稳定性；

无翘曲风险。

弹性燃料发动机

乙醇是一种用作内燃机燃料的易燃材料，尤其是在巴西，在那里，随着弹性燃料发动机（其能用纯的或以任何比例混合的酒精或汽油来运行）的投放市场，它近来开始被广泛使用。

由于允许将酒精用作燃料，靠汽油运行的内燃机逐渐适合于也能使用乙醇；然而，尽管有本领域中的这些发展，在将乙醇用作燃料中也会出现一些产生缺点的问题。最麻烦的缺点之一是当发动机利用乙醇运行时，活塞环承受更高磨损，这因较低的润滑条件和较高的工作温度而变得更糟。

在一些弹性燃料发动机中，已经出现压缩环涂层氮化表面层材料的剥落。剥落的发生是由以下因素的组合所致：例如边缘润滑条件、高工作温度和发动机点火点过度提前，特别是当弹性燃料发动机利用乙醇运行时应用发动机点火点过度提前以促进在部分荷载下所产生的扭矩的增加。点火点的过度提前代表活塞和环的过度工作，这可导致经表面处理的材料以相比靠汽油运行的发动机的情况严重得多的方式剥落。

而且，恒定的负载和卸载作用造成环滑动表面上的塑性变形，这一事实可导致表面下裂纹和随之发生的覆盖物松弛。此现象在英语中称为spalling，在葡萄牙语中称为espala??o或destacamento，在本文中我们使用术语“剥落(spalling)”。

活塞环的这些片段的剥落可造成严重的运行问题，例如由于环和汽缸之间的磨擦引起的在汽缸壁上的刮痕和汽缸套的损耗、损害汽缸的密封并导致压缩的损失以及使油通往发动机燃烧室区域。此类问题在更严重的情况下导致发动机最佳操作特性的损失（例如发动机压缩的显著降低）并且还造成作用部件的过早磨损。

我们应指出，此类问题尤其是在将乙醇用作燃料的弹性燃料发动机中发生。

上述剥落现象尤其可在图2和3中观察到。图2显示将乙醇用作燃料的弹性燃料发动机的由气体氮化钢–GNS制成的活塞环中发生的裂纹和随之发生的剥落。而图3描述与图2中的环等同的环的横截面，其中易于识别裂纹的外观和相应的扩展，该裂纹造成随之发生的氮化表面的剥落。作为本报告中将探究的技术特征，我们应提到这些图中所示类型的GNS环具有约1000表面维氏硬度值(Hv)的硬度。

在重复的测试和相应的实验室观察之后，可观察到通常裂纹的发生在大多数情况下垂直于环的滑动表面发生，并且在硬度较低的某一深度开始，裂纹偏离，并开始与氮化层和非氮化材料的基底之间的边界平行。如本报告一开始在氮化章节中所阐释的，氮化材料的表面区域吸收更多的氮，该表面区域被转化为比材料的更内部的区域更硬的区域，，而在该更内部的区域中，自然地，吸收较少的氮并因此是硬度较低的区域即，具有较高的韧性。因此可合理地推断，当发现硬度较低（即更具韧性）的材料区域时，裂纹朝向深处扩展不可能，促使其在该区域内改变方向并水平扩展，在所述区域内基底的硬度仍相当高。