一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環(huán)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環(huán)，它先在環(huán)體的外圓面電鍍或物理氣相沉積一層薄鉻層，再在薄鉻層的外圓面上利用物理氣相沉積方式形成的一層硬質(zhì)陶瓷薄膜涂層。解決了現(xiàn)有鑄鐵活塞環(huán)耐磨性能和抗燒結(jié)性能不適應(yīng)現(xiàn)代汽車高輸出、高排放限制要求的問題，特別適合于現(xiàn)行汽車發(fā)展的需要。
【專利說明】一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環(huán)及其制備方法
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種活塞環(huán)，具體涉及一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環(huán)及其制備方法。
二、【背景技術(shù)】
[0002]為了進(jìn)一步降低油耗、減少排放，增壓型、直噴型發(fā)動(dòng)機(jī)被更多的開發(fā)出來，這些發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)相比具有爆壓高、轉(zhuǎn)速高、功率大、扭矩高等特點(diǎn)，所以對活塞環(huán)也同時(shí)提出了更高要求。截止目前鑄鐵活塞環(huán)的表面處理方式可選擇性仍比較小，常見的有鍍鉻、噴鑰等。然而這些涂層都存在一定的局限性。如:鍍鉻涂層摩擦系數(shù)大，磨損功損失大，而且對缸體的攻擊性大，容易出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象；噴鑰涂層硬度低，抗磨粒磨損性能差，耐久性能差。市場普遍反映傳統(tǒng)表面處理的鑄鐵活塞環(huán)經(jīng)常出現(xiàn)磨損大、拉缸等現(xiàn)象，已漸漸不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的要求。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有鑄鐵活塞環(huán)表面處理技術(shù)的不足，提供了一種能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)朝著更高轉(zhuǎn)速、更高扭矩、更高壽命、更低油耗和更低排放的方向發(fā)展需要的高耐磨鑄鐵活塞環(huán)及其制備方法。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是這樣的:包括鑄鐵活塞環(huán)環(huán)體，在所說環(huán)體的外圓面上先電鍍一層薄鉻層，再在薄鉻層的外圓面上使用物理氣相沉積(即PVD)方式形成一層陶瓷薄膜涂層，該陶瓷薄膜層可以是CrN、CrN[O]、TiN等
[0005]本發(fā)明的陶瓷薄膜涂層硬度高，HV1000以上，而鑄鐵材料活塞環(huán)材料的基體硬度低，如果直接在鑄鐵材料的表面進(jìn)行陶瓷薄膜涂層處理，涂層與基體之間硬度差距大，陶瓷薄膜涂層與環(huán)體的結(jié)合力無法做到很好，涂層容易剝離。為了解決這一難點(diǎn)，本發(fā)明高耐鑄鐵活塞環(huán)主要是通過首先在環(huán)的外圓面電鍍一層薄鉻層，再在鉻層的外圓面進(jìn)行陶瓷薄膜涂層處理。通過薄鉻層過渡層，可以很好地解決了陶瓷薄膜涂層與環(huán)體之間的結(jié)合力問題。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本發(fā)明陶瓷薄膜鑄鐵活塞環(huán)可以采用的以下兩種制備方法:
[0007]第一種制備方法，其主要工藝步驟如下:
[0008]I)通過鑄造、割片、仿行、內(nèi)圓車等活塞環(huán)常規(guī)初加工；
[0009]2)通過磨削工藝對活塞環(huán)的外圓面、上下側(cè)面進(jìn)行加工；
[0010]3)利用超聲波對活塞環(huán)表面進(jìn)行清洗脫脂；
[0011]4)利用裝夾筒將活塞環(huán)裝夾起來，對外圓面進(jìn)行拋光處理；
[0012]5)外圓鍍鉻處理，處理時(shí)間0.5小時(shí)，電鍍槽液溫度:60°C ；
[0013]6)內(nèi)外圓面噴砂處理；
[0014]7)活塞環(huán)脫脂清洗；
[0015]8)裝入PVD爐，PVD處理，處理工藝時(shí)間:15?20小時(shí)，處理溫度:400?500°C。工藝原理:以Ti或者Cr金屬為蒸發(fā)源，通過電弧放電，和N2、02反應(yīng)，在活塞環(huán)外圓薄鉻層上凝固生成TiN、CrN、CrN[O]等陶瓷薄膜；[0016]9)外圓面珩磨精加工；
[0017]10)上下側(cè)面磨削精加工。
[0018]第二種制備方法，其主要工藝步驟如下:
[0019]I)通過鑄造、割片、仿行、內(nèi)圓車等活塞環(huán)常規(guī)初加工；
[0020]2)通過磨削工藝對活塞環(huán)的外圓面、上下側(cè)面進(jìn)行加工；
[0021]3)利用超聲波對活塞環(huán)表面進(jìn)行清洗脫脂；
[0022]4)利用裝夾筒將活塞環(huán)裝夾起來，對外圓面進(jìn)行拋光處理；
[0023]5)內(nèi)外圓面噴砂處理；
[0024]6)活塞環(huán)脫脂清洗；
[0025]7)裝入PVD爐，進(jìn)行PVD處理。處理工藝時(shí)間:17?22小時(shí)，處理溫度:400?5000C。如果選擇陶薄膜為CrN或CrN[0]，只需安裝鉻塊靶材，以Cr金屬作為蒸發(fā)源，通過電弧放電，通過設(shè)置PVD爐程序，放電初期2小時(shí)內(nèi)不通入N2、02，僅金屬鉻離子乘積在活塞環(huán)的表面形成薄鉻層，2小時(shí)過后N2、O2泵打開，鉻離子與N2、O2反應(yīng)，在活塞環(huán)外圓薄鉻層上凝固生成CrN或CrN[0]陶瓷薄膜。如果選擇陶瓷薄膜為TiN，需要安裝鈦、鉻混合靶材。反應(yīng)初期2小時(shí)內(nèi)不通入N2，鈦靶材不通電，僅金屬鉻離子乘積在活塞環(huán)的表面形成薄鉻層，2小時(shí)過后N2泵打開，鈦離子與N2反應(yīng)形成TiN陶瓷薄膜。
[0026]8)外圓面珩磨精加工；
[0027]9)上下側(cè)面磨削精加工。
[0028]本發(fā)明陶瓷薄膜鑄鐵活塞環(huán)具有以下相關(guān)特征:
[0029]I)由于上述活塞環(huán)體的外圓面和陶瓷薄膜涂層之間設(shè)有過渡薄鉻層，提升了涂層與基體間的結(jié)合性，適合于普通合金鑄鐵、灰鑄鐵、球墨鑄鐵活塞環(huán)。
[0030]2)中間過渡鉻層厚度:1?3μπι，硬度800HV以上；
[0031]3)最外圓的陶瓷薄膜層，可以根據(jù)需要可以是TiN、CrN或CrN[0]，如選擇CrN或者CrN[0]，其硬度在1000?1800HV，涂層厚度5?20 μ m。如選擇TiN，其硬度在1500?2200HV，涂層厚度I?5μπι。
[0032]由于上述技術(shù)方案鑄鐵活塞環(huán)體的外圓面涂覆一層陶瓷薄膜。因此，本發(fā)明活塞環(huán)具有超高耐磨性能、對缸套磨損小、抗燒結(jié)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。與普通鍍鉻鑄鐵環(huán)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)對比:本發(fā)明活塞環(huán)的磨損量只有普通鍍鉻環(huán)的40%，對缸套的磨損比普通鍍鉻環(huán)減小50 %，抗燒結(jié)性能是普通鍍鉻環(huán)的2.5倍以上，在高溫工況下性能穩(wěn)定，特別適合增壓、直噴型的發(fā)動(dòng)機(jī)。
四、【專利附圖】

【附圖說明】:
[0033]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2是本發(fā)明的局部剖視圖。
五、【具體實(shí)施方式】:
[0035]參見圖1、圖2，本發(fā)明的耐磨鑄鐵活塞環(huán)包括活塞環(huán)環(huán)體1，環(huán)體外圓面上過渡薄鍍鉻層2，和在薄鉻層2的外圓面上涂覆的陶瓷薄膜3。陶瓷薄膜3的形成原理是:以Ti或者Cr金屬為蒸發(fā)源，通過電弧放電，和Ν2、02反應(yīng)，在活塞環(huán)目標(biāo)源氮化層上凝固生成TiN、CrN, CrN[O]陶瓷薄膜。金屬汽化離子率高，沉積效果好。本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】如下:
[0036]實(shí)施方式一、
[0037]步驟一、通過鑄造、割片、仿行、內(nèi)圓車等活塞環(huán)常規(guī)初加工；
[0038]步驟二、通過磨削工藝對活塞環(huán)的外圓面、上下側(cè)面進(jìn)行加工；
[0039]步驟三、利用超聲波對活塞環(huán)表面進(jìn)行清洗脫脂；
[0040]步驟四、利用裝夾筒將活塞環(huán)裝夾起來，對外圓面進(jìn)行拋光處理；
[0041]步驟五、外圓鍍鉻處理，處理時(shí)間0.5小時(shí)，電鍍槽液溫度:60°C ；
[0042]步驟六、內(nèi)外圓面噴砂處理；
[0043]步驟七、活塞環(huán)脫脂清洗；
[0044]步驟八、裝入PVD爐，PVD處理，處理工藝時(shí)間:15~20小時(shí)，處理溫度:400~500。。。
[0045]步驟九、外圓面?行磨精加工；
[0046]步驟十、上下 側(cè)面磨削精加工。
[0047]實(shí)施方式二、
[0048]步驟一、通過鑄造、割片、仿行、內(nèi)圓車等活塞環(huán)常規(guī)初加工；
[0049]步驟二、通過磨削工藝對活塞環(huán)的外圓面、上下側(cè)面進(jìn)行加工；
[0050]步驟三、利用超聲波對活塞環(huán)表面進(jìn)行清洗脫脂；
[0051]步驟四、利用裝夾筒將活塞環(huán)裝夾起來，對外圓面進(jìn)行拋光處理:
[0052]步驟五、內(nèi)外圓面噴砂處理；
[0053]步驟六、活塞環(huán)脫脂清洗；
[0054]步驟七、裝入PVD爐，進(jìn)行PVD處理。處理工藝時(shí)間:17~22小時(shí)，處理溫度:400~500°C。如果選擇陶薄膜為CrN或CrN[0]，只需安裝鉻塊靶材，以Cr金屬作為蒸發(fā)源，通過電弧放電，通過設(shè)置PVD爐程序，放電初期2小時(shí)內(nèi)不通入N2、O2，僅金屬鉻離子沉積在活塞環(huán)的表面形成薄鉻層，2小時(shí)過后N2、O2泵打開，鉻離子與N2、O2反應(yīng)，在活塞環(huán)外圓薄鉻層上凝固生成CrN或CrN[0]陶瓷薄膜。如果選擇陶瓷薄膜為TiN，需要安裝鈦、鉻混合靶材。反應(yīng)初期2小時(shí)內(nèi)不通入氮?dú)?，鈦靶材不通電，僅金屬鉻離子沉寂在活塞環(huán)的表面形成薄鉻層，2小時(shí)后關(guān)閉鉻靶材電源，N2泵打開，鈦靶材通電。鈦離子與N2反應(yīng)形成TiN陶瓷薄膜。
[0055]步驟八、外圓面?行磨精加工；
[0056]步驟九、上下側(cè)面磨削精加工。
【權(quán)利要求】
1.一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環(huán)，包括環(huán)體，其特征是:在所說環(huán)體(I)的外圓面上電鍍或物理氣相沉積一層薄鉻層(2)，再在薄鉻層(2)的上涂覆一層陶瓷薄膜(3)。
2.在權(quán)利要求1中所述的薄鉻層厚度I?3μ m，陶瓷薄膜層厚度I?20 μ m。
3.在權(quán)利要求1中所述的陶瓷薄膜可以是CrN、CrN[O]、TiN中一種。
4.一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環(huán)的制備方法，其步驟包括: 1)通過鑄造、割片、仿行、內(nèi)圓車等活塞環(huán)常規(guī)初加工； 2)通過磨削工藝對活塞環(huán)的外圓面、上下側(cè)面進(jìn)行加工； 3)利用超聲波對活塞環(huán)表面進(jìn)行清洗脫脂； 4)利用裝夾筒將活塞環(huán)裝夾起來，對外圓面進(jìn)行拋光處理； 5)外圓鍍鉻處理，處理時(shí)間0.5小時(shí)，電鍍槽液溫度:60°C ； 6)內(nèi)外圓面噴砂處理； 7)活塞環(huán)脫脂清洗； 8)裝入PVD爐，PVD處理，處理工藝時(shí)間:15?20小時(shí)，處理溫度:400?500°C； 9)外圓面珩磨精加工； 10)上下側(cè)面磨削精加工。
5.一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環(huán)的制備方法，其步驟包括: 1)通過鑄造、割片、仿行、內(nèi)圓車等活塞環(huán)常規(guī)初加工； 2)通過磨削工藝對活塞環(huán)的外圓面、上下側(cè)面進(jìn)行加工； 3)利用超聲波對活塞環(huán)表面進(jìn)行清洗脫脂； 4)利用裝夾筒將活塞環(huán)裝夾起來，對外圓面進(jìn)行拋光處理； 5)內(nèi)外圓面噴砂處理； 6)活塞環(huán)脫脂清洗； 7)裝入PVD爐，進(jìn)行PVD處理。處理工藝時(shí)間:17?22小時(shí)，處理溫度:400?500°C。如果選擇陶薄膜為CrN或CrN[0]，只需安裝鉻塊靶材，以Cr金屬作為蒸發(fā)源，通過電弧放電，通過設(shè)置PVD爐程序，放電初期2小時(shí)內(nèi)不通入N2、02，僅金屬鉻離子沉積在活塞環(huán)的表面形成薄鉻層，2小時(shí)過后N2、O2泵打開，鉻離子與N2、O2反應(yīng)，在活塞環(huán)外圓薄鉻層上凝固生成CrN或CrN[O]陶瓷薄膜。如果選擇陶瓷薄膜為TiN，需要安裝鈦、鉻混合靶材。反應(yīng)初期2小時(shí)內(nèi)不通入氮?dú)?，鈦靶材不通電，僅金屬鉻離子沉積在活塞環(huán)的表面形成薄鉻層，2小時(shí)后關(guān)閉鉻靶材電源，N2泵打開，鈦靶材通電，。鈦離子與N2反應(yīng)形成TiN陶瓷薄膜。 8)外圓面珩磨精加工； 9)上下側(cè)面磨削精加工。
【文檔編號(hào)】F16J9/26GK103836186SQ201310577313
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】王星, 王東升, 汪謙瑾 申請人:安慶帝伯格茨活塞環(huán)有限公司