CN102808703A

CN102808703A - 具有陶瓷两相结构涂层的活塞环

Info

Publication number: CN102808703A
Application number: CN2012103119282A
Authority: CN
Inventors: 薛卫昌
Original assignee: ANHUI YUHENG MATERIAL TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: ANHUI YUHENG MATERIAL TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2012-12-05

Abstract

本发明涉及发动机用活塞环的制备。陶瓷两相结构涂层的活塞环包括有活塞环金属基体，在该基体的表面上设有陶瓷两相结构涂层，涂层的厚度为100-500微米，所述陶瓷两相结构是陶瓷相和合金相，陶瓷相埋入在合金相基体中。陶瓷相是碳化钨、碳化铬中的一种或两种的混合物；合金相为镍、铬、钼、铁、铝、钛中的一种或几种的混合物。该陶瓷两相结构的涂层不仅能改善抗粘连烧损性能，具有高结合强度，不易碎裂脱落，还具有高耐磨性，其磨损程度要比当前的等离子技术降低30%-40%，同时还具有较高耐烧蚀能力。具有陶瓷两相结构涂层的活塞环能进一步满足未来发动机不断提高的要求，能在不改变长期密封性、且保证较低的排放和油耗的同时，提高运行功效。

Description

具有陶瓷两相结构涂层的活塞环

技术领域：

本发明涉及发动机用活塞环的制备技术，具体涉及活塞环表面的涂层制备。

背景技术：

未来发动机将向高效率、高载荷、高速度及高寿命的方向发展, 这就对其耐久性及可靠性提出了更高的要求。伴随着石油资源的紧缺, 对发动机的燃油经济性的关注程度也在不断提高，同时世界各国对环境的保护意识在逐渐增强, 相继出台了一系列更为严格的尾气排放法规。活塞环作为直接影响发动机使用可靠性和经济环保性的关键部件,其性能的优劣直接影响到发动机的整体性能, 对活塞环表面处理技术提出了越来越高的要求。

现有技术中，活塞环表面的处理技术主要有：电镀铬、氮化以及等离子喷钼。镀铬层结构致密, 耐腐蚀性能良好,显微硬度可达700-1 000HV，能明显改善活塞环的耐磨性, 提高其使用寿命。但是, 镀铬层脆性极大, 容易碎裂脱落,加剧气缸的磨损，镀铬层抗拉缸性能也较差。此外, 电镀铬工艺耗能极大, 毒性大,很容易对人体产生毒害和对环境造成污染。活塞环氮化处理技术, 以其工艺经济可靠、对环境友好等特点受到广泛关注,是目前活塞环表面处理的主要方法。氮化工艺虽然操作简单, 但是处理后的活塞环表面硬度不高, 并且渗层厚度有限, 往往不能满足大功率发动机的使用要求。等离子喷涂钼涂层活塞环, 具有较低的摩擦因数和较高的液力润滑倾向，当温度升高时,这一倾向变得更为明显。等离子喷钼活塞环还能较好地适应发动机的废气再循环(EGR) 和降低机油耗的要求。它最大的缺点就是钼涂层的硬度较低，应承其耐磨性较差。高温时易氧化剥落, 且在缺少润滑油或油变质的条件下, 摩擦系数和磨损率均较大。

发明内容：

本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提供一种利用热喷涂技术得到的表面具有陶瓷涂层的汽车发动机活塞环，以其高耐磨、高抗拉缸性能和低摩擦系数性能，来满足发动机高扭矩、高输出和低排放的要求。

本发明的技术方案如下：

本发明的具有陶瓷两相结构涂层的活塞环，包括有活塞环金属基体，其特征在于，在该基体的表面上设有陶瓷两相结构涂层，涂层的厚度为100-500微米，所述陶瓷两相结构是陶瓷相和合金相，陶瓷相嵌入在合金相基体中；其中，陶瓷相与合金相的质量比为 1：（0.25-4），所述陶瓷相是由碳化钨（WC）、碳化铬（Cr₃C₂）中的一种或两种的混合物组成；合金相是由金属镍（Ni）、铬（Cr）、钼（Mo）、铁（Fe）、铝（ Al）、钛（Ti）中的一种或几种的混合物组成。

本发明的陶瓷两相结构涂层是使用超音速喷涂(HVOF)技术制备，喷涂用原料碳化钨（WC）、碳化铬（Cr₃C₂）以及金属原料镍（Ni）、铬（Cr）、钼（Mo）、铁（Fe）、铝（ Al）、钛（Ti）均为微米级的粉料。

本发明的陶瓷两相结构涂层是使用超音速喷涂技术，将超音速火焰中的碳化铬，碳化钨陶瓷粉末和金属镍-铬-钼粉末植入并烧结在活塞环工作表面，在涂层中的内部压应力下，形成嵌入镍-铬-钼基体中的碳化物涂层。镍-铬-钼使得涂层与活塞环本体形成牢固的结合，陶瓷相碳化铬和碳化钨能提供极高的表面硬度，这种涂层具有多孔性、最高的附着强度和800-1200 HV硬度。该两相结构的陶瓷涂层组织不仅能改善抗粘连烧损性能，不易碎裂脱落，还具有高耐磨性。实测表明，其磨损程度要比当前的等离子技术降低30%-40%，同时还具有较高耐烧蚀能力和较低自身磨损的涂层系统。因此，本发明的具有陶瓷两相结构涂层的活塞环能进一步满足未来发动机不断提高的要求，即在不改变长期密封性、且保证较低的排放和油耗的同时，提高运行功效。本发明的陶瓷两相结构涂层的制备方法简单方便，无污染，不会对人员和环境产生不利影响。

以下通过实施例和附图做进一步说明。

附图说明：

图1是本发明的具有陶瓷两相结构涂层的活塞环的局部结构示意图。

具体实施方式：

实施例1 陶瓷相和合金相的质量比为1：1

参见图1，在活塞环1的金属基体外表面上有陶瓷两相结构涂层2，涂层的厚度为300微米。该涂层是使用超音速喷涂技术、再经机械加工制备得到。喷涂用原料是微米级的碳化钨（WC）和金属镍、铬、钼（Ni-Cr-Mo）粉料的混合物，该混合物中，碳化钨和镍、铬、钼合金粉料的用量各为1/2，在镍铬钼合金粉料中，镍、铬、钼三者用量各为1/3。

经测试，本实施例的陶瓷两相结构涂层的性能参数为：表面硬度高于800HV；结合强度：高于60MPa，孔隙率：低于7%；耐磨性能：在同样摩擦磨损条件下，比利用等离子喷涂钼的涂层提高30-40%。

实施例2 陶瓷相和合金相的比例为1：3

陶瓷相与合金相的比例调整为1：3，即碳化钨粉料的用量为1/4，镍、铬、钼合金粉料用量为3/4，其中镍铬钼合金粉料中，镍、铬、钼三者用量不变，即各为1/3。

经测试，本实施例的陶瓷两相结构涂层的性能参数为：表面硬度约为800HV；结合强度：高于90MPa，孔隙率：低于7%；耐磨性能：同样摩擦磨损条件下，比利用等离子喷涂钼的涂层提高30-40%。

本实施例表明，增加合金相的质量，有利于提高陶瓷复合涂层的结合强度。

实施例3 陶瓷相和合金相的比例为3：1

陶瓷相与合金相的比例调整为3：1，即碳化钨粉料的用量为3/4，镍铬钼合金粉料用量为1/4，其中镍铬钼合金中，各成分用量不变。

经测试，本实施例的陶瓷两相结构涂层的性能参数为：表面硬度高于1200 HV；结合强度：高于50MPa，孔隙率：低于7%；耐磨性能：同样摩擦磨损条件下，比利用等离子喷涂钼的涂层提高30-40%。

本实施例表明，增加陶瓷相的质量，有利于提高陶瓷复合涂层的表面硬度。

以上实施例中，所用的碳化钨粉料、镍、铬、钼金属粉料均为市售的粒径为微米级的粉料。

Claims

1.一种具有陶瓷两相结构涂层的活塞环，包括有活塞环金属基体，其特征在于，在该基体的表面上设有陶瓷两相结构涂层，涂层的厚度为100-500微米，所述陶瓷两相结构是陶瓷相和合金相，陶瓷相嵌入在合金相基体中；其中，陶瓷相和合金相的质量比为 1：（0.25-4），所述陶瓷相是由碳化钨、碳化铬中的一种或两种的混合物组成；合金相是由金属镍、铬、钼、铁、铝、钛中的一种或几种的混合物组成。

2.如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述陶瓷两相结构涂层是使用超音速喷涂技术制备，喷涂用原料碳化钨、碳化铬以及金属原料镍、铬、钼、铁、铝、钛均为微米级的粉料。