CN103836186A - 一种陶瓷薄膜铸铁活塞环及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷薄膜铸铁活塞环，它先在环体的外圆面电镀或物理气相沉积一层薄铬层，再在薄铬层的外圆面上利用物理气相沉积方式形成的一层硬质陶瓷薄膜涂层。解决了现有铸铁活塞环耐磨性能和抗烧结性能不适应现代汽车高输出、高排放限制要求的问题，特别适合于现行汽车发展的需要。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种活塞环，具体涉及一种陶瓷薄膜铸铁活塞环及其制备方法。
二、背景技术
为了进一步降低油耗、减少排放，增压型、直喷型发动机被更多的开发出来，这些发动机与传统的发动机相比具有爆压高、转速高、功率大、扭矩高等特点，所以对活塞环也同时提出了更高要求。截止目前铸铁活塞环的表面处理方式可选择性仍比较小，常见的有镀铬、喷钼等。然而这些涂层都存在一定的局限性。如：镀铬涂层摩擦系数大，磨损功损失大，而且对缸体的攻击性大，容易出现拉缸现象；喷钼涂层硬度低，抗磨粒磨损性能差，耐久性能差。市场普遍反映传统表面处理的铸铁活塞环经常出现磨损大、拉缸等现象，已渐渐不能满足发动机发展的要求。
三、发明内容
本发明的目的在于解决现有铸铁活塞环表面处理技术的不足，提供了一种能够满足发动机朝着更高转速、更高扭矩、更高寿命、更低油耗和更低排放的方向发展需要的高耐磨铸铁活塞环及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是这样的：包括铸铁活塞环环体，在所说环体的外圆面上先电镀一层薄铬层，再在薄铬层的外圆面上使用物理气相沉积(即PVD)方式形成一层陶瓷薄膜涂层，该陶瓷薄膜层可以是CrN、CrN[O]、TiN等
本发明的陶瓷薄膜涂层硬度高，HV1000以上，而铸铁材料活塞环材料的基体硬度低，如果直接在铸铁材料的表面进行陶瓷薄膜涂层处理，涂层与基体之间硬度差距大，陶瓷薄膜涂层与环体的结合力无法做到很好，涂层容易剥离。为了解决这一难点，本发明高耐铸铁活塞环主要是通过首先在环的外圆面电镀一层薄铬层，再在铬层的外圆面进行陶瓷薄膜涂层处理。通过薄铬层过渡层，可以很好地解决了陶瓷薄膜涂层与环体之间的结合力问题。
为了实现上述功能，本发明陶瓷薄膜铸铁活塞环可以采用的以下两种制备方法：
第一种制备方法，其主要工艺步骤如下：
1)通过铸造、割片、仿行、内圆车等活塞环常规初加工；
2)通过磨削工艺对活塞环的外圆面、上下侧面进行加工；
3)利用超声波对活塞环表面进行清洗脱脂；
4)利用装夹筒将活塞环装夹起来，对外圆面进行抛光处理；
5)外圆镀铬处理，处理时间0.5小时，电镀槽液温度：60℃；
6)内外圆面喷砂处理；
7)活塞环脱脂清洗；
8)装入PVD炉，PVD处理，处理工艺时间：15～20小时，处理温度：400～500℃。工艺原理：以Ti或者Cr金属为蒸发源，通过电弧放电，和N2、O2反应，在活塞环外圆薄铬层上凝固生成TiN、CrN、CrN[O]等陶瓷薄膜；
9)外圆面珩磨精加工；
10)上下侧面磨削精加工。
第二种制备方法，其主要工艺步骤如下：
1)通过铸造、割片、仿行、内圆车等活塞环常规初加工；
2)通过磨削工艺对活塞环的外圆面、上下侧面进行加工；
3)利用超声波对活塞环表面进行清洗脱脂；
4)利用装夹筒将活塞环装夹起来，对外圆面进行抛光处理；
5)内外圆面喷砂处理；
6)活塞环脱脂清洗；
7)装入PVD炉，进行PVD处理。处理工艺时间：17～22小时，处理温度：400～500℃。如果选择陶薄膜为CrN或CrN[O]，只需安装铬块靶材，以Cr金属作为蒸发源，通过电弧放电，通过设置PVD炉程序，放电初期2小时内不通入N2、O2，仅金属铬离子乘积在活塞环的表面形成薄铬层，2小时过后N2、O2泵打开，铬离子与N2、O2反应，在活塞环外圆薄铬层上凝固生成CrN或CrN[O]陶瓷薄膜。如果选择陶瓷薄膜为TiN，需要安装钛、铬混合靶材。反应初期2小时内不通入N2，钛靶材不通电，仅金属铬离子乘积在活塞环的表面形成薄铬层，2小时过后N2泵打开，钛离子与N2反应形成TiN陶瓷薄膜。
8)外圆面珩磨精加工；
9)上下侧面磨削精加工。
本发明陶瓷薄膜铸铁活塞环具有以下相关特征：
1)由于上述活塞环体的外圆面和陶瓷薄膜涂层之间设有过渡薄铬层，提升了涂层与基体间的结合性，适合于普通合金铸铁、灰铸铁、球墨铸铁活塞环。
2)中间过渡铬层厚度：1～3μm，硬度800HV以上；
3)最外圆的陶瓷薄膜层，可以根据需要可以是TiN、CrN或CrN[O]，如选择CrN或者CrN[O]，其硬度在1000～1800HV，涂层厚度5～20μm。如选择TiN，其硬度在1500～2200HV，涂层厚度1～5μm。
由于上述技术方案铸铁活塞环体的外圆面涂覆一层陶瓷薄膜。因此，本发明活塞环具有超高耐磨性能、对缸套磨损小、抗烧结能力强的特点。与普通镀铬铸铁环进行台架试验对比：本发明活塞环的磨损量只有普通镀铬环的40％，对缸套的磨损比普通镀铬环减小50％，抗烧结性能是普通镀铬环的2.5倍以上，在高温工况下性能稳定，特别适合增压、直喷型的发动机。
四、附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的局部剖视图。
五、具体实施方式：
参见图1、图2，本发明的耐磨铸铁活塞环包括活塞环环体1，环体外圆面上过渡薄镀铬层2，和在薄铬层2的外圆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金属为蒸发源，通过电弧放电，和N2、O2反应，在活塞环目标源氮化层上凝固生成TiN、CrN、CrN[O]陶瓷薄膜。金属汽化离子率高，沉积效果好。本发明的具体实施方式如下：
实施方式一、
步骤一、通过铸造、割片、仿行、内圆车等活塞环常规初加工；
步骤二、通过磨削工艺对活塞环的外圆面、上下侧面进行加工；
步骤三、利用超声波对活塞环表面进行清洗脱脂；
步骤四、利用装夹筒将活塞环装夹起来，对外圆面进行抛光处理；
步骤五、外圆镀铬处理，处理时间0.5小时，电镀槽液温度：60℃；
步骤六、内外圆面喷砂处理；
步骤七、活塞环脱脂清洗；
步骤八、装入PVD炉，PVD处理，处理工艺时间：15～20小时，处理温度：400～500℃。
步骤九、外圆面珩磨精加工；
步骤十、上下侧面磨削精加工。
实施方式二、
步骤一、通过铸造、割片、仿行、内圆车等活塞环常规初加工；
步骤二、通过磨削工艺对活塞环的外圆面、上下侧面进行加工；
步骤三、利用超声波对活塞环表面进行清洗脱脂；
步骤四、利用装夹筒将活塞环装夹起来，对外圆面进行抛光处理：
步骤五、内外圆面喷砂处理；
步骤六、活塞环脱脂清洗；
步骤七、装入PVD炉，进行PVD处理。处理工艺时间：17～22小时，处理温度：400～500℃。如果选择陶薄膜为CrN或CrN[O]，只需安装铬块靶材，以Cr金属作为蒸发源，通过电弧放电，通过设置PVD炉程序，放电初期2小时内不通入N2、O2，仅金属铬离子沉积在活塞环的表面形成薄铬层，2小时过后N2、O2泵打开，铬离子与N2、O2反应，在活塞环外圆薄铬层上凝固生成CrN或CrN[O]陶瓷薄膜。如果选择陶瓷薄膜为TiN，需要安装钛、铬混合靶材。反应初期2小时内不通入氮气，钛靶材不通电，仅金属铬离子沉寂在活塞环的表面形成薄铬层，2小时后关闭铬靶材电源，N2泵打开，钛靶材通电。钛离子与N2反应形成TiN陶瓷薄膜。
步骤八、外圆面珩磨精加工；
步骤九、上下侧面磨削精加工。
Claims (5)
1.一种陶瓷薄膜铸铁活塞环，包括环体，其特征是：在所说环体(1)的外圆面上电镀或物理气相沉积一层薄铬层(2)，再在薄铬层(2)的上涂覆一层陶瓷薄膜(3)。
2.在权利要求1中所述的薄铬层厚度1～3μm，陶瓷薄膜层厚度1～20μm。
3.在权利要求1中所述的陶瓷薄膜可以是CrN、CrN[O]、TiN中一种。
4.一种陶瓷薄膜铸铁活塞环的制备方法，其步骤包括：
1)通过铸造、割片、仿行、内圆车等活塞环常规初加工；
2)通过磨削工艺对活塞环的外圆面、上下侧面进行加工；
3)利用超声波对活塞环表面进行清洗脱脂；
4)利用装夹筒将活塞环装夹起来，对外圆面进行抛光处理；
5)外圆镀铬处理，处理时间0.5小时，电镀槽液温度：60℃；
6)内外圆面喷砂处理；
7)活塞环脱脂清洗；
8)装入PVD炉，PVD处理，处理工艺时间：15～20小时，处理温度：400～500℃；
9)外圆面珩磨精加工；
10)上下侧面磨削精加工。
5.一种陶瓷薄膜铸铁活塞环的制备方法，其步骤包括：
1)通过铸造、割片、仿行、内圆车等活塞环常规初加工；
2)通过磨削工艺对活塞环的外圆面、上下侧面进行加工；
3)利用超声波对活塞环表面进行清洗脱脂；
4)利用装夹筒将活塞环装夹起来，对外圆面进行抛光处理；
5)内外圆面喷砂处理；
6)活塞环脱脂清洗；
7)装入PVD炉，进行PVD处理。处理工艺时间：17～22小时，处理温度：400～500℃。如果选择陶薄膜为CrN或CrN[O]，只需安装铬块靶材，以Cr金属作为蒸发源，通过电弧放电，通过设置PVD炉程序，放电初期2小时内不通入N2、O2，仅金属铬离子沉积在活塞环的表面形成薄铬层，2小时过后N2、O2泵打开，铬离子与N2、O2反应，在活塞环外圆薄铬层上凝固生成CrN或CrN[O]陶瓷薄膜。如果选择陶瓷薄膜为TiN，需要安装钛、铬混合靶材。反应初期2小时内不通入氮气，钛靶材不通电，仅金属铬离子沉积在活塞环的表面形成薄铬层，2小时后关闭铬靶材电源，N2泵打开，钛靶材通电，。钛离子与N2反应形成TiN陶瓷薄膜。
8)外圆面珩磨精加工；
9)上下侧面磨削精加工。
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| CN (1) | CN103836186A (zh) |
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