CN103857823A

CN103857823A - 活塞环

Info

Publication number: CN103857823A
Application number: CN201280051055.4A
Authority: CN
Inventors: 斋藤吉之; 山田刚; 梅本义幸; 加藤伸映; 水野宏昭
Original assignee: IHI Corp; Diesel United Ltd
Current assignee: Mitsui Yi Ai Si Di You Co ltd; IHI Corp
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-10-25
Also published as: EP2772562A4; EP2772562B1; DK2772562T3; US20140225330A1; US10689743B2; JP5948216B2; EP2772562A1; JP2013108174A; KR20140083020A; CN103857823B; WO2013062045A1; US20160281202A1

Abstract

本发明提供活塞环(1)，其特征在于，具备作为硬质相含有碳化钨和碳化铬、作为金属粘合相含有镍的喷涂膜(3)，喷涂膜(3)通过喷涂由造粒烧结法制备的喷涂粉末而形成，所述喷涂粉末含有通过BET法在0.15μm以上且0.45μm以下的范围内调整碳化钨的平均粒径而得的硬质粒子。

Description

活塞环

技术领域

本发明涉及活塞环，特别是涉及具备喷涂膜的活塞环。

本申请以2011年10月25日在日本申请的日本特愿2011-233998号为基础主张优先权，将其内容引用在本申请中。

背景技术

通常，设置于柴油发动机等内燃机中的活塞环具备在与汽缸套滑动的滑动面具有抗咬合性的保护膜。目前，作为这样的保护膜，多使用多层镀铬，但近年来由于内燃机活塞环的滑动环境的变化，多层镀铬即使作为保护膜保留，在实际装置中仍可见发生咬合的事例。认为其原因在于，虽然多层镀铬可形成均匀的膜，但另一方面膜的微小的咬合部难以发生脱离，咬合容易一下子大面积扩大。

在下述专利文献1中，作为替代多层镀铬的保护膜，公开了具备喷涂膜(金属陶瓷喷涂膜)的活塞环。此喷涂膜为硬质相由碳化钨(WC)、碳化铬(Cr₃C₂)等硬质粒子构成，金属粘合相由钼(Mo)、钴(Co)、镍(Ni)、铬(Cr)等构成的膜，与多层镀铬相比，易发生微小的膜的脱离，具备优异的抗咬合性。

先前技术文献

专利文献

专利文献1：日本国特开2005-155711号公报。

发明内容

发明所要解决的课题

可是，此喷涂膜虽然具备优异的抗咬合性，但由于其硬度和脆性，易产生裂纹(龟裂)，与多层镀铬相比加工性差，所以难以实际应用，实际上有在实际装置水平下基本未得到实际应用的问题。

本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于，提供具备与多层镀铬相比具有优异的抗咬合性，同时具有与多层镀铬同等以上的加工性的喷涂膜的活塞环。

解决课题的手段

本申请发明人为解决上述问题而反复深入实验，结果发现，通过在规定的范围内调整喷涂粉末中含有的规定的硬质粒子的平均粒径，可形成抗咬合性和加工性并存的喷涂膜，从而想到本发明。

即，为解决上述课题，根据本发明的第1实施方案，采用如下活塞环，所述活塞环具备作为硬质相含有碳化钨和碳化铬、作为金属粘合相含有镍的喷涂膜，上述喷涂膜通过喷涂由造粒烧结法制备的喷涂粉末而形成，所述喷涂粉末含有通过BET法在0.15μm以上且0.45μm以下的范围内调整碳化钨的平均粒径而得的硬质粒子。

另外，根据本发明的第2实施方案，采用如下结构：在上述第1实施方案中，上述喷涂膜在7.0wt%以上且18.5wt%以下的范围内含有作为上述金属粘合相的镍。

另外，根据本发明的第3实施方案，采用如下结构：在上述第1或第2实施方案中，上述喷涂膜具有下述组成：含有7wt%的作为上述金属粘合相的镍、20wt%的作为上述硬质相的碳化铬，余量由作为上述硬质相的碳化钨和不可避免的杂质构成。

另外，根据本发明的第4实施方案，采用如下结构：在上述第1或第2实施方案中，上述喷涂膜具有下述组成：含有12.5wt%的作为上述金属粘合相的镍、37.5wt%的作为上述硬质相的碳化铬，余量由作为上述硬质相的碳化钨和不可避免的杂质构成。

另外，根据本发明的第5实施方案，采用如下结构：在上述第1实施方案中，上述喷涂膜的孔隙率为3%以下。

另外，根据本发明的第6实施方案，采用如下结构：在上述第1实施方案中，上述喷涂膜通过利用高速火焰喷涂法的喷涂形成。

发明的效果

根据本发明，可得到具备与多层镀铬相比具有优异的抗咬合性，同时具有与多层镀铬同等以上的加工性的喷涂膜的活塞环。

附图说明

[图1] 示出本发明实施方案的活塞环结构的示意图。

[图2] 用以说明本发明实施方案的抗咬合性评价试验的图。

[图3A] 示出本发明实施方案的加工性评价试验后试验片的加工面状态的图。

[图3B] 示出本发明实施方案的加工性评价试验后试验片的加工面状态的图。

[图3C] 示出本发明实施方案的加工性评价试验后试验片的加工面状态的图。

[图4A] 示出本发明实施方案的加工性评价试验后试验片的加工面状态的图。

[图4B] 示出本发明实施方案的加工性评价试验后试验片的加工面状态的图。

[图5] 示出本发明实施方案的碳化钨平均粒径与裂纹长度和咬合时间的关系的曲线图。

[图6] 示出本发明实施方案的碳化钨平均粒径与裂纹长度和维氏硬度的关系的曲线图。

[图7] 示出本发明实施方案的镍粘合剂的量与咬合时间和维氏硬度的关系的曲线图。

[图8] 示出本发明实施方案的镍粘合剂的量与裂纹长度的关系的曲线图。

[图9] 示出本发明实施方案的镍粘合剂的量与裂纹长度和咬合时间的关系的曲线图。

[图10] 示出本发明实施方案的镍粘合剂的量与裂纹长度和维氏硬度的关系的曲线图。

实施发明的最佳方式

以下参照附图对本发明的实施方案进行说明。

图1为示出本发明实施方案的活塞环1的结构的示意图。

本实施方案的活塞环1设置于柴油发动机等内燃机所具有的活塞100上。活塞100形成沿汽缸套101滑动的结构，活塞环1在其滑动面具有喷涂膜3作为基材2的保护膜。

喷涂膜3含有碳化钨(WC：碳化钨)和碳化铬(Cr₃C₂：碳化铬)作为硬质相，含有镍(Ni)作为金属粘合相(粘合剂)。此喷涂膜3通过喷涂由造粒烧结法制备的喷涂粉末而形成，该喷涂粉末含有在0.15μm以上且0.45μm以下的范围内调整碳化钨的平均粒径而得的硬质粒子。

利用造粒烧结法的喷涂粉末的制备如下所述。首先，将在上述规定范围内调整的碳化钨粉末添加于分散介质中，制成浆状。此时，可向浆料中添加适当的有机粘合剂或无机粘合剂。接着，使用喷雾型造粒机由浆状制成颗粒状，将其烧结，进而粉碎、分级。由此可制备由造粒烧结法制备的喷涂粉末，该喷涂粉末含有在上述规定的范围内调整碳化钨的平均粒径而得的硬质粒子。

在原料碳化钨(一次粒子)的平均粒径的测定中，使用通过下式从比表面积求得的换算值，该比表面积是使用Quantachrome Corporation (カンタクローム公司)制全自动比表面积测定装置Monosorb (モノソーブ)，通过BET (Brunauer, Emmet and Teller's equation (BET方程))式求得。

D＝6/(ρS)

在这里，D表示平均粒径(μm)，ρ表示WC的理论密度(15.7(g/cm³))，S表示通过BET法测定的比表面积(m²/g)。即，D为通过由BET法求得的粉末比表面积，假设粒子为球体，计算其直径而得的平均粒径。需说明的是，该BET法中使用的气体为N₂-70体积%He。

因此，在0.15μm以上且0.45μm以下的范围内调整上述碳化钨的平均粒径，严格而言指以通过BET法得到的平均粒径计在0.15μm以上且0.45μm以下的范围内进行调整。以下说明的平均粒径也同样指通过BET法得到的平均粒径。

本实施方案的喷涂膜3例如可通过喷涂含有将碳化钨的平均粒径调整为0.15μm而得的硬质粒子的喷涂粉末而形成。

碳化钨(WC)具有不输于柴油发动机的燃料油中含有的硬质粒子的硬度，可在抑制由该燃料油中硬质粒子导致的磨料磨损(刮擦磨损)的同时，提高抗咬合性。但是，若碳化钨的平均粒径超过0.45μm，则因其硬度和脆性而易在喷涂膜3上产生裂纹(龟裂)，与多层镀铬相比加工性变差。另一方面，从加工性的观点出发，碳化钨的平均粒径越小越优选，但若不足0.15μm，则有耐磨损性降低之虞。因此，优选在0.15μm以上且0.45μm以下的范围内调整碳化钨的平均粒径。

喷涂膜3优选在7.0wt%以上且18.5wt%以下的范围内含有作为金属粘合相的镍(Ni)。镍由于金属强度不过高，易发生微小的膜的脱离，所以可提高抗咬合性。但是，若镍超过18.5wt%，则反之膜难以适当脱落，与多层镀铬相比抗咬合性变差。另一方面，若镍不足7.0wt%，则不足以作为粘合剂。

喷涂膜3特别优选具有下述组成：含有7.0wt%的作为金属粘合相的镍、20wt%的作为硬质相的碳化铬，余量由作为硬质相的碳化钨和不可避免的杂质构成。

另外，喷涂膜3特别优选具有下述组成：含有12.5wt%的作为金属粘合相的镍、37.5wt%的作为硬质相的碳化铬，余量由作为硬质相的碳化钨和不可避免的杂质构成。

另外，喷涂膜3特别优选具有下述组成：含有18.5wt%的作为金属粘合相的镍、17.5wt%的作为硬质相的碳化铬，余量由作为硬质相的碳化钨和不可避免的杂质构成。

这样，通过提高由平均粒径小的碳化钨(WC)构成的硬质相的比例，可形成孔隙率小、致密且平滑的喷涂膜3。

喷涂膜3的孔隙率优选为3%以下。其原因在于，若孔隙率超过3%，则具有大量大的气孔，油膜形成能力差，膜寿命缩短。需说明的是，这里所谓的孔隙率为通过图像分析法测定镜面抛光后的喷涂膜3的膜截面或烧结体的截面后求得。具体而言，在本实施方案中，作为图像分析软件，使用Image-Pro (Media Cybernetics公司制)。

喷涂法亦与喷涂膜3的孔隙率有关。因此，在喷涂膜3的形成中，为形成孔隙率小、致密且平滑的膜，优选采用高速火焰喷涂法。作为高速火焰喷涂法，有HVOF (High Velocity Oxy Fuel(高速氧燃料))喷涂法、HVAF (High Velocity Air Fuel(高速空气燃料))法等。在本实施方案中，使用HVOF喷涂法。

上述本实施方案的活塞环1具备油膜形成能力优异且具有不输于燃料油中硬质粒子的硬度、易发生微小的膜的脱离的膜作为喷涂膜3。具体而言，由于喷涂膜3为孔隙率小、致密且平滑的膜，同时硬质粒子(WC、Cr₃C₂)的比例高，粘合剂金属(Ni)的强度不过高而适当脱离，所以通过减小硬质粒子(WC)的平均粒径，与多层镀铬相比具有优异的抗咬合性，同时可实现与多层镀铬同等以上的加工性。

[实施例]

以下通过实施例进一步明确本发明的效果。需说明的是，本发明并不限定于以下实施例，在不变更其要点的范围内可适宜变更后实施。

首先，通过高速火焰喷涂制备多个试验片。制备此试验片时的喷涂条件如下所示。

喷涂机　　　：高速火焰喷涂机JP-5000 (Praxair/TAFA公司制)

氧流量　　　：1900scfh (893l/分钟)

煤油流量　　：5.1gph (0.32l/分钟)

喷涂距离　　：380mm

枪管长度　　：4英寸 (约100mm)

粉末供给量　：约80g/分钟

接着，对制备的试验片进行抗咬合性评价试验和加工性评价试验。

如图2所示进行抗咬合性评价试验，测定咬合时间的长度，评价其抗咬合性。

抗咬合性评价试验如下所述。如图2所示，相对于套材料10以规定的负荷按压作为试验片的环材料11的喷涂膜侧，同时旋转套材料10。首先，将润滑油供给至环材料11与套材料10之间，若环材料11通过多个阶段升压至规定的负荷，则停止润滑油的供给，测定取决于油耗完的咬合时间。

对于加工性评价试验，对制备的喷涂膜进行规定深度的研磨加工，测定因该加工而产生的每单位面积的裂纹(龟裂)长度，评价其加工性。

图3A~图3C和图4A、图4B为示出本发明实施方案的加工性评价试验后试验片的加工面状态的图。在图3A~图3C和图4A、图4B中，箭头表示的是因加工而产生的裂纹。需说明的是，图3A~图3C和图4A、图4B示出将每1次切入深度设为0.002mm时各试验片的加工面状态(图3A~图3C和图4A，图4B)。

图5为示出本发明实施方案的碳化钨平均粒径与裂纹长度和咬合时间的关系的曲线图。图6为示出本发明实施方案的碳化钨平均粒径与裂纹长度和维氏硬度的关系的曲线图。需说明的是，图中示出的各目标值为目前的保护膜多层镀铬的值。

如图5所示，可知当试验片(U-1、U-42、U-31、U-11、U-41)的组成相同时，若平均粒径(φ)为0.15μm以下，则碳化钨(WC)的平均粒径(φ)越小，抗咬合性越提高。另外可知，对于碳化钨(WC)的平均粒径(φ)为0.1μm的试验片U-41、0.15μm的试验片U-11、0.30μm的试验片U-31、0.45μm的试验片U-42、0.60μm的试验片U-1，与多层镀铬相比抗咬合性均优异。

另外，可知当试验片的组成相同时，若平均粒径(φ)为0.15μm以下，则碳化钨(WC)的平均粒径(φ)越小，单位面积内产生的裂纹越短，加工性提高。另一方面，可知若碳化钨(WC)的平均粒径(φ)不足0.15μm或超过0.45μm，则裂纹过长，与多层镀铬相比加工性变差(参照试验片U-1、试验片U-41)。

需说明的是，如图6所示，可知当试验片的组成相同时，碳化钨(WC)的平均粒径(φ)越小，硬度越降低(参照试验片U-41)。而且，可知试验片U-1、试验片U-42、试验片U-31、试验片U-11、试验片U-41的硬度均优于多层镀铬。

图7为示出本发明实施方案的镍粘合剂的量与咬合时间和硬度的关系的曲线图。图8为示出本发明实施方案的镍粘合剂的量与裂纹长度的关系的曲线图。需说明的是，图中示出的各目标值同样为目前的保护膜多层镀铬的值。

如图7所示，可知当试验片(U-11、U-22、U-21)的碳化钨(WC)的平均粒径(φ)相同时，作为金属粘合相的镍(Ni)粘合剂的量(wt%)越小，抗咬合性越提高。另一方面，可知若镍(Ni)粘合剂的量超过12.5wt%，则咬合时间过短，与多层镀铬相比抗咬合性变差(参照试验片U-21)。

另外，可知当试验片的碳化钨(WC)的平均粒径(φ)相同时，作为金属粘合相的镍(Ni)的粘合剂的量越小，硬度越提高。而且，可知试验片U-11、试验片U-22、试验片U-21的硬度均优于多层镀铬。

需说明的是，如图8所示，可知当碳化钨(WC)的平均粒径(φ)相同时，试验片U-11、试验片U-22、试验片U-21的加工性均优于多层镀铬。

图9为示出本发明实施方案的镍粘合剂的量与裂纹长度和咬合时间的关系的曲线图。图10为示出本发明实施方案的镍粘合剂的量与裂纹长度和维氏硬度的关系的曲线图。需说明的是，图中示出的各目标值同样为目前的保护膜多层镀铬的值。

如图9所示，可知当试验片(U-43、U-11、U-44、U-45、U-46)的碳化钨(WC)的平均粒径(φ)相同且碳化钨(WC)与碳化铬(CrC)的混合比例相同时，若粘合剂的量为7wt%以下，则作为金属粘合相的镍(Ni)粘合剂的量越小，硬度越提高。而且，可知试验片U-43、试验片U-11、试验片U-44、试验片U-45、试验片U-46的硬度均优于多层镀铬。

另外，如图10所示，可知当试验片的碳化钨(WC)的平均粒径(φ)相同且碳化钨(WC)与碳化铬(CrC)的混合比例相同时，若粘合剂的量为7wt%以下，则作为金属粘合相的镍(Ni)粘合剂的量(wt%)越小，抗咬合性越提高。另一方面，可知若镍(Ni)粘合剂的量不足7wt%或超过18.5wt%，则咬合时间过短，与多层镀铬相比抗咬合性变差(参照试验片U-43、试验片U-46)。

另外，如图9和图10所示，可知当试验片的碳化钨(WC)的平均粒径(φ)相同且碳化钨(WC)与碳化铬(CrC)的混合比例相同时，若镍(Ni)粘合剂的量不足7wt%，则裂纹过长，与多层镀铬相比加工性变差(参照试验片U-43)。

根据以上内容，优选在0.15μm以上且0.45μm以下的范围内调整碳化钨的平均粒径，另外优选在7.0wt%以上且18.5wt%以下的范围内含有作为金属粘合相的镍。因此，具备这样的喷涂膜3的活塞环1可在具有优于多层镀铬的抗咬合性的同时具有与多层镀铬同等以上的加工性。

上文参照附图对本发明的适合的实施方案进行了说明，但本发明并不限于上述实施方案。上述实施方案中示出的各零部件的各种形状和组合等为一个实例，在不偏离本发明主旨的范围内可根据设计要求等进行各种变更。

例如，本发明不仅可应用于柴油发动机的活塞环，而且可应用于其它内燃机的活塞环。

产业上的可利用性

本发明涉及活塞环，特别是可用于具备喷涂膜的活塞环。

符号说明

1…活塞环

2…基材

3…喷涂膜

10…套材料

11…环材料

100…活塞

101…汽缸套。

Claims

1. 活塞环，所述活塞环具备作为硬质相含有碳化钨和碳化铬、作为金属粘合相含有镍的喷涂膜，

所述喷涂膜通过喷涂由造粒烧结法制备的喷涂粉末而形成，所述喷涂粉末含有通过BET法在0.15μm以上且0.45μm以下的范围内调整碳化钨的平均粒径而得的硬质粒子。

2. 权利要求1的活塞环，其中，上述喷涂膜在7.0wt%以上且18.5wt%以下的范围内含有作为上述金属粘合相的镍。

3. 权利要求1或2的活塞环，其中，上述喷涂膜具有下述组成：含有7.0wt%的作为上述金属粘合相的镍、20wt%的作为上述硬质相的碳化铬，余量由作为上述硬质相的碳化钨和不可避免的杂质构成。

4. 权利要求1或2的活塞环，其中，上述喷涂膜具有下述组成：含有12.5wt%的作为上述金属粘合相的镍、37.5wt%的作为上述硬质相的碳化铬，余量由作为上述硬质相的碳化钨和不可避免的杂质构成。

5. 权利要求1的活塞环，其中，上述喷涂膜的孔隙率为3%以下。

6. 权利要求1的活塞环，其中，上述喷涂膜通过利用高速火焰喷涂法的喷涂形成。