CN201943835U

CN201943835U - 具有pvd镀层的活塞环

Info

Publication number: CN201943835U
Application number: CN2011200363331U
Authority: CN
Inventors: 孙海林; 周仔麒; 周庆荣; 李凡巧
Original assignee: ZHEJIANG HUIJIN TEER COAT TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHEJIANG HUIJIN TEER COAT TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2021-01-28

Abstract

本实用新型涉及一种发动机汽缸活塞环。所要解决的技术问题是提供的活塞环应具有高硬度、高耐磨性、使用寿命长的特点，并有节能减排的效果。技术方案是：具有PVD镀层的活塞环，包括钢质材料制作的基体；其特征在于基体的表面覆盖有一厚度为100～200um的氮化层，氮化层的外表面又有一厚度为2～30um的PVD镀层；该PVD镀层为厚度达2～5um的固体润滑镀层或8～30um的硬质减磨镀层。所述固体润滑镀层沿基体表面垂直方向自里向外依次为纯Cr打底层、Cr过渡层、类石墨固体润滑层。所述的硬质减磨镀层沿基体表面垂直方向自里向外依次为纯Cr打底层、CrN过渡层、CrN/MoN调幅结构层。

Description

具有PVD镀层的活塞环

技术领域

本实用新型涉及一种发动机部件，具体是发动机汽缸活塞环。

背景技术

活塞环在发动机内起到密封，控油，导热(冷却活塞)，支撑等重要作用，其性能直接影响发动机的工作表现和使用寿命。作为发动机心脏部位的关键零部件，活塞环的发展与发动机、机车工业的发展息息相关。随着社会的发展，低碳、节能等理念的深入人心，欧IV，欧V等法规对各种机动车辆的能耗，排放提出了更高的要求；这就迫使发动机在各个方面提高性能，达到节能减排的效果，而提高活塞环的性能是其中的一个有效途径。

活塞环主要分为铸铁环和钢环，也有少数的不锈钢环。活塞环的表面处理方法已经广泛应用的主要有镀铬及氮化；但是，镀铬工艺对环境的污染非常严重，已经完全不能适应现代环境对工业的要求，势必被慢慢淘汰。氮化虽然能在一定程度上提高活塞环的性能，但是其硬度还是比较低，耐磨损性能也不尽如人意，尤其在活塞环的早期磨损中，其磨损量非常大；因此，发展一种更为优异的活塞环表面处理方法，成为非常迫切的需要。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种活塞环的改进；该活塞环应具有高硬度、高耐磨性、使用寿命长的特点，并有节能减排的效果。

本实用新型提供的技术方案是：

具有PVD镀层的活塞环，包括钢质材料制作的基体；其特征在于基体的表面覆盖有一厚度为100～200um的氮化层，氮化层的外表面又有一厚度为2～30um的PVD镀层；该PVD镀层为厚度达2～5um的固体润滑镀层或8～30um的硬质减磨镀层。

所述固体润滑镀层沿基体表面垂直方向自里向外依次为纯Cr打底层、Cr过渡层、类石墨固体润滑层。

所述的硬质减磨镀层沿基体表面垂直方向自里向外依次为纯Cr打底层、CrN过渡层、CrN/MoN调幅结构层。

所述的固体润滑镀层中，Cr打底层厚度为0.2～0.5um；Cr过渡层厚度约为0.3～0.7um；类石墨固体润滑层厚度为1～4um。

所述的硬质减磨镀层中，Cr打底层厚度为0.2～0.5um；CrN过渡层厚度约为0.3～0.7um；CrN/MoN调幅结构层厚度约为3～27um。

本实用新型的有益效果在于：

(1)镀层的摩擦系数低：固体润滑膜的摩擦系数极低，用球盘磨损试验机测定的与直径5mm的WC-6％Co球对磨时的摩擦系数为0.05～0.15；硬质减摩镀层的摩擦系数为0.25～0.35。

(2)活塞环的抗磨损性能显著提高(用球盘磨损试验机测定的比磨损率为0.5×10-16～5×10-16m3/N.m)；使用寿命显著增加。

(3)活塞环的表面硬度大幅提高(15～30GPa)，在合适的元素添加量条件下，最高硬度超过30GPa。

附图说明

图1为本实用新型所涉活塞环的截面结构示意图。

图2为图1中的A部放大结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例进一步说明。

如图所示，具有PVD镀层(Physical Vapor Deposition；即物理气相沉积)的活塞环1，包括钢质材料制作的基体5；基体的表面覆盖有一厚度为100～200um的氮化层4(氮化层从基体深处至基体表面的氮含量越来越高)，氮化层的外表面又有一厚度为2～30um的PVD镀层；该PVD镀层为厚度达2～5um的固体润滑镀层或8～30um的硬质减磨镀层。

所述固体润滑镀层沿基体表面垂直方向自里向外依次为纯Cr打底层3、Cr过渡层2、类石墨固体润滑层6。

所述的固体润滑镀层中，Cr打底层厚度为0.2～0.5um，成分为Cr；Cr过渡层厚度约为0.3～0.7um，是一个Cr元素逐渐减少，碳元素逐渐增多的过程(从基体垂直往外方向)，Cr元素与碳元素的原子比为1∶0～85；类石墨固体润滑层厚度为1～4um，由Cr元素与碳元素混合形成，Cr元素与碳元素的原子比为1∶82～85。

所述的硬质减磨镀层中，Cr打底层厚度为0.2～0.5um，成分为Cr；CrN过渡层厚度约为0.3～0.7um，氮元素与铬元素的比例为0～4.3∶1，是一个氮元素逐渐增多的渐变的过程；CrN/MoN调幅结构层厚度约为3～27um。

氮化层由脉冲电源辉光离子氮化法对基体进行氮化后获得；该方法与传统的气体氮化相比，由于采用辉光放电加热工件，电能利用率高，氮化速度快，周期短，节约能源。另外，离子氮化是在低气压下进行，耗气量极少，仅为气体渗氮的百分之一；氮化组织易控制，表面缺陷较少，脆性较低；采用N2+Ar混合气体进行离子氮化，环保无公害；由于离子氮化可以在更低的温度下进行，真空加热、真空冷却可以控制加热和冷却速度，所以，工件的变形量比气体渗氮要小。

PVD镀层采用非平衡磁控溅射离子镀设备进行加工获得。非平衡磁控溅射离子镀设备中设有若干个不同材料的溅射靶，具体膜层中的元素含量，是在镀膜时调控溅射电流的大小来进行控制的。被镀基体放置于该设备真空腔内可旋转的工件架上，基体周围分别布置Cr金属靶、Mo金属靶或石墨靶；溅射靶由直流磁控溅射电源提供恒定电流或恒定功率，被镀基体和溅射靶之间施加直流脉冲负偏压。

【实施例1】

镀层基体为1μm的金刚石研磨膏抛光的8Cr17不锈钢，工件采用丙酮等溶剂进行超声波清洗除油、吹干后，装于离子氮化炉专用夹具上。腔体抽真空至40Pa以下，通入纯度≥99.9％的氮气和氢气的混合气体，加电压400～800V，先进行打弧清理，待稳定后，逐步提高腔体气压，增大电流强度，使工件升温。氮气和氢气的混合比例为1∶3～1∶6，腔体气压为200～600Pa，氮化的温度控制在500～520℃，保温时间10h。

将氮化好的试样表面的白亮层磨去，丙酮溶液进行超声波清洗20分钟，放入镀层设备真空室的旋转试样架上，用氩气流量10sccm时真空度2Pa，用500V偏压等离子体轰击清洗基体表面20分钟。偏压-65V时沉积Cr界面层打底5min，Cr靶输入功率2kW。接着通入氮气并逐渐增加氮气流量镀制CrN梯度过渡层，时间60min，其它参数与制备Cr界面层时一样。最后打开Mo靶6，靶输入功率2kW，其它参数与上一个步骤一样。在整个镀制过程中，脉冲偏压的参数为频率500kHz，脉冲宽度250ns，基体所在的一轴旋转试样架的转速是5rpm。

所得样品根据以下方式检测：

镀层的硬度用纳米压入仪测量，每一试样在不同位置测量6点取平均值。

镀层厚度分别用球坑仪和断面扫描电镜测定。

镀层耐磨性和摩擦系数用球盘磨损试验机测量，对磨材料为直径5mm的WC-6％Co硬质合金球，相对滑动速度200m/min，载荷20N，磨损时间30min。

用Teer ST2200划痕仪定量测量镀层的结合强度，测试其膜基破坏临界载荷Lc，载荷从10N加到60N，滑动速度10mm/min。

镀层表面和断面形貌用用S 4700F场发射扫描电镜(FESEM)观测镀层断口形貌。

检测结果是：Cr界面层厚度为0.3μm；CrN过渡层厚度为1.0μm；Cr-Mo-N调幅结构层的总厚度为7μm。硬度是2800HV，结合力Lc＞60N，摩擦系数为0.25～0.35，比磨损率为0.9×10-16。

【实施例2】

氮化过程同实施例1；将氮化好的试样表面的白亮层磨去，丙酮溶液进行超声波清洗20分钟，放入镀层设备真空室的旋转试样架上，用氩气流量10sccm时真空度2Pa，用500V偏压等离子体轰击清洗基体表面20分钟。偏压-60V时沉积Cr界面层打底5min，Cr靶输入功率2kW。接着Cr的功率逐渐降低为0.5kw，石墨靶的功率逐渐升高至2kw，其它参数与制备Cr界面层时一样，最后保持此参数沉积6小时。在整个镀制过程中，脉冲偏压的参数为频率500kHz，脉冲宽度250ns，基体所在的一轴旋转试样架的转速是3rpm。

检测结果是：Cr界面层厚度为0.3μm；固体润滑镀层的总厚度为2.8μm。硬度是2000HV，结合力Lc＞60N，摩擦系数为0.07，比磨损率为0.5×10-16。

Claims

1.具有PVD镀层的活塞环，包括钢质材料制作的基体(5)；其特征在于基体的表面覆盖有一厚度为100～200um的氮化层(4)，氮化层的外表面又有一厚度为2～30um的PVD镀层；该PVD镀层为厚度达2～5um的固体润滑镀层或8～30um的硬质减磨镀层。

2.根据权利要求1所述的具有PVD镀层的活塞环，其特征在于所述固体润滑镀层沿基体表面垂直方向自里向外依次为纯Cr打底层(3)、Cr过渡层(2)、类石墨固体润滑层(6)。

3.根据权利要求2所述的具有PVD镀层的活塞环，其特征在于所述的硬质减磨镀层沿基体表面垂直方向自里向外依次为纯Cr打底层、CrN过渡层、CrN/MoN调幅结构层。

4.根据权利要求3所述的具有PVD镀层的活塞环，其特征在于所述的固体润滑镀层中，Cr打底层厚度为0.2～0.5um；Cr过渡层厚度约为0.3～0.7um；类石墨固体润滑层厚度为1～4um。

5.根据权利要求4所述的具有PVD镀层的活塞环，其特征在于所述的硬质减磨镀层中，Cr打底层厚度为0.2～0.5um；CrN过渡层厚度约为0.3～0.7um。