CN204591516U - 一种pvd活塞环 - Google Patents

Abstract

一种PVD活塞环，包括活塞环基体及其表面附着的复合涂层，复合涂层的厚度为10‐20μm，包括由内至外依次设置的纳米复合梯度过渡层、CrN层，其中，纳米复合梯度过渡层包括由内至外依次设置的Cr打底层、Cr过渡层、CrN过渡层。本设计明显降低了发动机摩擦功损失和燃油消耗。

Description

一种PVD活塞环

技术领域

本实用新型涉及一种发动机活塞环，尤其涉及一种PVD活塞环，具体适用于降低发动机摩擦功损失和燃油消耗。

背景技术

活塞环和缸套是汽车发动机中一对重要的摩擦副，其摩擦学性能的优劣直接影响着发动机的功率输出、耐久性、燃油经济性、机油消耗量以及燃烧排放等重要指标，因此改善缸套和活塞环的摩擦学性能具有重要意义。为了提高活塞环的性能，除了进行设计优化和材质更新之外，工程师们更倾向于采用表面处理技术，如镀铬、离子氮化等。然而，由于当前汽车发动机尤其是重载柴油发动机，正在向高功率密度、高可靠性、低燃油消耗和低废气排放的方向发展，传统的表面处理方法已经不能满足需求。物理气相沉积技术（PVD）作为一种相对比较成熟的新兴技术在发动机活塞环的表面改性工作受到越来越广泛的关注和重视。

中国专利：公告号为CN101430004B，公告日为2010年6月2日的发明专利公开了一种PVD铬基陶瓷复合涂层活塞环及其制备方法，该复合涂层由粘结层、主耐磨层和减摩层构成，粘结层为Cr，主耐磨层在粘结层上面，为Cr和CrN交替构成的Cr/CrN多层涂层，减摩层在主耐磨层表面，为Cr和Cr₂O₃交替构成的Cr/ Cr₂O₃多层涂层。虽然该复合涂层具有良好的结合力、耐磨和抗腐蚀性能，可大幅度提高活塞环的使用寿命，但其并不能降低发动机摩擦功损失和燃油消耗。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的无法降低发动机摩擦功损失和燃油消耗的问题，提供一种能显著降低发动机摩擦功损失和燃油消耗的PVD活塞环。

为实现以上目的，本实用新型的技术方案如下：

一种PVD活塞环，包括活塞环基体及其表面附着的复合涂层；

所述复合涂层包括由内至外依次设置的纳米复合梯度过渡层、CrN层，其中，所述纳米复合梯度过渡层包括由内至外依次设置的Cr打底层、Cr过渡层、CrN过渡层。

所述纳米复合梯度过渡层还包括CrC过渡层，该CrC过渡层位于Cr过渡层、CrN过渡层之间。

所述复合涂层的厚度为10‐20μm。

所述活塞环基体的制造材料为氮化钢。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型一种PVD活塞环中复合涂层包括纳米复合梯度过渡层，且纳米复合梯度过渡层包括由内至外依次设置的Cr打底层、Cr过渡层、CrN过渡层，该梯度过渡层可逐步建立并增强涂层与活塞环基体间的分子结合力，同时减弱过渡层间内应力的叠加，从而大大增强涂层的结合力，使其能够在活塞环-缸套苛刻的工况下充分发挥作用，并有效降低发动机摩擦功损失和燃油消耗。因此，本实用新型降低了发动机摩擦功损失和燃油消耗。

2、本实用新型一种PVD活塞环中Cr过渡层、CrN过渡层之间还设置有CrC过渡层，该CrC过渡层可梯度过渡涂层元素与活塞环基体间的化学亲和力，进一步提升涂层与活塞环基体的结合力。因此，本实用新型进一步提升了涂层与活塞环基体的结合力。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图2为实施例2的结构示意图。

图中：活塞环基体1、复合涂层2、纳米复合梯度过渡层3、Cr打底层31、Cr过渡层32、CrN过渡层33、CrC过渡层34、CrN层4。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

参见图1、图2，一种PVD活塞环，包括活塞环基体1及其表面附着的复合涂层2；

所述复合涂层2包括由内至外依次设置的纳米复合梯度过渡层3、CrN层4，其中，所述纳米复合梯度过渡层3包括由内至外依次设置的Cr打底层31、Cr过渡层32、CrN过渡层33。

所述纳米复合梯度过渡层3还包括CrC过渡层34，该CrC过渡层34位于Cr过渡层32、CrN过渡层33之间。

所述复合涂层2的厚度为10‐20μm。

所述活塞环基体1的制造材料为氮化钢。

本实用新型的原理说明如下：

本实用新型中，纳米复合梯度过渡层3的建立能够使得CrN层4更好的生长在活塞环基体1的表面。由于活塞环基体1的主要组成元素通常为Fe、C、N等， Cr过渡层32中的Cr会与C、N结合形成Cr-C、Cr-N分子键，CrC过渡层和CrN过渡层则进一步加强这种分子间结合，从而达到逐步增强复合涂层2与活塞环基体1间结合力的效果。

复合涂层2：若复合涂层2的厚度小于10μm，则很难充分发挥出涂层的功效，若复合涂层2的厚度大于20μm，则涂层内应力过高，容易剥落，因此，本实用新型将其厚度控制在10‐20μm。另外，由于每个过渡层的厚度都较薄，因此有助于减小涂层的内应力，进一步提升涂层与活塞环基体的结合力。

实施例1：

参见图1，一种PVD活塞环，包括活塞环基体1及其表面附着的复合涂层2，所述活塞环基体1的制造材料为氮化钢，复合涂层2的厚度为10μm，包括由内至外依次设置的纳米复合梯度过渡层3、CrN层4，其中，所述纳米复合梯度过渡层3包括由内至外依次设置的Cr打底层31、Cr过渡层32、CrN过渡层33。

上述PVD活塞环的制备方法依次包括以下步骤：

1、先将活塞环基体1进行除油除锈，再依次用丙酮、酒精、水溶液对其进行超声清洗后干燥，然后将干燥后的活塞环基体1置于真空室中，于0.007Pa的真空度下加热真空室腔壁至300℃后保温2h，接着通入360sccm氩气，并于800V的负偏压下辉光清洗30min，随后引燃金属Cr靶，在100A靶源电流、750V偏压下沉积1min以制备Cr打底层31；

2、将偏压降至140V后沉积5min以得到Cr过渡层32，再关闭金属Cr靶停；

3、先止通入氩气，然后向真空室中通入180sccm氮气，再引燃金属Cr靶，将偏压降至135V后于120A靶源电流下沉积20min，其中，所述真空室的真空度为1.9Pa；

4、在120V偏压下沉积15min；

5、在100V偏压下沉积15min；

6、在200V偏压下沉积15min；

7、循环重复操作4‐6，直至沉积时间达到2h，此时，PVD活塞环制备完毕。

实施例2：

参见图2，一种PVD活塞环，包括活塞环基体1及其表面附着的复合涂层2，所述活塞环基体1的制造材料为氮化钢，复合涂层2的厚度为20μm，包括由内至外依次设置的纳米复合梯度过渡层3、CrN层4，其中，所述纳米复合梯度过渡层3包括由内至外依次设置的Cr打底层31、Cr过渡层32、CrC过渡层34、CrN过渡层33。

上述PVD活塞环的制备方法同实施例1，不同之处在于：

所述制备方法还包括CrC过渡层的制备步骤，该步骤位于步骤2、步骤3之间；

所述CrC过渡层的制备步骤是指：先同时引燃金属Cr靶和C靶沉积CrC过渡层34，再关闭金属Cr靶和C靶；

步骤7中，沉积时间达到4h。

上述实施例中，复合涂层2与活塞环基体1的结合力为临界载荷L_c≥100N，且减摩效果好，在干摩擦状态下相比于未做PVD处理的活塞环摩擦系数降低了19%，可降低5%的发动机摩擦功损失以及0.5%的发动机燃油消耗。

Claims (4)

1.一种PVD活塞环，包括活塞环基体（1）及其表面附着的复合涂层（2），其特征在于：

所述复合涂层（2）包括由内至外依次设置的纳米复合梯度过渡层（3）、CrN层（4），其中，所述纳米复合梯度过渡层（3）包括由内至外依次设置的Cr打底层（31）、Cr过渡层（32）、CrN过渡层（33）。

2.根据权利要求1所述的一种PVD活塞环，其特征在于：所述纳米复合梯度过渡层（3）还包括CrC过渡层（34），该CrC过渡层（34）位于Cr过渡层（32）、CrN过渡层（33）之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种PVD活塞环，其特征在于：所述复合涂层（2）的厚度为10‐20μm。

4.根据权利要求1或2所述的一种PVD活塞环，其特征在于：所述活塞环基体（1）的制造材料为氮化钢。