CN206346839U - 涂覆高硬度低摩擦系数涂层的活塞环 - Google Patents
涂覆高硬度低摩擦系数涂层的活塞环 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种涂覆高硬度低摩擦系数涂层的活塞环，上环体和下环体表面设有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2多层涂层。CrAlN/WS2多层涂层在靠近上环体和下环体基体的涂层为CrAlN纳米层，最外层为WS2纳米层。所述CrAlN/WS2涂层的厚度为2.0‑4.5μm，每一CrAlN纳米层厚度为5.0nm，每一WS2纳米层厚度为0.4‑1.2nm。CrAlN/WS2涂层与GCr15钢球之间摩擦系数为0.25。WS2纳米层厚度小于0.8nm时，WS2纳米层为面心六方结构。本实用新型设置了具有高硬度低摩擦系数的表面涂层，具有较高的硬度，减少了磨损，可以保证活塞环的工作稳定性，并延长其使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种活塞环，具体涉及一种涂覆高硬度低摩擦系数涂层的活塞环。
背景技术
随着航天工业、医疗器械、工业自动化设备等行业的高速发展，高速度、高精度、自动化、智能化已成为现代机械的重要标志和发展方向。机构零部件的工作稳定性及使用寿命、耐冲击性、摩擦磨损等因素对机械部件的工作性能产生极大的影响。
缸套--活塞环是内燃机中最重要的摩擦副之一，其润滑性能的好坏对内燃机的运行性能有极大的影响，在保证对燃烧室气体密封的前提下，缸套与活塞环间的摩擦力小，内燃机的摩擦功耗也小，反之会造成相当大的功耗，而且还会导致缸套活塞环的过渡磨损，影响其使用寿命。
活塞环的主要功用是密封，即防止气缸内的可燃混合气体和高温燃气漏入曲轴箱，同时阻止曲轴箱内的润滑油上窜到燃烧室中，同时也在气缸壁表面涂布一层润滑油，提供适宜油膜。汽车尾气排放法规的升级，整车使用寿命的延长，发动机新技术的应用，对活塞环的发展提出了新的要求，活塞环的发展更加着力于发动机的低机油耗、低窜气量和耐磨损。因此，为了保证活塞环的工作稳定性及使用寿命，活塞环的表面处理应给予高度重视。
随着目前材料服役环境的愈发恶劣，传统活塞环已逐渐不能满足苛刻的性能要求，因此迫切需要开发新型的保护性涂层材料。为了使活塞环性能充分满足生产中摩擦因数低、耐磨性好、耐高温等各种要求，对涂层材料的硬度、耐摩擦磨损等性能提出了更高的要求。如果活塞环表面的涂层具有高硬度和低摩擦系数的性能，就能保证活塞环的工作稳定性、提高工作效率，并延长其使用寿命。
发明内容
本实用新型的目的在于，提供一种涂覆高硬度低摩擦系数涂层的活塞环，该活塞环表面涂覆具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2多层涂层的活塞环。
本实用新型所需要解决的技术问题，采用以下技术方案来实现：一种涂覆高硬度低摩擦系数涂层的活塞环，包括上环体和下环体，所述上环体和下环体表面设有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2多层涂层。
所述CrAlN/WS2多层涂层在靠近上环体和下环体基体的涂层为CrAlN纳米层，最外层为WS2纳米层。
所述CrAlN/WS2多层涂层的厚度为2.0-4.5μm，其中每一CrAlN纳米层厚度为5.0nm，每一WS2纳米层厚度为0.4-1.2nm。
所述CrAlN/WS2多层涂层与GCr15钢球之间的摩擦系数为0.25。
所述WS2纳米层厚度小于0.8nm时，WS2纳米层为面心六方结构。
本实用新型的有益效果：
本实用新型具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2多层涂层，该CrAlN/WS2纳米多层涂层硬度高，摩擦系数小，作为保护层可用于既要求高硬度、又具有高耐摩擦性能的服役场合，提高机械的工作稳定性及使用寿命。CrAlN/WS2多层涂层的最大硬度达37.3GPa。
由于WS2纳米层的加入使该CrAlN/WS2纳米多层涂层具有较低的摩擦系数，在与GCr15钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.25，从而表现出优异的耐摩擦性能。
涂层采用反应磁控溅射制备工艺，具有制备工艺简单、沉积速度快、生产效率高、生产成本低的优点。无任何有害成分，安全环保。
附图说明
图1为本实用新型的涂覆高硬度低摩擦系数涂层的活塞环结构示意图；
图2为本实用新型实例所得到的具有高硬度低摩擦系数的CrAlN/WS2多层涂层的横截面的透射电镜图。
具体实施方式
下面对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的应用范围更为清楚明确。
如图1，2所示，一种涂覆高硬度低摩擦系数涂层的活塞环，包括上环体1和下环体2，上环体1和下环体2均开有交叉开口，上环体1两端底面设有凸台，下环体2两端顶面设有凹槽，凸台和凹槽配合连接。活塞环的上环体1和下环体2表面涂覆一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2的多层涂层3。CrAlN/WS2多层涂层3总厚度为2.0-4.5μm，每一CrAlN纳米层的厚度为5.0nm，每一WS2纳米层的厚度为0.4-1.2nm；当WS2纳米层厚度小于0.8nm时，WS2纳米层为面心六方结构。CrAlN/WS2涂层与GCr15钢球之间的摩擦系数为0.25。
具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2多层涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）清洗基体
首先，将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水以80-100W分别进行超声波清洗15min；
然后，将超声波清洗后的基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用功率为80-100W射频电源对基体进行离子轰击30min进行离子清洗。
（2）交替溅射CrAlN层和WS2层
将步骤（1）经离子清洗后的基体置入多靶磁控溅射仪中，在氩、氮混合气氛中交替停留在CrAl合金靶和WS2靶之前，通过溅射获得由多个CrAlN纳米层和WS2纳米层交替叠加的纳米量级多层涂层，过程中调整CrAl靶和WS2靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层；
上述所得具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2纳米涂层，经检测，CrAlN纳米层厚度为5.0nm，WS2纳米层厚度为0.8nm，具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2纳米多层涂层总厚度为4.0μm，硬度为37.3GPa，在与GCr15钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.25。
目前，随着材料服役环境的愈发恶劣，传统涂层的活塞环已逐渐不能满足苛刻的性能要求，因此迫切需要开发新型的保护性涂层材料。为了使活塞环性能充分满足生产中摩擦因数低、耐磨性好和耐温等各种要求，对涂层材料的硬度、耐摩擦磨损性能等性能提出了更高的要求。本实用新型的活塞环表面的涂层具有高硬度和低摩擦系数的性能，能保证活塞环的工作稳定性、提高工作效率，并延长其使用寿命。
Claims (5)
1.一种涂覆高硬度低摩擦系数涂层的活塞环，包括上环体（1）和下环体（2），其特征在于：所述上环体（1）和下环体（2）表面设有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2多层涂层（3）。
2. 根据权利要求1 所述的涂覆高硬度低摩擦系数涂层的活塞环，其特征在于：所述CrAlN/WS2多层涂层（3）在靠近上环体（1）和下环体（2）基体的涂层为CrAlN纳米层，最外层为WS2纳米层。
3. 根据权利要求1 所述的涂覆高硬度低摩擦系数涂层的活塞环，其特征在于：所述CrAlN/WS2多层涂层（3）的厚度为2.0-4.5μm，其中每一CrAlN纳米层厚度为5.0nm，每一WS2纳米层厚度为0.4-1.2nm。
4. 根据权利要求1 所述的涂覆高硬度低摩擦系数涂层的活塞环，其特征在于：所述CrAlN/WS2多层涂层（3）与GCr15钢球之间的摩擦系数为0.25。
5.根据权利要求2或3所述的涂覆高硬度低摩擦系数涂层的活塞环，其特征在于：所述WS2纳米层厚度小于0.8nm时，WS2纳米层为面心六方结构。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN108266528A (zh) * | 2018-01-24 | 2018-07-10 | 安徽浩丰实业有限公司 | 一种活塞环 |
| CN108266287A (zh) * | 2018-01-24 | 2018-07-10 | 安徽浩丰实业有限公司 | 一种活塞环的耐磨涂层 |
| CN110219746A (zh) * | 2019-05-22 | 2019-09-10 | 上海理工大学 | 内燃机活塞环缸套系统 |
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2016
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