一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環及其製備方法
2023-09-10 01:00:50 2
一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環，它先在環體的外圓面電鍍或物理氣相沉積一層薄鉻層，再在薄鉻層的外圓面上利用物理氣相沉積方式形成的一層硬質陶瓷薄膜塗層。解決了現有鑄鐵活塞環耐磨性能和抗燒結性能不適應現代汽車高輸出、高排放限制要求的問題，特別適合於現行汽車發展的需要。
【專利說明】一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環及其製備方法
一、【技術領域】
[0001]本發明涉及一種活塞環，具體涉及一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環及其製備方法。
二、【背景技術】
[0002]為了進一步降低油耗、減少排放，增壓型、直噴型發動機被更多的開發出來，這些發動機與傳統的發動機相比具有爆壓高、轉速高、功率大、扭矩高等特點，所以對活塞環也同時提出了更高要求。截止目前鑄鐵活塞環的表面處理方式可選擇性仍比較小，常見的有鍍鉻、噴鑰等。然而這些塗層都存在一定的局限性。如:鍍鉻塗層摩擦係數大，磨損功損失大，而且對缸體的攻擊性大，容易出現拉缸現象；噴鑰塗層硬度低，抗磨粒磨損性能差，耐久性能差。市場普遍反映傳統表面處理的鑄鐵活塞環經常出現磨損大、拉缸等現象，已漸漸不能滿足發動機發展的要求。
三、
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於解決現有鑄鐵活塞環表面處理技術的不足，提供了一種能夠滿足發動機朝著更高轉速、更高扭矩、更高壽命、更低油耗和更低排放的方向發展需要的高耐磨鑄鐵活塞環及其製備方法。
[0004]為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是這樣的:包括鑄鐵活塞環環體，在所說環體的外圓面上先電鍍一層薄鉻層，再在薄鉻層的外圓面上使用物理氣相沉積(即PVD)方式形成一層陶瓷薄膜塗層，該陶瓷薄膜層可以是CrN、CrN[O]、TiN等
[0005]本發明的陶瓷薄膜塗層硬度高，HV1000以上，而鑄鐵材料活塞環材料的基體硬度低，如果直接在鑄鐵材料的表面進行陶瓷薄膜塗層處理，塗層與基體之間硬度差距大，陶瓷薄膜塗層與環體的結合力無法做到很好，塗層容易剝離。為了解決這一難點，本發明高耐鑄鐵活塞環主要是通過首先在環的外圓面電鍍一層薄鉻層，再在鉻層的外圓面進行陶瓷薄膜塗層處理。通過薄鉻層過渡層，可以很好地解決了陶瓷薄膜塗層與環體之間的結合力問題。
[0006]為了實現上述功能，本發明陶瓷薄膜鑄鐵活塞環可以採用的以下兩種製備方法:
[0007]第一種製備方法，其主要工藝步驟如下:
[0008]I)通過鑄造、割片、仿行、內圓車等活塞環常規初加工；
[0009]2)通過磨削工藝對活塞環的外圓面、上下側面進行加工；
[0010]3)利用超聲波對活塞環表面進行清洗脫脂；
[0011]4)利用裝夾筒將活塞環裝夾起來，對外圓面進行拋光處理；
[0012]5)外圓鍍鉻處理，處理時間0.5小時，電鍍槽液溫度:60°C ；
[0013]6)內外圓面噴砂處理；
[0014]7)活塞環脫脂清洗；
[0015]8)裝入PVD爐，PVD處理，處理工藝時間:15?20小時，處理溫度:400?500°C。工藝原理:以Ti或者Cr金屬為蒸發源，通過電弧放電，和N2、02反應，在活塞環外圓薄鉻層上凝固生成TiN、CrN、CrN[O]等陶瓷薄膜；[0016]9)外圓面珩磨精加工；
[0017]10)上下側面磨削精加工。
[0018]第二種製備方法，其主要工藝步驟如下:
[0019]I)通過鑄造、割片、仿行、內圓車等活塞環常規初加工；
[0020]2)通過磨削工藝對活塞環的外圓面、上下側面進行加工；
[0021]3)利用超聲波對活塞環表面進行清洗脫脂；
[0022]4)利用裝夾筒將活塞環裝夾起來，對外圓面進行拋光處理；
[0023]5)內外圓面噴砂處理；
[0024]6)活塞環脫脂清洗；
[0025]7)裝入PVD爐，進行PVD處理。處理工藝時間:17?22小時，處理溫度:400?5000C。如果選擇陶薄膜為CrN或CrN[0]，只需安裝鉻塊靶材，以Cr金屬作為蒸發源，通過電弧放電，通過設置PVD爐程序，放電初期2小時內不通入N2、02，僅金屬鉻離子乘積在活塞環的表面形成薄鉻層，2小時過後N2、O2泵打開，鉻離子與N2、O2反應，在活塞環外圓薄鉻層上凝固生成CrN或CrN[0]陶瓷薄膜。如果選擇陶瓷薄膜為TiN，需要安裝鈦、鉻混合靶材。反應初期2小時內不通入N2，鈦靶材不通電，僅金屬鉻離子乘積在活塞環的表面形成薄鉻層，2小時過後N2泵打開，鈦離子與N2反應形成TiN陶瓷薄膜。
[0026]8)外圓面珩磨精加工；
[0027]9)上下側面磨削精加工。
[0028]本發明陶瓷薄膜鑄鐵活塞環具有以下相關特徵:
[0029]I)由於上述活塞環體的外圓面和陶瓷薄膜塗層之間設有過渡薄鉻層，提升了塗層與基體間的結合性，適合於普通合金鑄鐵、灰鑄鐵、球墨鑄鐵活塞環。
[0030]2)中間過渡鉻層厚度:1?3μπι，硬度800HV以上；
[0031]3)最外圓的陶瓷薄膜層，可以根據需要可以是TiN、CrN或CrN[0]，如選擇CrN或者CrN[0]，其硬度在1000?1800HV，塗層厚度5?20 μ m。如選擇TiN，其硬度在1500?2200HV，塗層厚度I?5μπι。
[0032]由於上述技術方案鑄鐵活塞環體的外圓面塗覆一層陶瓷薄膜。因此，本發明活塞環具有超高耐磨性能、對缸套磨損小、抗燒結能力強的特點。與普通鍍鉻鑄鐵環進行臺架試驗對比:本發明活塞環的磨損量只有普通鍍鉻環的40%，對缸套的磨損比普通鍍鉻環減小50 %，抗燒結性能是普通鍍鉻環的2.5倍以上，在高溫工況下性能穩定，特別適合增壓、直噴型的發動機。
四、【專利附圖】
【附圖說明】:
[0033]圖1是本發明的結構示意圖；
[0034]圖2是本發明的局部剖視圖。
五、【具體實施方式】:
[0035]參見圖1、圖2，本發明的耐磨鑄鐵活塞環包括活塞環環體1，環體外圓面上過渡薄鍍鉻層2，和在薄鉻層2的外圓面上塗覆的陶瓷薄膜3。陶瓷薄膜3的形成原理是:以Ti或者Cr金屬為蒸發源，通過電弧放電，和Ν2、02反應，在活塞環目標源氮化層上凝固生成TiN、CrN, CrN[O]陶瓷薄膜。金屬汽化離子率高，沉積效果好。本發明的【具體實施方式】如下:
[0036]實施方式一、
[0037]步驟一、通過鑄造、割片、仿行、內圓車等活塞環常規初加工；
[0038]步驟二、通過磨削工藝對活塞環的外圓面、上下側面進行加工；
[0039]步驟三、利用超聲波對活塞環表面進行清洗脫脂；
[0040]步驟四、利用裝夾筒將活塞環裝夾起來，對外圓面進行拋光處理；
[0041]步驟五、外圓鍍鉻處理，處理時間0.5小時，電鍍槽液溫度:60°C ；
[0042]步驟六、內外圓面噴砂處理；
[0043]步驟七、活塞環脫脂清洗；
[0044]步驟八、裝入PVD爐，PVD處理，處理工藝時間:15~20小時，處理溫度:400~500。。。
[0045]步驟九、外圓面?行磨精加工；
[0046]步驟十、上下 側面磨削精加工。
[0047]實施方式二、
[0048]步驟一、通過鑄造、割片、仿行、內圓車等活塞環常規初加工；
[0049]步驟二、通過磨削工藝對活塞環的外圓面、上下側面進行加工；
[0050]步驟三、利用超聲波對活塞環表面進行清洗脫脂；
[0051]步驟四、利用裝夾筒將活塞環裝夾起來，對外圓面進行拋光處理:
[0052]步驟五、內外圓面噴砂處理；
[0053]步驟六、活塞環脫脂清洗；
[0054]步驟七、裝入PVD爐，進行PVD處理。處理工藝時間:17~22小時，處理溫度:400~500°C。如果選擇陶薄膜為CrN或CrN[0]，只需安裝鉻塊靶材，以Cr金屬作為蒸發源，通過電弧放電，通過設置PVD爐程序，放電初期2小時內不通入N2、O2，僅金屬鉻離子沉積在活塞環的表面形成薄鉻層，2小時過後N2、O2泵打開，鉻離子與N2、O2反應，在活塞環外圓薄鉻層上凝固生成CrN或CrN[0]陶瓷薄膜。如果選擇陶瓷薄膜為TiN，需要安裝鈦、鉻混合靶材。反應初期2小時內不通入氮氣，鈦靶材不通電，僅金屬鉻離子沉寂在活塞環的表面形成薄鉻層，2小時後關閉鉻靶材電源，N2泵打開，鈦靶材通電。鈦離子與N2反應形成TiN陶瓷薄膜。
[0055]步驟八、外圓面?行磨精加工；
[0056]步驟九、上下側面磨削精加工。
【權利要求】
1.一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環，包括環體，其特徵是:在所說環體(I)的外圓面上電鍍或物理氣相沉積一層薄鉻層(2)，再在薄鉻層(2)的上塗覆一層陶瓷薄膜(3)。
2.在權利要求1中所述的薄鉻層厚度I?3μ m，陶瓷薄膜層厚度I?20 μ m。
3.在權利要求1中所述的陶瓷薄膜可以是CrN、CrN[O]、TiN中一種。
4.一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環的製備方法，其步驟包括: 1)通過鑄造、割片、仿行、內圓車等活塞環常規初加工； 2)通過磨削工藝對活塞環的外圓面、上下側面進行加工； 3)利用超聲波對活塞環表面進行清洗脫脂； 4)利用裝夾筒將活塞環裝夾起來，對外圓面進行拋光處理； 5)外圓鍍鉻處理，處理時間0.5小時，電鍍槽液溫度:60°C ； 6)內外圓面噴砂處理； 7)活塞環脫脂清洗； 8)裝入PVD爐，PVD處理，處理工藝時間:15?20小時，處理溫度:400?500°C； 9)外圓面珩磨精加工； 10)上下側面磨削精加工。
5.一種陶瓷薄膜鑄鐵活塞環的製備方法，其步驟包括: 1)通過鑄造、割片、仿行、內圓車等活塞環常規初加工； 2)通過磨削工藝對活塞環的外圓面、上下側面進行加工； 3)利用超聲波對活塞環表面進行清洗脫脂； 4)利用裝夾筒將活塞環裝夾起來，對外圓面進行拋光處理； 5)內外圓面噴砂處理； 6)活塞環脫脂清洗； 7)裝入PVD爐，進行PVD處理。處理工藝時間:17?22小時，處理溫度:400?500°C。如果選擇陶薄膜為CrN或CrN[0]，只需安裝鉻塊靶材，以Cr金屬作為蒸發源，通過電弧放電，通過設置PVD爐程序，放電初期2小時內不通入N2、02，僅金屬鉻離子沉積在活塞環的表面形成薄鉻層，2小時過後N2、O2泵打開，鉻離子與N2、O2反應，在活塞環外圓薄鉻層上凝固生成CrN或CrN[O]陶瓷薄膜。如果選擇陶瓷薄膜為TiN，需要安裝鈦、鉻混合靶材。反應初期2小時內不通入氮氣，鈦靶材不通電，僅金屬鉻離子沉積在活塞環的表面形成薄鉻層，2小時後關閉鉻靶材電源，N2泵打開，鈦靶材通電，。鈦離子與N2反應形成TiN陶瓷薄膜。 8)外圓面珩磨精加工； 9)上下側面磨削精加工。
【文檔編號】F16J9/26GK103836186SQ201310577313
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2013年11月15日
【發明者】王星, 王東升, 汪謙瑾 申請人:安慶帝伯格茨活塞環有限公司