高性能陶瓷活塞環製造技術的製作方法
2023-05-14 04:24:01 2
專利名稱：高性能陶瓷活塞環製造技術的製作方法
技術領域：
本發明屬於表面冶金範疇。
背景技術：
活塞環是汽車、摩託車等內燃發動機心臟部份的關鍵零部件。它在發動機所有零部件中所佔比例很小，卻起著至關重要的作用。活塞環在高溫、高壓燃氣介質中反覆運動，發生激烈的磨擦。活塞環性能的優劣直接影響到發動機的動力性、經濟性、可靠性、燃油效率、尾氣排放等整體性能。隨著現代內燃發動機向高效率、高載荷、高速度和高壽命的方向發展，對活塞環的耐磨性及綜合機械性能提出了越來越高的要求。目前，國內外採用各種表面處理技術來提高活塞環的使用性能，主要包括電鍍鉻、表面氮化、PVD與CVD鍍膜，等離子噴鑰、等離子噴塗陶瓷塗層等。但是，鍍鉻層脆性大，易脫落、鍍鉻工藝對人體和環境造成毒害、國外已禁止，國內也逐漸取消。表面氮化後的表層硬度普遍不高，且厚度一般，不能滿足大功率發動機的要求。PVD與CVD鍍膜技術製備的BN、CrN, SiN膜層太簿，僅3 5 μ m，承載能力較差，不能滿足高載、高速內燃機的需要，且工藝複雜，費用昂貴、限制了推廣應用。等離子噴鑰在高溫時易氧化剝落，不能滿足現代內燃機發展的需要。近年來，國內外採用等離子噴塗陶瓷塗層對活塞環進行表面處理。陶瓷材料能大大降低活塞環與汽缸套之間的摩擦係數，有效地減少活塞環和汽缸之間·的磨擦損失，使發動機的機械效率得到改善，特別在高速時的效果尤為明顯。該技術的問題在於陶瓷塗層存在脆性，還存在與基體結合強度偏低的界面，產生應力剝落。從上世紀末到本世紀初，雙層輝光等離子表面冶金技術開始應用於金屬材料表面改性工程。它以普通的金屬材料產品為基體，生產出各種性能優異的高級金屬材料產品。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種高性能陶瓷活塞環製造技術。(以鑰金屬為例)本發明的基本構思是；採用雙層輝光等離子表面冶金技術，使鑰變成鑰離子，在電場力作用下，鑰離子沿著高溫下形成的無數晶體缺陷通道進入活塞環表層一定深度，再經真空離子碳化形成碳化鑰陶瓷層。本發明是通過以下技術方案實現的:1.將低合金鋼活塞環與鑰材置於低真空(8.0Pa)桶形陰極內相應位置，通入氬氣(氣壓30 40Pa)。經過兩次電流突變，形成雙層輝光放電，產生800 1000°C高溫。2.鑰材在高溫離子區迅速濺射出金屬原子，金屬原子在高能離子區中又被電離成鑰離子。3.鑰離子在電場力作用下沿著活塞環表面在高溫下形成的無數位錯、空位等晶體缺陷通道深入活塞環表層100 300 μ m。4.再經真空離子碳化，形成碳化鑰陶瓷層。
本發明技術製造的陶瓷活塞環由於其表層組織結構和性能發生了質的變化，與現有各種活塞環表面處理技術相比，具有以下優點:1、高硬度:HV1300 1500，是鉻鑰釩合金鋼環的3倍以上；2、摩擦係數低:活塞組摩擦減少50 % ；3、磨耗比僅為普通鋼環的1/5 ；4、陶瓷耐磨層深度可達100 300 μ m，是PVD與CVD陶瓷膜厚度的30 50倍，是氮化鋼環的6倍以上；5、熱穩定性好、抗擦傷能力強、耐高溫燃氣腐蝕；6、陶瓷耐磨層與活塞環基體是冶金結合、彌散分布、形成固溶體；和電鍍鉻、等離子噴鑰、等離子噴塗陶瓷層相比，不存在宏觀界面，不產生應力剝落；7、陶瓷耐磨層深入活塞環表層內，不增加表層厚度，其尺寸和形位精度都能保證。
雙層輝光等離子表面冶金裝置示意圖
具體實施例方式下面結合附圖給出實施例(以鑰金屬為例)主電源I輸出O 1000V供陰、陽極。陰極座7接主電源I負端，陽極8接主電源I正端。偏置電源2輸出O 450V供偏壓環3。真空室4有氬氣入口 5和真空抽氣口 6。桶形陰極9上端開口，極限真空度為8.0Pa,氬氣壓力為30 40Pa ;偏壓為240 450v。逐漸增大主電源電壓至500 600V，這時出現第一次電流突變、產生輝光；再繼續增大電壓至600 800V，出現第二次電流突變，正常輝光放電轉化成異常輝光放電，產生800 1000°C的高溫。桶形陰極9四周的鑰材11濺射出金屬原子，金屬原子在高能離子區中又被電離成金屬離子，鑰離子在電場力作用下沿著位錯、空位等晶體缺陷在高溫下形成的通道進入到活塞環10表層，深度達100 300 μ m。再經真空離子碳化，活塞環10表層形成碳化鑰陶瓷層。由本發明製成的高性能陶瓷活塞環的主要工藝流程如下:鋼帶繞環一淬、回火一內、外側倒角一雙層輝光等離子表面冶金一真空離子碳化—高壓氣體淬火一開口一珩磨一精磨側面一終檢。
權利要求
1.一種高性能陶瓷活塞環製造技術，其特徵在於:將普通低合金鋼活塞環與鑰(或鉻、鈦、鎢)材置於低真空(8.0Pa)桶形陰極內相應位置，然後通入氬氣(氣壓30 40Pa)。經過兩次電流突變，形成雙層輝光放電，產生800 1000°C高溫，形成氬離子和鑰離子。鑰離子沿著高溫下形成的晶體缺陷通道，深入活塞環基體內；經真空離子碳化，在活塞環表層形成碳化鑰陶瓷層。
2.根據權利要求1所述的高性能陶瓷活塞環製造技術，其特徵在於:鑰材在高溫離子區迅速濺射出金屬原子，金屬原子在高能離子區中又被電離成鑰離子。
3.根據權利要求1所述的高性能陶瓷活塞環製造技術，其特徵在於:鑰離子在電場力作用下沿著活塞環表面的位錯、空位等晶體缺陷在高溫下形成的通道深入活塞環表層100-300 μ mD
4.根據權利要求1所述的高性能陶瓷活塞環製造技術，其特徵在於:經真空離子碳化，活塞環表層形成碳化鑰( 或碳化鉻、碳化鈦、碳化鎢)陶瓷層。
全文摘要
本發明涉及高性能陶瓷活塞環製造技術。目前，活塞環表面處理技術主要包括電鍍鉻、表面氮化、PVD與CVD鍍膜、等離子噴鉬、等離子噴塗陶瓷塗層等，但都存在不同的性能缺陷，達不到理想的效果。本發明採用雙層輝光等離子表面冶金技術，使鉬(或鉻、鈦、鎢)元素深入普通低合金鋼活塞環表層內，再經真空離子碳化和後續熱處理，成為具有高硬度、高耐磨性等良好綜合機械性能的陶瓷活塞環。
文檔編號C23C8/38GK103194719SQ201210183090
公開日2013年7月10日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年1月5日
發明者曾雲發 申請人:曾雲發