专利名称：表面覆盖耐磨层的活塞环及其表面处理工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面覆盖耐磨层的活塞环及其表面处理工艺，属于活塞环表面处理技术领域。
背景技术：
活塞环作为内燃机关键的心脏零部件，其使用性能要求越来越高，尤其是表面的耐磨性成为衡量其性能的重要指标之一。为提高活塞环外圆面耐磨性，一般采用外圆面镀铬、喷钥、CKS、PVD等技术，基本上保证了活塞环外圆面的耐磨性，但环侧面未镀层。摩擦副双方的硬度必须匹配，才能获得好的磨损效果，而活塞环侧面在与活塞耐磨镶圈摩擦副匹配时，环侧面球墨铸铁表面硬度值HV340，耐磨镶圈的环槽表面HV306，两者的比值为1. 11，侧面HV较低。同时由于耐磨镶圈中有2 5%的条块状、带棱角的碳化物，其HV高达1250，对HV340的球墨铸铁环侧面形成犁削效应，使环侧面磨损较大。目前球墨铸铁和钢活塞环表面处理常用闪镀，例如镀铬、氮化等。氮化、镀铬工序时间约5小时，工艺较复杂。镀铬影响环保，成本较高；氮化生产率低，成本也较高。
发明内容
本发明目的是提供一种表面覆盖耐磨层的活塞环，旨在提高侧面硬度值，用来匹配耐磨镶圈的环槽，减少环侧面的磨损；同时提供一种工序简单、环保、成本低的活塞环表面处理工艺。本发明的解决方案是一种表面覆盖耐磨层的活塞环，其侧面耐磨层为N1-P化学镀层。活塞环N1-P化学镀层厚度O. 002 O. 004mm,硬度值HV460 600。上述活塞环侧面N1-P化学镀及热处理工艺包括以下步骤(I)配制含有浓度为 25-45g/L 的 NiSO4 · 6H20、15_28g/L 的 NaH2PO2 · H20,10_25g/L的柠檬酸钠、15-25g/L的醋酸钠、8-10g/L的硼酸钠、O. 05-0. lg/L的润湿剂、20_40mg/L的稳定剂和2-4mg/L的光亮剂的pH为4. 0-6. O的镀液；(2)将活塞环表面预处理；(3)将预处理完毕的活塞环放入80 95°C的镀液中，浸泡15 20分钟；(4)将镀膜完毕的活塞环取出，清洗烘干；(5)热处理在290-3KTC，保温2-4. 5小时，随炉冷却。其中步骤(I)可用公知的润湿剂、稳定剂和光亮剂。作为优选，润湿剂为聚乙二醇，稳定剂为碘酸盐，光亮剂为镉盐。上述步骤(5)中的热处理优选为在300°C，保温4-4. 5小时，随炉冷却。上述步骤提供的是一种中磷类N1-P化学镀工艺，中磷是指镀膜后膜层中含磷量为6-9% (质量比)。本发明提供的侧面覆盖N1-P化学镀层作为耐磨层的活塞环有如下优点
(I)N1-P化学镀层硬度值HV460 600，达到耐磨镶圈环槽HV306的1. 5倍以上，可以很好的匹配耐磨镶圈的环槽，有效地提高了活塞环侧面的耐磨性；(2)扫描电镜下观察，N1-P镀层较致密均匀，表面呈胞状结构，有助于改善耐磨(3)N1-P镀层HV为活塞环侧面球墨铸铁HV340的1. 5倍以上，且镀层摩擦系数比非表面处理球墨铸铁的小，大为改善了环侧面的耐磨性能；(4) N1-P镀层的膜基结合力好，镀层与活塞环侧面球墨铸铁基材结合强度好；(5) N1-P镀层相对活塞环工作温度的异变适应能力较强，能改善高温下活塞环的耐磨性；(6)Ni_P镀层有着与钢铁相近的线膨胀系数，在活塞环运行中，镀层不易脱落或剥离，优于镀铬、氮化层。本发明提供的活塞环N1-P化学镀工艺生产过程时间短、工序简单、环保、成本低，优于镀铬、氮化工艺。
图1为活塞环、活塞耐磨镶圈剖面图。图2为N1-P化学镀层热处理前Ni3P硬质相图。图3为N1-P化学镀层热处理后Ni3P硬质相图。图4为N1-P化学镀层表面形貌的扫描电镜图。图5为N1-P化学镀层表面压坑图。图6为快速磨损试验中活塞环试样与耐磨镶圈磨损状态图。图7为快速磨损试验中IOOMPa下四种配对副的摩擦系数对比图。图8为快速磨损试验中上、下试样配对副在IOOMPa下的总磨损量对比图。图9为采用N1-P化学镀层作侧面耐磨层的活塞环与侧面为普通球墨铸铁活塞环装车试验对比图。图中的I是活塞环侧面，2是活塞环外圆面，3是活塞耐磨镶圈的环槽，4是镀N1-P侧面，5是普通球墨铸铁侧面。
具体实施例方式为了便于理解本发明，以下用实施例予以说明。需要说明的是，以下实施例仅作为列举，不应视为对本发明的范围的限制。实施例1通过下述步骤制备侧面覆盖N1-P化学镀层的活塞环(I)镀液的配制。按 NiSO4 · 6H20 35g/L ；NaH2P02 · H2O 20g/L ;柠檬酸钠18g/L ；醋酸钠20g/L ;硼酸钠9g/L ;聚乙二醇0. 05-0. lg/L ;碘酸盐20-40mg/L ;镉盐2-4mg/L的浓度配比配置镀液。配置镀液时先将NiSO4 · 6H20、柠檬酸钠、醋酸钠、硼酸钠、聚乙二醇、碘酸盐和镉盐混合后加入到镀槽中，用蒸馏水加到镀槽额定容积的2/3，加热搅拌至药品完全溶解。再将NaH2PO2 · H2O单独放入一个桶内，加入镀槽额定容量1/3的蒸馏水，搅拌溶解后倒入镀槽。升温，视镀液PH大小用稀硫酸或氨水调节pH至5. 4，升温至85°C ；(2)活塞环表面预处理将外圆面已覆盖镀铬层的活塞环经汽油清洗后上挂具；在超声波清洗机内放入10-20%的脱脂剂，升温40_80°C，超声清洗；流动水洗；用浓度低于10%的硫酸清洗；流动水洗；55-65°C热水洗；(3)镀膜将预处理完毕的活塞环放入镀液槽中，保持85°C，镀膜15 20分钟，取出水洗并烘干。镀膜过程中可根据镀层厚度调整镀膜时间；(4)热处理在300°C时，保温4-4. 5小时后随炉冷却。热处理后N1-P膜因析出更多的Ni3P,并沉积在热处理前Ni3P硬质相颗粒上，使其表面积增大，造成材料单位面积的硬质相总面积增大(如图2、3)，导致表面HV值增大。经上述步骤得到侧面镀有N1-P化学镀层的活塞环，镀层厚度O. 0025 O. 0040mm,HV580 600。扫描电镜观察N1-P化学镀层表面形貌如图4，N1-P镀层已基本覆盖活塞环侧面，镀层较致密，表面呈胞状结构，有助于改善耐磨性。实施例2 按照实施例1 的方法按 NiSO4 · 6H20 25g/L ；NaH2PO2 · H2O 28g/L ;柠檬酸钠18g/L ;醋酸钠20g/L ;硼酸钠9g/L ;聚乙二醇0. 05-0. lg/L ;碘酸盐20-40mg/L ；镉盐2-4mg/L的浓度配比配置镀液，调节pH至5. 5。将活塞环预处理后，放入镀液槽中，保持90°C，镀膜15 20分钟，取出水洗并烘干。在300°C时，保温2-4. 5小时后随炉冷却。随着保温时间的增加表面HV值增大。得到侧面镀有N1-P化学镀层的活塞环，镀层厚度
O.002 O. 0025mm, HV460 600。实施例3 按照实施例1 的方法按 NiSO4 · 6H20 45g/L ；NaH2PO2 · H2O 15g/L ;柠檬酸钠18g/L ;醋酸钠20g/L ;硼酸钠9g/L ;聚乙二醇0. 05-0. lg/L ;碘酸盐20-40mg/L ；镉盐2-4mg/L的浓度配比配置镀液，调节pH至5。将活塞环预处理后，放入镀液槽中，保持90°C，镀膜15 20分钟，取出水洗并烘干。在290°C时，保温2小时后随炉冷却。得到侧面镀有N1-P化学镀层的活塞环，镀层厚度O. 002 O. 0025mm, HV460 480。实施例4 按照实施例1 的方法按 NiSO4 · 6H20 25g/L ；NaH2PO2 · H2O 15g/L ;柠檬酸钠10g/L ;醋酸钠15g/L ;硼酸钠8g/L ;聚乙二醇0. 05-0. lg/L ;碘酸盐20-40mg/L ；镉盐2-4mg/L的浓度配比配置镀液，调节pH至4。将活塞环预处理后，放入镀液槽中，保持80°C，镀膜15 20分钟，取出水洗并烘干。在290°C时，保温4-4. 5小时后随炉冷却。得到侧面镀有N1-P化学镀层的活塞环，镀层厚度O. 002 O. 0025mm, HV580 600。实施例5 按照实施例1 的方法按 NiSO4 · 6H20 45g/L ；NaH2PO2 · H2O 28g/L ;柠檬酸钠25g/L ;醋酸钠25g/L ;硼酸钠10g/L ;聚乙二醇0. 05-0. lg/L ;碘酸盐20-40mg/L ；镉盐2-4mg/L的浓度配比配置镀液，调节pH至6。将活塞环预处理后，放入镀液槽中，保持95°C，镀膜15 20分钟，取出水洗并烘干。在310°C时，保温2-4. 5小时后随炉冷却。得到侧面镀有N1-P化学镀层的活塞环，镀层厚度O. 0035、. 0040mm, HV460 600。将本发明的侧面覆盖N1-P化学镀层的活塞环作下述性能测试实验实验I当环境温度大于310°C到400°C时，N1-P镀层的HV值上升，当活塞环(一般工作温度< 400°C)在异常温度下，能改善高温下活塞环的耐磨性。但由于活塞环外圆面已有镀铬层，镀铬层在温度高于320°C时，其HV明显开始下降，严重影响活塞环的使用性能，所以本化学镀及热处理工艺热处理温度最佳为290-310°C。实验2Ni_P化学镀层的膜基结合试验按ASTM标准，将侧面覆盖N1-P化学镀层的活塞环放入马弗炉内，升温到250°C，保温I小时，从炉内取出活塞环淬入冷水中。淬后膜没有鼓泡、没有裂纹、光亮完整，完全符合要求。参照Hauzer方法，采用HRB测量方法，加载IOOkgf。对N1-P化学镀层测定的压坑图见图5，没有出现贯穿性裂纹，合格。实验3活塞环-活塞奥氏体镶圈快速磨损试验试验采用四种不同侧面处理方式的活塞环作为上试样，奥氏体铸铁镶圈作为下试样，组成不同的摩擦配对副，活塞环试样侧面特征如表I。表I活塞环(球墨铸铁)试样侧面特征
编号活塞环试样侧面特征1#球墨铸铁(无镀层)2#镀N1-P (按实施例1化学镀工艺、未热处理)3#镀N1-P〈按实施例1化学镀和热处理工艺〉4#镀N1-P〈低磷(膜层中含磷量< 6%)、未热处理〉试验在往复摩擦磨损试验机上进行。试验机转速200r/min，温度110°C，载荷lOOMPa，试验时间为4h。活塞环试样与耐磨镶圈磨损状态如图6，从左到右依次是1#、2#、3#、4#试样。IOOMPa条件下四种配对副的摩擦系数对比如图7，由图可知，3#配对副摩擦系数最小。上、下试样配对副在IOOMPa下的总磨损量对比如图8，由图可见，3#上试样与下试样配对副的总磨损量最小。试验结果表明镀N1-P并经300°C保温4-4. 5小时热处理后的试样与活塞奥氏体耐磨镶圈配对副综合性能最优，摩擦系数最低，总磨损量最小。实验4装车试验采用N1-P镀层作侧面耐磨层的活塞环匹配耐磨镶圈与非侧面处理的普通球墨铸铁活塞环和耐磨镶圈作装车对比试验。选用车型为BJ1021MT42，发动机型号为YC4F90-21。其中第一道环外圆面全部采用CKS球平环，一、三缸侧面镀N1-P耐磨层(按实施例1化学镀和热处理工艺)；二、四缸侧面为普球墨铸铁基材;油环全部采用CrN钢油环，共行驶了26511km。实验分为三个阶段(I)磨合期。运行了 1593km ; (2)全载全速过程。全速运行了 20563km，车速最高125km/h ; (3)超载50%和100%(载荷为额定载荷500kg的150%、200%即725kg、1000kg)共行驶4355km。结果如图9。侧面覆盖N1-P镀层的活塞环其侧面表面无明显磨痕及台阶,侧面磨损量较小(磨损量约为O. Olmm);普通球墨铸铁环表面磨痕及台阶明显，磨损较大(磨损量约为O. 04mm)。通过实地装车有效证明Ni_P镀层作活塞环侧面耐磨层匹配活塞耐磨镶圈摩擦小、总磨损量最小，有效解决了活塞环侧面与活塞耐磨镶圈这对摩擦副的匹配问题。
权利要求
1.一种表面覆盖耐磨层的活塞环，其特征在于侧面耐磨层为N1-P化学镀层。
2.按照权利要求1所述的表面覆盖耐磨层的活塞环，其特征在于N1-P化学镀层厚度O.002 O. 004mm,硬度值 HV460 600。
3.权利要求2所述活塞环的侧面N1-P化学镀及热处理工艺，其特征在于包括以下步骤(1)配制含有浓度为25-45g/L 的 NiSO4 · 6H20、15_28g/L 的 NaH2PO2 · H20、10_25g/L 的柠檬酸钠、15_25g/L的醋酸钠、8-10g/L的硼酸钠、O. 05-0. lg/L的润湿剂、20_40mg/L的稳定剂和2-4mg/L的光亮剂的pH为4. 0-6. O的镀液；(2)将活塞环表面预处理；(3)将预处理完毕的活塞环放入80 95°C的镀液中，浸泡15 20分钟；(4)将镀膜完毕的活塞环取出，清洗烘干；(5)热处理在290-310°C，保温2-4.5小时，随炉冷却。
4.按照权利要求3所述的N1-P化学镀及热处理工艺，其特征在于步骤(I)中的润湿剂为聚乙二醇，稳定剂为碘酸盐，光亮剂为镉盐。
5.按照权利要求3所述的N1-P化学镀及热处理工艺，其特征在于步骤(5)中的热处理为在300°C，保温4-4. 5小时，随炉冷却。
全文摘要
本发明公开了一种表面覆盖耐磨层的活塞环及其表面处理工艺，活塞环侧面耐磨层为Ni-P化学镀层，镀层硬度达到HV460～600，可以很好的匹配耐磨镶圈的环槽，提高了环侧面的耐磨性，对活塞环机械性能影响良好。公开的Ni-P化学镀和热处理工艺将活塞环预处理后放入80-95℃的镀液中，浸泡15-20分钟，然后水洗烘干，在290-310℃保温2-4.5小时，该工艺工序简单、环保、成本低，优于镀铬、氮化工艺。
文档编号F02F5/00GK103061914SQ201310014229
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月15日 优先权日2013年1月15日
发明者陆军, 张立新, 杨春梅 申请人:湖南正圆动力配件有限公司