专利名称：耐磨损高硬度活塞环及制作工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面涂覆有耐磨膜层的活塞环及制作工艺。
活塞环是内燃机中的关键零件，分为气环和油环。气环的作用是与活塞一起密封气缸工作腔，要求有良好的密封作用;油环的作用是使气缸壁面的润滑油均匀分布，并避免多余的润滑油窜入燃烧室，造成积碳和增大润滑油的消耗量。目前活塞多采用合金铸铁如PCrM0CuM-V-Tl等制造，其制作工艺一般为筒体铸造→机加工→热定形→内外圆加工→表面处理→精整定形→成品。
除了合金铸铁活塞环，还有用弹簧钢如60Sl2Mn，不锈钢如1Cr13等制成的活塞环。
活塞环进行表面处理的目的是提高耐磨性，改善与气缸壁的磨合性能。通常在气环的工作面上镀铬，油环镀锡或磷化，也有采用表面喷铜，离子氮化等表面处理工艺。
传统的表面处理多采用化学镀的方法，加工工艺受多种因素的影响，成品率不高，以镀铬环为例，镀铬后不合格率高达35%以上，化学镀工艺排放污水，镀铬废水中的Cr2O2-2危害人畜，环境污染严重，是环保部门要求防治的重点，不但防治工程较大，投资也高。
气缸体内表面与活塞环是一对摩擦副，有相当的匹配要求，但目前我国的活塞环和气缸套都由各自厂家单独生产，气缸表面硬度要求较高，合理的摩擦副不易建立，活塞环寿命普遍不高，影响内燃机的使用寿命。另外，活塞环是装卡在铝合金活塞槽上下侧面拉毛使窜气量增加，造成过热或铝粘着，甚至出现拉缸，使内燃机功率下降。
本发明的目的在于提供一种表面涂覆有耐磨损高硬度膜，能耐高温、抗腐蚀、适合在高温介质下工作，不易产生拉缸、粘铝现象，便于维修以及使用寿命长的活塞环，并提供一种涂覆膜均匀稳定，成品率高，生产成本低，无三废排放的活塞环制作工艺。
本发明的技术解决方案是在活塞环的表面采用气相沉积技术镀覆高熔点、高硬度的金属氮化物膜、碳化物膜或氧化物膜，也可镀覆两种或两种以上上述金属化合物的复合层，膜层厚2～3μm，膜层硬度HV101900～2000。
在本发明中，金属氮化物可采用TiN、CrN等;金属碳化物可采用TiC;金属氧化物可采用Al2O3。
本发明的耐磨损高硬度活塞环的制作工艺是简体铸造→机加工→热定形→内外圆加工→表面处理→精整定形→成品，其特征是表面处理包括以下步骤a、将粗加工后的活塞环在30～50℃的金属清洗剂中，浸泡20～30分钟，接着用金属清洗剂在常温下超声清洗5～8分钟，然后用洁净水冲洗3～5分钟;
b、将上述活塞环在常温下用去离子水超声清洗2～5分钟，再用去离子水漂洗1～3分钟;
c、将上述活塞环用无水酒精脱水后，夹持在物理气相沉积专用设备中的专用夹具上，准备镀膜;
d、启动真空泵，打开扩散泵电源及加热器电源，使炉内温度均匀上长至120～130℃，40～50分钟后打开高真空阀门，预抽真空度至1～2×10-3Pa，e、往炉体内充入Ar气，调整炉压至4×10-1～2×100Pa，在300～500V的偏压和250～260℃的温度下，使工件旋转，进行离子轰击3～5分钟;
f、关闭Ar气阀门，抽真空度至1～2×10-3Pa，打开气源阀门，气源压力控制在1×10-1～4×10-1Pa，在100～250V偏压，45～70A的弧源电流、20～40V的弧压和350～360℃的温度下处理40～60分钟;
g、关闭弧源、偏压及气源，将活塞环随炉冷却至100℃，出炉、检验、包装、得到成品。
在本发明中，可根据镀膜化合物成分的不同，选用Ti、Zr、Hf、Cr、Al作弧靶。
在本发明中，气源可根据镀膜化合物成分的不同，选择纯净的氮气、氧气和乙炔。
如欲在活塞环表面涂覆复合涂层，如TiN-Al2O3复合涂层，可在成膜设备中预先装上Ti弧靶和Al弧靶，先按涂TiN的工艺操作，此时Al弧靶不开启使用，然后关闭Ti靶电源和N2气源，启动Al靶电源和O2气源，再按涂覆Al2O3涂层的工艺操作，即可得到TiN-Al2O3复合涂层。
本发明适合于铸铁环、钢环、不锈钢环，适合于各种圆形、桶形、锥面形、梯形活塞环，还适用于已有镀铬层或经离子氮化后的活塞环。
本发明的耐磨损高硬度活塞环可耐高温，抗腐蚀，适合在高温介质下工作，不易产生拉缸、粘铝现象，与传统的镀铬环相比，可提高使用寿命2倍或2倍以上;该活塞环膜层与金属缸体的摩擦系数小，干摩擦性能优越，与各种材料的缸套或缸体都能良好配对，稍加摩合即可建立起较理想的摩擦副，对维修提供了极大的方便，提高了缸与活塞环的互换性。
本发明的耐磨损高硬度活塞环的制作工艺在进行表面处理时采用物理气相沉积的方法，用机械工装夹具夹持活塞环在真空状态下镀膜，变形小，膜层均匀稳定，成品率可过95%，还可降低生产成本，另外，该工艺无三废排放，不会造成环境污染。
图1为本实用新型的工作原理图。
下面结合附图和实施例对本发明作更为详细的说明。
实施例1该耐磨损高硬度活塞环表面镀有ZrN膜，膜层厚2μm，膜层硬度HV102000。该活塞环的制作工艺为筒体铸造→机加工→热定形→内外圆加工→表面处理→精整定型→成品，本发明表面处理的具体步骤是a、将内外圆加工后的活塞环在35±2℃的金属清洗剂中，浸泡25分钟，接着用金属清洗剂在常温下超声清洗5分钟，再用洁净水冲洗4分钟;
b、将上述活塞环在常温下用去离子水超声清洗5分钟，再用去离子水漂洗2分钟。
c、将活塞环用无水酒精脱水后，夹持在物理气相沉积专用设备中的专用夹具上，用Zr作弧靶，准备镀膜;
d、启动真空泵，打开扩散泵电源及加热器电源，使炉内温度均匀上升至121±1℃，50分钟后打开高真空阀门，预抽真空度至1.5×10-3Pa;
e、往炉体内充入Ar气，调整炉压至8×10-1Pa，在300V的偏压和252±1℃的温度下，使工件旋转，进行4分钟的离子轰击;
f、关闭Ar气阀门，抽真空度至1.5×10-3Pa，打开氮气阀门，氮气压力控制在2×10-1Pa，在150V的偏压，60A的弧源电流、30V的弧压和355±1℃的温度下处理50分钟;
g、关闭弧源，偏压及N2气源，将活塞环随炉冷却至100℃，出炉、检验、包装，得到成品。
实施例2该耐磨损高硬度活塞环表面镀有TiC膜层，膜层厚3μm，膜层硬度HV101900。该活塞环的制作工艺为筒体铸造→机加工→热定形→内外圆加工→表面处理→精整定形→成品。本活塞环表面处理的具体步骤如下a、将内外圆加工后的活塞环在40°±1℃的金属清洗剂中，浸泡28分钟，接着用金属清洗剂在常温下超声清洗6分钟，再用洁净水冲5分钟;
b、将上述活塞环在常温下用去离子水超声清洗3分钟，再用去离子水漂洗3分钟;
c、将活塞环用无水酒精脱水后，夹持在物理气相沉积专用设备中的专用夹具上，用Ti作弧靶，准备镀膜;
d、启动真空泵，打开扩散泵电源及加热器电源，使炉内温度均匀上升至127±1℃，40分钟后打开高真空阀门，预抽真空度至2×10-3Pa;
e、往炉体内充入Ar气，调整炉压至1.5Pa，在450V的偏压和258±1℃的温度下，使工件旋转，进行5分钟的离子轰击;
f、关闭Ar气阀门，抽真空度至1.8×10-3Pa，打开C2H2阀门，C2H2压力控制在3×10-1Pa，在200V的偏压，50A的弧源电流、40V的弧压和352±1℃的温度下处理55分钟;
g、关闭弧源、偏压及C2H2气源，将活塞环随炉冷却至100℃，出炉、检验、包装。得到成品。
实施例3
该耐磨损高硬度活塞环表面镀有A2O3膜层，膜层厚2μm，膜层硬度HV101950。
该活塞环的制作工艺中，选用Al作为弧靶，选用氧气作为气源，其余步骤和工艺条件与实施例1相同。
权利要求
1.一种耐磨损高硬度活塞环，活塞环表面覆有耐磨膜层，其特征在于耐磨膜层为高熔点、高硬度的金属氮化物、碳化物或氧化物层，也可是两种或两种以上上述金属化合物的复合层，膜层厚2～3μm，膜层硬度HV101900～2000。
2.根据权利要求1所述的耐磨损高硬度活塞环，其特征在于，金属氮化物可采用TiN、ZrN、HfN、CrN，金属碳化物可采用TiC，金属氧化物可采用Al2O3。
3.由权利要求1所述的耐磨损高硬度活塞环的制作工艺，包括筒体铸造、机加工、热定形、内外圆加工、表面处理和精整定形，其特征在于表面处理的步骤如下a、将粗加工后的活塞环在30～50℃的金属清洗剂中，浸泡20～30分钟，接着用金属清洗剂在常温下超声清洗5～8分钟，然后用洁净水冲洗3～5分钟。b、将上述活塞环在常温下用去离子水超声清洗2～5分钟，再用去离子水漂洗1～3分钟，c、将活塞环用无水酒精脱水后，夹持在物理气相沉积专用设备中的专用夹具上，准备镀膜，d、启动真空泵，打开扩散泵电源及加热器电源，使炉内温度均匀上升至120～130℃，40～50分钟后打开高真空阀门，预抽真空度至1～2×10-3Pa，e、往炉体内充入Ar气，调整炉压至4×10-1～2×100Pa，在300～500V的偏压和250～260℃的温度下，使工件旋转，进行离子轰击3～5分钟，f、关闭Ar气阀门，抽真空度至1～2×10-3Pa，打开气源阀门，气源压力控制在1×10-1～4×10-1Pa，在100～250V的偏压，45～70A的弧源电流，20～40V的弧压和350～360℃的温度下处理40～60分钟，g、关闭弧源、偏压及气源，将活塞环随炉冷却至100℃，出炉、精整定形、检验、包装，得到成品。
4.根据权利要求3所述的耐磨损高硬度活塞环的制作工艺，其特征在于根据镀膜化合物成分的不同，可选用Tl、Zr、Hf、Cr、Al作为弧靶。
5.根据权利要求3或4所述的耐磨损高硬度活塞环的制作工艺，其特征在于根据镀膜化合物成分的不同，可选用氮气、氧气和乙炔作为气源。
全文摘要
一种表面涂覆有耐磨膜层的活塞环及制作工艺，耐磨层为高熔点、高硬度的金属氮化物、碳化物或氧化层，也可是两种或两种以上上述金属化合物的复合层，膜层厚2～3μm，膜层硬度HV
文档编号F16J9/28GK1102693SQ9410913
公开日1995年5月17日 申请日期1994年8月17日 优先权日1994年8月17日
发明者王亚平, 廖钟亮, 闵建斌 申请人:王亚平