專利名稱：氮化鍍鋯活塞環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種活塞環(huán)，尤其涉及一種表面鍍鋯的復(fù)合層活塞環(huán)。
背景技術(shù)：
一般地，活塞環(huán)組件包括第一道氣環(huán)、第二道氣環(huán)以及組合油環(huán)。在 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，活塞環(huán)組件是使用條件最為苛刻的零配件，其需要在高溫 高壓的條件下進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)、徑向運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，在耐磨性、貯 油性、硬度、耐蝕性、韌性、彈性、耐熱性等方面對(duì)活塞環(huán)的材質(zhì)和結(jié)構(gòu) 提出了很高的要求。其中，第一道氣環(huán)直接與燃燒室接觸，承受著極大的爆發(fā)沖擊力，而 且潤(rùn)滑條件又最差。 一般地，第一道氣環(huán)的外環(huán)面被做成圓柱面，這有利 于潤(rùn)滑油膜的形成。其中，第二道氣環(huán)為了控制機(jī)油上竄， 一般都將其外環(huán)面制成錐面或者上部分為錐面下部分為柱面，其錐角約1。30，±15'。錐面 既能在活塞上行時(shí)的滑動(dòng)面上布下油膜，又能在活塞下行時(shí)有效地刮去缸 壁下端的多余機(jī)油。其中，油環(huán)組件由上刮片、襯簧、下刮片構(gòu)成。上、 下刮片能夠分別動(dòng)作，即使對(duì)于正圓度較差的汽缸來(lái)說(shuō)，也具有良好的順 應(yīng)性，而且能在環(huán)槽的上下兩端面之間保持對(duì)機(jī)油的氣密作用。為了增大活塞環(huán)的表面硬度及耐磨性，并降低其摩擦系數(shù)，本領(lǐng)域常 用方法是對(duì)活塞環(huán)的工作表面進(jìn)行鍍鉻處理。鍍鉻層硬度高，可貯存少量 的潤(rùn)滑油，以改善潤(rùn)滑條件。如中國(guó)專利第02148600.X號(hào)所揭示的一種鉻 基陶瓷復(fù)合鍍層加工方法及其活塞環(huán)，其工藝步驟依次為 一、取直徑 12-400毫米的活塞環(huán)，在鉻酐150-350克/升、硫酸l-4克/升、三價(jià)鉻2-10
克/升及適量催化劑AFC的槽液中，在電流密度40-100安/平方分米條件下 先鍍一層硬鉻，電鍍時(shí)間5-40分鐘，厚度IO-50微米；二、采用物化手段 處理鉻層網(wǎng)紋，使它密度為40-200條/毫米、深度為2-20微米及寬度為0.1-5 微米；三、將陶瓷微粒嵌入這些網(wǎng)紋中并固定，這些陶f(shuō);材料為氮化硅 或碳化硅或三氧化二鋁陶瓷微粉以及這些陶瓷微粉兩種或兩種以上的混 合物，微粒粒度范圍為0.05-10微米；四、在鉻酑150-350克/升、硫酸1-4 克/升、三價(jià)鉻2-10克/升及適量催化劑AFC的槽液中，在電流密度40-100 安/平方分米條件下鍍一層硬鉻，電鍍時(shí)間為2-5分鐘，將已嵌入陶資微粒 的網(wǎng)紋覆蓋、封閉；五、重復(fù)工藝步驟1-4進(jìn)行循環(huán)，使鉻層厚度為0.05-0.40 毫米。但是，這種活塞環(huán)制備工藝復(fù)雜，并且，隨著車用發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步 強(qiáng)化，活塞環(huán)組件的工作溫度也越來(lái)越高，鍍鉻活塞環(huán)越來(lái)越難以滿足發(fā) 動(dòng)機(jī)惡劣工況的凌-求。為了適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，本領(lǐng)域的技術(shù)人開發(fā)了各種各樣的陶瓷復(fù)合 鍍層活塞環(huán)，如中國(guó)專利申請(qǐng)第200510095480.5號(hào)所揭示的一種于引擎活 塞環(huán)的表面運(yùn)用的硬質(zhì)復(fù)合納米陶資薄膜的鍍層，其利用通用的淀積固體 薄膜的加工技術(shù)(包括真空蒸發(fā)、磁控賊射、離子束'踐射、離子鍍、液相 外延、化學(xué)束外延、分子束外延、脈沖激光淀積、電化學(xué)淀積、化學(xué)氣相 沉積及物理氣相沉積)加以實(shí)現(xiàn)。其中，先于基底材料上形成若干層納米 結(jié)構(gòu)的金屬間化合物薄膜(如氮化鈦、氮化鉿、鋁化鈦、碳化鴒、氮化鋁 鈦、氮碳化鈦等)，之后于金屬間化合物薄膜上形成若干層納米陶資鍍層 薄膜(如氧化鈦、氧化鋯、氮化鋯、氧化鈷、氧化鉻等)。但是，第 200510095480.5號(hào)專利申請(qǐng)所揭示的具有硬質(zhì)復(fù)合納米陶資薄膜鍍層的活 塞環(huán)不能實(shí)現(xiàn)硬度和韌性雙高，從而難以獲得最佳性能。因而，需要提供一種耐磨性好、摩擦系數(shù)低、硬度高、韌性高的氮化 鍍鋯活塞環(huán)以解決上述問題。發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種硬度和韌性雙高的氮化 鍍鋯活塞環(huán)。本實(shí)用新型的一種技術(shù)方案是提供一種氮化鍍鋯活塞環(huán)，包括一設(shè)有開口的環(huán)狀基體、 一至少設(shè)置在環(huán)狀基體外環(huán)面上的氮化物環(huán)層以及至 少設(shè)置在氮化物環(huán)層外環(huán)面上的第一鋯基陶瓷層，其中，氮化鍍鋯活塞環(huán) 進(jìn)一步包括至少設(shè)置在第一鋯基陶瓷層外環(huán)面上且硬度小于第一鋯基陶 瓷層的第二鋯基陶資層。所謂氣化物環(huán)層至少設(shè)置在環(huán)狀基體外環(huán)面上，可以是環(huán)狀基體的外 表面均設(shè)有氮化層，即，環(huán)狀基體的上表面、下表面、內(nèi)環(huán)面、外環(huán)面均設(shè)有氮化層；或者，也可以是僅有環(huán)狀基體的外環(huán)面設(shè)有氮化層，且為氮 化物環(huán)層。所謂第一鋯基陶瓷層至少設(shè)置在氮化物環(huán)層外環(huán)面上，可以是第一鋯 基陶瓷層遍布氮化鍍鋯活塞環(huán)的所有表面，即氮化鍍鋯活塞環(huán)的上表面、 下表面、內(nèi)環(huán)面、外環(huán)面均設(shè)有第一鋯基陶瓷層；或者，也可以是僅有氮 化鍍鋯活塞環(huán)的外環(huán)面設(shè)有第 一鋯基陶乾層，且第 一鋯基陶資層與環(huán)狀基 體的外環(huán)面之間還設(shè)有氮化物環(huán)層，即氮化物環(huán)層的內(nèi)環(huán)面結(jié)合于環(huán)狀基 體的外環(huán)面，氮化物環(huán)層的外環(huán)面結(jié)合于第 一鋯基陶f(shuō):層。具體地，第一鋯基陶瓷層與第二鋯基陶乾層的總厚度為2~10微米。 優(yōu)選地，第一鋯基陶瓷層與第二鋯基陶資層的總厚度為3~5微米?？晒┻x擇地，第一鋯基陶瓷層的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度為1~5微 米，第二鋯基陶瓷層的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度為1~5微米。具體地，氮化鍍鋯活塞環(huán)的表面顯微硬度為2000~4000HV0.05,摩擦 系數(shù)為0.005-0.050。優(yōu)選地，氮化鍍鋯活塞環(huán)的表面顯微硬度為 2700~3200HV0.05,摩擦系數(shù)為0.020~0.024。其中，氮化物環(huán)層的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度為30~150微米。優(yōu) 選地，氮化物環(huán)層的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度為50~100微米。其中，氮化物環(huán)層的表面顯微硬度為600~1500HV0.2,摩擦系數(shù)為0.080-0.100。優(yōu)選地，氮化物環(huán)層的表面顯微硬度為900~1250HV0.2,摩 擦系數(shù)為0.090-0.093。其中，氮化鍍鋯活塞環(huán)可以為活塞環(huán)組件中的任意一個(gè)或多個(gè)?？晒┻x擇地，氮化鍍鋯活塞環(huán)為活塞環(huán)組件中的第一道氣環(huán)，環(huán)狀基 體的外環(huán)面為柱面。可供選擇地，氮化鍍鋯活塞環(huán)為活塞環(huán)組件中的第二道氣環(huán)，環(huán)狀基 體的外環(huán)面為錐面?？晒┻x擇地，氮化鍍鋯活塞環(huán)為活塞環(huán)組件中的組合油環(huán)中的上刮 片、下刮片或者襯簧。本實(shí)用新型的氮化鍍鋯活塞環(huán)的鋯層薄膜中存在多種合金鋯相，在這 些相中隨機(jī)分布著許多微小的晶體微粒。晶體結(jié)構(gòu)具有一定的自潤(rùn)滑功 能。另外，這些相之間又形成一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠存油，有 助于潤(rùn)滑。以上優(yōu)點(diǎn)有助于降低運(yùn)動(dòng)中的摩擦系數(shù)，進(jìn)而降低燃油消耗、 減小活塞環(huán)和汽缸體的磨損，并且可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲。本實(shí)用新型的氮化鍍鋯活塞環(huán)的環(huán)狀基體材料可以為高速鋼、球墨鑄 鐵、鑄鐵、不銹鋼、特種合金、碳素鋼、純鈦、高溫合金、有色合金、銅 等。本實(shí)用新型的氮化鍍鋯活塞環(huán)可以用在各種車輛、船舶或機(jī)床的發(fā)動(dòng) 機(jī)的活塞上，可以是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、乙醇發(fā)動(dòng) 機(jī)或者混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。本實(shí)用新型的有益效果是首先，本實(shí)用新型的氮化鍍鋯活塞環(huán)采用 設(shè)置在第 一鋯基陶瓷層外環(huán)面上且硬度小于第 一鋯基陶瓷層的第二鋯基 陶瓷層，使活塞環(huán)既具有優(yōu)良的硬度性能又具有優(yōu)良的韌性，從而在活塞 環(huán)的表面形成一種具有梯度變化的功能性材料，提高了材料的抗彎曲能 力，使這種材料不易變形、斷裂或脫落；其次，本實(shí)用新型的氮化鍍鋯活 塞環(huán)耐磨性好、耐腐蝕性好、摩擦系數(shù)低、鍍層與基體材料結(jié)合牢固(結(jié) 合強(qiáng)度大于等于40N/mm2),提高了活塞環(huán)和缸套的使用壽命，改善了發(fā)
動(dòng)機(jī)的整體性能，高效節(jié)能，啟動(dòng)快，工作有勁；此外，本實(shí)用新型的氮 化鍍鋯活塞環(huán)的制備過(guò)程環(huán)保衛(wèi)生，不會(huì)造成環(huán)境污染，并且隨著發(fā)動(dòng)機(jī) 整體性能的提升，尾氣排放性能也大幅度提升，減輕了尾氣對(duì)環(huán)境的污染。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型，但本實(shí)用新型不 局限于這些實(shí)施例，任何在本實(shí)用新型基本精神上的改進(jìn)或替代，仍屬于 本實(shí)用新型權(quán)利要求書中所要求保護(hù)的范圍。附困說(shuō)明


圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的氮化鍍鋯活塞環(huán)的示意圖。圖2為
圖1中A-A線截面剖視圖的放大示意圖。具體實(shí)^i方式實(shí)施例i如
圖1、圖2所示，本實(shí)用新型的氮化鍍鋯活塞環(huán)為活塞環(huán)組件中的 第一道氣環(huán)，其包括一設(shè)有開口 12的環(huán)狀基體10、 一設(shè)置在環(huán)狀基體IO 外環(huán)面上的氮化物環(huán)層16、設(shè)置在氮化物環(huán)層16外環(huán)面上的第一鋯基陶 瓷層17以及設(shè)置在第一鋯基陶乾層17外環(huán)面上的第二鋯基陶瓷層18。其中，第一鋯基陶瓷層17和第二鋯基陶瓷層18是利用真空高壓電場(chǎng) 作用下的等離子體物理氣相沉積技術(shù)制備，并且，先制備硬度較高的第一 鋯基陶瓷層17,然后制備硬度較低的第二鋯基陶瓷層18。具體地，環(huán)狀基體io的外環(huán)面為柱面。第一鋯基陶資層n的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度約為2微米，第二鋯基陶資層18的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面 之間的厚度約為1微米。氮化鍍鋯活塞環(huán)的表面顯微硬度約為 3200HVO.05,摩擦系數(shù)約為0.024。具體地，氮化物環(huán)層16的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度為100微米。 氮化物環(huán)層的表面顯微硬度為1250HV0.2,摩擦系數(shù)為0.093。 實(shí)施例2作為本實(shí)用新型的另一種實(shí)施方式，其它部分與實(shí)施例l相同，不同 之處在于氮化鍍鋯活塞環(huán)為活塞環(huán)組件中的第二道氣環(huán)，其包括一設(shè)有開口的 環(huán)狀基體，且該環(huán)狀基體的外環(huán)面為錐面。第一鋯基陶瓷層的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度約為3微米，第二鋯基 陶瓷層的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度約為2微米。氮化鍍鋯活塞環(huán)的表面 顯微硬度約為2700HV0.05,摩擦系數(shù)約為0.020。氮化物環(huán)層的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度為50微米。氮化物環(huán)層的 表面顯微硬度為900HV0.2,摩擦系數(shù)為0.090。實(shí)施例3作為本實(shí)用新型的另一種實(shí)施方式，其它部分與實(shí)施例l相同，不同 之處在于氮化鍍鋯活塞環(huán)為活塞環(huán)組件中的組合油環(huán)，其包括上刮片、襯簧、 下刮片。其中，上刮片、村簧以及下刮片均設(shè)有氮化物環(huán)層、第一鋯基陶 瓷層以及第二鋯基陶資層。第一鋯基陶瓷層的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度約為5微米，第二鋯基 陶瓷層的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度約為3微米。氮化鍍鋯活塞環(huán)的表面 顯微硬度約為3000HV0.05,摩擦系數(shù)約為0.022。氮化物環(huán)層的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度為80微米。氮化物環(huán)層的 表面顯微硬度為1000HV0.2，摩擦系數(shù)為0.091。
權(quán)利要求1、一種氮化鍍鋯活塞環(huán)，包括一設(shè)有開口的環(huán)狀基體、一至少設(shè)置在所述環(huán)狀基體外環(huán)面上的氮化物環(huán)層以及至少設(shè)置在所述氮化物環(huán)層外環(huán)面上的第一鋯基陶瓷層，其特征在于，所述氮化鍍鋯活塞環(huán)進(jìn)一步包括至少設(shè)置在所述第一鋯基陶瓷層外環(huán)面上且硬度小于所述第一鋯基陶瓷層的第二鋯基陶瓷層。
2、 如權(quán)利要求1所述的氮化鍍鋯活塞環(huán)，其特征在于，所述第一鋯 基陶瓷層與所述第二鋯基陶瓷層的總厚度為2~ 10微米。
3、 如權(quán)利要求2所述的氮化鍍鋯活塞環(huán)，其特征在于，所述第一鋯 基陶瓷層與所述第二鋯基陶瓷層的總厚度為3~5微米。
4、 如權(quán)利要求2所述的氮化鍍鋯活塞環(huán)，其特征在于，所述第一鋯 基陶瓷層的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度為1~5微米，所述第二鋯基陶瓷 層的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度為1~5微米。
5、 如權(quán)利要求1所述的氮化鍍鋯活塞環(huán)，其特征在于，所述氮化鍍 鋯活塞環(huán)的表面顯微硬度為2000~4000HV0.05,摩擦系數(shù)為0.005~0.050。
6、 如權(quán)利要求1所述的氮化鍍鋯活塞環(huán)，其特征在于，所述氮化物 環(huán)層的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度為30~ 150微米。
7、 如權(quán)利要求6所述的氮化鍍鋯活塞環(huán)，其特征在于，所述氮化物 環(huán)層的內(nèi)環(huán)面與外環(huán)面之間的厚度為50~100微米。
8、 如4又利凌-求1 7之一所述的氮化鍍4告活塞環(huán)，其特4正在于，所述 氮化鍍鋯活塞環(huán)為活塞環(huán)組件中的第 一道氣環(huán)，所述環(huán)狀基體的外環(huán)面為 柱面。
9、 如權(quán)利要求1 7之一所述的氮化鍍鋯活塞環(huán)，其特征在于，所述 氮化鍍鋯活塞環(huán)為活塞環(huán)組件中的第二道氣環(huán)，所述環(huán)狀基體的外環(huán)面為錐面。
10、 如權(quán)利要求1~7之一所述的氮化鍍鋯活塞環(huán)，其特征在于，所 述氮化鍍鋯活塞環(huán)為活塞環(huán)組件中的組合油環(huán)中的上刮片、下刮片或者襯簧。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種氮化鍍鋯活塞環(huán)，其包括一設(shè)有開口的環(huán)狀基體、一至少設(shè)置在環(huán)狀基體外環(huán)面上的氮化物環(huán)層以及至少設(shè)置在氮化物環(huán)層外環(huán)面上的第一鋯基陶瓷層，其中，氮化鍍鋯活塞環(huán)進(jìn)一步包括至少設(shè)置在第一鋯基陶瓷層外環(huán)面上且硬度小于第一鋯基陶瓷層的第二鋯基陶瓷層。本實(shí)用新型的氮化鍍鋯活塞環(huán)耐磨性好、耐腐蝕性好、摩擦系數(shù)低、鍍層與基體材料結(jié)合牢固，提高了活塞環(huán)和缸套的使用壽命，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。
文檔編號(hào)F16J9/26GK201050596SQ20072004773
公開日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2007年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月23日
發(fā)明者楠 徐 申請(qǐng)人:楠 徐