專利名稱：耐磨部件，特別是內燃機活塞環(huán)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及耐磨部件，尤其是與鋁合金接觸并保持緊密接觸的耐磨部件。更具體地說，本發(fā)明涉及一種活塞環(huán)，該活塞環(huán)具有一適合用于內燃機鋁合金活塞組件中的耐磨表面。
由于現在內燃機的功率及轉速越來越高，因此作用于活塞環(huán)，尤其第一道活塞環(huán)上的壓力的熱負荷越來越高。因鋁合金廣泛用于汽車發(fā)動機的活塞中，因此下述的粘附磨損極易產生。
參見

圖11示出了一種車用四沖程汽油機，特別是示出了一活塞及其外圓周部件。該四沖程發(fā)動機在活塞11的兩個往復過程期間進行由進氣、壓縮，燃燒及排氣構成的四沖程。它們重復進行這些沖程。一曲軸位于平衡18之后，因此在該圖中沒有畫出，該曲軸經連桿17由上述所述的作往復運動的活塞驅動旋轉。
圖11所示沖程為進氣沖程的最后階段，其中進氣閥保持關閉，然后將經進氣支管29及缸頭21中的進氣口22引入氣缸的混合氣由向上移動的活塞11壓縮。當給火花塞24通電時，該壓縮的混合氣以爆燃方式燃燒并使活塞11向下移動。
該第一和第二活塞環(huán)12和13分別設置位于活塞11和缸套15之間的密封接觸，而油環(huán)14調節(jié)供給適當的潤滑油，這些環(huán)12，13及14依次按朝下的方向布置并配裝于活塞11的環(huán)槽中。在這些活塞環(huán)中，尤其是第一道氣環(huán)12是暴露于高的燃氣溫度中的。
該進氣閥23只有在進氣沖程時才開啟。該排氣閥在圖11中藏于該進氣閥23之后，因此圖中未示出，該排氣閥只有在排氣沖程時才開啟。這些閥由一搖臂27開啟并開關，該搖臂27與凸輪28相連并由該凸輪驅動。這些閥總是由閥簧26作用在關閉方向移動。
參照圖9和10，它們是活塞環(huán)與活塞的放大圖，環(huán)槽11a，11b及11c形成于該活塞11上。第一氣環(huán)12，第二氣環(huán)13及油環(huán)14以這樣的方式分別裝于環(huán)槽11a，11b及11c中，即在各環(huán)與環(huán)槽的兩側壁之間稍稍形成一點間隙。
通常耐磨部件具有這樣的特性，即其磨損很小，此外與該耐磨件滑動接觸的相對件的磨損是小的。因此，此處之耐磨具體地說來是表示為活塞環(huán)之上下表面的磨損較小，而環(huán)槽的磨損也較小。以下參照附圖9和10對活塞環(huán)所需的耐磨性進行詳細說明。
當活塞11朝下移動時，該第一和第二氣環(huán)12和13分別抵靠在并緊緊壓縮在活塞環(huán)槽11a和11b的上表面上。在另一方面，當活塞11向上運動時，該第一和第二氣環(huán)12和13分別抵靠在并緊緊壓緊在該環(huán)槽11a和11b的下表面上。由于這種抵靠及壓緊作用以與發(fā)動機轉速成正比的頻率反復進行，因此在更高的發(fā)動機轉速下，該活塞環(huán)易于受更嚴厲的沖擊作用。在活塞11往復運動同時，該第一和第二氣環(huán)12，13在環(huán)槽11a，11b中繞活塞外圓周不規(guī)則地移動。因此該第一和第二氣環(huán)12，13不僅易于受壓緊接觸作用而且易于受滑動接觸作用。
此外，尤其是該第一氣環(huán)12暴露于爆燃氣體高溫下，因該第一氣環(huán)12所暴露的環(huán)境是極為嚴厲的。
活塞的鋁合金因高溫作用而軟化，從而由活塞環(huán)刮磨掉并沉積于第一氣環(huán)12上。因此在該第一氣環(huán)12和活塞11的鋁合金之間產生所謂的粘附磨損。因此活塞11上在環(huán)槽處的磨損繼續(xù)發(fā)展，并且產生所謂的漏氣，即燃氣經過該環(huán)槽漏出。因此發(fā)動機的動力減少。
至今，用于解決活塞的上述問題的對策是將該活塞進行陽極氧化處理，從而形成一層硬的氧化鋁鍍層，而用于解決活塞環(huán)的上述問題的對策是將該活塞環(huán)進行磷化化學轉化處理，特別是形成一磷酸錳鍍層。但該陽極氧化處理是極為昂貴的。該磷酸錳鍍層對防止發(fā)動機初始工作期間的粘附磨損是極為有效的，但由于其壽命短，因此在進一步的工作期間不能指望它保持有效。
日本未審查的實用新型公開號No.60-82552公開了將一活塞環(huán)的至少上下表面進行磷化化學轉化處理并隨之而形成一層帶有固體潤滑劑的耐熱劑及耐磨劑樹脂鍍層。日本未審查的實用新型公開號No.1-307568公開了將活塞環(huán)的上下表面進行氮化處理并隨之而形成一層帶固體潤滑劑的耐熱劑和耐磨劑樹脂鍍層。在這些公開出版物中公開的并結合于耐熱劑和耐磨劑鍍層中的固體潤滑劑可被磨掉或脫落至這樣的程度，即使該鍍層的滑動性能喪失掉，從而導致粘附磨損。
本發(fā)明的目的之一是為了提供耐磨部件，特別是為了提供一活塞環(huán)，該環(huán)的磨損小并輕度地磨損掉相對接觸的部件，并在繼續(xù)工作時期該環(huán)表現出優(yōu)良的耐磨性。
按著本發(fā)明之目的，本發(fā)明提供具有層狀結構的耐磨件，該層狀結構包括一基底，一個由磷化化學轉化處理形成于該基底上的第一鍍層及一個形成于該第一鍍層上并包括一固體潤滑劑的第二鍍層，其特征在于在該耐磨件的頂表面部分上進行磷化化學轉化處理的晶粒之間形成間隙，并且該間隙之寬度和深度便于將該固體潤滑劑顆粒嵌于該間隙中。最好，該固體潤滑劑的大部分顆粒嵌于該間隙中。
由于具有較大的深/寬比的微小間隙形成于該第一鍍層的上表面上，因此化學轉化的磷酸鹽最好是磷酸錳。固體潤滑劑顆粒的平均直徑較好的是從1至2μm，由于該固體潤滑劑嵌于間隙中的比例很高，因此該第二鍍層之厚度最好是3至13μm厚。第二鍍層的厚度是由光學顯微鏡觀察該第二鍍層的橫截面而量取并從該化學轉化磷酸鹽的微小不平度的最低位置處開始測量其厚度。
按照上述的實施例，該第二鍍層由硫酸鉬顆粒或平均直徑為1-2μm的并耐熱和耐磨的樹脂類物構成，在該樹脂中含有并分布有硫酸鉬或類似物。該第二鍍層可耐用地保持良好的潤滑性及低摩擦性。除硫酸鉬之外，還可用硫酸鎢，氮化硼(hBN)。石墨及磨損學中公知的各種化學劑作固體潤滑劑。
本發(fā)明之耐磨件應理解為與鋁合金滑動接觸的各件。特別是，本發(fā)明的第一和第二鍍層用于一活塞環(huán)的至少上下表面上。在該實施例中，不用將鋁合金進行陽極氧化處理即可獲得令人滿意的耐用的耐磨性。但是陽極氧化處理也可用于該鋁合金但不會引起活塞環(huán)的嚴重磨損。
聚酰胺-酰亞胺及其它粘合劑樹脂，例如環(huán)氧樹脂和聚酰亞胺樹脂以及聚四氟乙烯(PTFE)可用作固體潤滑劑的粘合劑。
至此，日本未審查實用新型公開號No.60-82552中公開的經第一鍍層化學轉化磷化處理的主要是用于固定住并粘接住該耐熱和耐磨樹脂并增加該樹脂的粘接性能。公知的化學轉化硫化處理對防止包含于該樹脂中的固體潤滑劑從該樹脂層表面上磨掉不是有效的。隨著該耐熱與耐磨樹脂的磨損，因而在這種樹脂鍍層表面上產生粘附磨損。
與先有技術相反地，本發(fā)明對固體潤滑劑顆粒的大小及化學轉化磷化處理的并作為底層的晶體之間的間隙作出考慮。這就是說，當磷酸鹽晶體由一些種類的化學轉化磷化處理從一基底上生長而成時并最終當該生長完成時，在該磷酸鹽層的頂表面上形成微小的不平度。如果該固體潤滑劑顆粒的大小比內結晶間隙的直徑或寬度與深度小得多，則該固體潤滑劑顆粒嵌于該底層晶體之間的間隙中。當上述結構的表面層隨著時間之推移而磨損時，該固體潤滑劑顆粒保持其潤滑作用直到該磨損發(fā)展到該基底附近為止，原因就在于該固體潤滑劑實際上是與粘接樹脂層不可分的。因此，根據本發(fā)明有可能在比先有技術更長的使用時期內防止發(fā)生卡死磨損，從而增加該耐磨部件的表面層的耐用性。
考慮到該化學轉化處理的磷化鍍層之晶體形狀，日本經審查的專利公告號No.3-25514中公開的形狀為葉片形成平行六面體形。然而，在該公開的專利中的晶體之間嵌入固體潤滑劑是極為困難的。即使可能，則嵌入固體潤滑劑顆粒的比例似乎也是相當小的。
按照為形成該第二鍍層的具體方法，固體潤滑劑的顆粒，耐熱并耐磨樹脂及其溶劑全都混合在一起，然后干燥蒸發(fā)該溶劑。該耐熱和耐磨樹脂經焙燒從而內聯成該樹脂。該第二鍍層最好是這樣的厚度的，即該底層磷酸鹽晶體的凹入深度完全由該二鍍層蓋住，理想地該第二鍍層之厚度為3至13μm。
由于本發(fā)明是按上述結構構造的，則在固體潤滑劑顆粒的直徑和該化學轉化磷化處理的底層的內結構間隙之間存在一優(yōu)化關系。即，由于固體潤滑劑顆粒必須嵌于內結晶間隙中，因此較好的是顆粒之大小很細。然而，當平均粒度小于1μm時，該固體潤滑劑可能凝聚于在該鍍層步驟中用作粘接劑的耐熱和耐磨樹脂中。在這種情況下，該固體潤滑劑顆粒可凝聚于粘接劑樹脂中，并且該凝聚顆粒的直徑變得如此大以致該顆粒不能進入該底層的內結晶間隙中。
在另一方面，當平均直徑大于2μm時，進入該底層內結晶間隙的該固體潤滑劑比例太低以致它們很容易發(fā)生從該第二鍍層上之分離。另外，當平均直徑大于2μm時，該固體潤滑劑顆粒在該第二鍍層中變得不穩(wěn)定。例如，沒有被粘接劑蓋住但凸伸出該第二鍍層的表面的固體潤滑劑顆粒比例增加。在反復且強烈碰擊該相對件并在該相對件上滑動期間，該碰擊力集中作用在凸出的固體潤滑劑顆粒的頂端上，其結果是該固體潤滑劑顆粒易于從該第二鍍層上分離。在極端情況下，不僅是該固體潤滑劑顆粒而且是該帶有這種顆粒的整個第二鍍層可能會偶然地從該耐磨部件上脫落下來。
一磷酸錳鍍層可用于形成該內結晶間隙，其中平均直徑為1至2μm的固體潤滑劑顆粒可進入。由于磷酸錳是以晶錐形式生長于一鋼基上的。因此固體潤滑劑顆粒易于進入內結晶間隙。此外，該耐熱及耐磨樹脂可很好地粘接于該些晶體上。
當固體潤滑劑的平均顆粒直徑為1～2μm時，該第二鍍層從其表面均勻地磨損，因而防止了局部磨損。此外，由于該第二鍍層之磨損壓至最低水平，因此本發(fā)明的耐磨件可穩(wěn)定地用很長一段時間。例如，聚酰胺-酰亞胺樹脂被推薦作為粘接樹脂。固體潤滑劑，比如說硫化鉬相對它與粘接劑總量的比例最好按重量計為40-60％，以便使低的摩擦性及潤滑性和粘接性進行平衡。本發(fā)明的耐磨表面層之應用建議用于與鋁合金部件接觸的耐磨件上。
以下參照幾個附圖對本發(fā)明作出描述。
圖1是一氣環(huán)的放大剖視圖；圖2和3是化學轉化處理的磷酸錳鍍層的電子掃描顯微鏡(SEM)圖像的照片；圖4是示例3的固體潤滑劑層(第二鍍層)的SEM圖像的照片；圖5是示例6的固體潤滑劑層(第二鍍層)的SEM圖像的照片；圖6是耐磨試驗機的剖視圖，示出其基本部分；圖7是本發(fā)明的各示例中的磨損量與那些對比示例的磨損量比較所表示出的方框圖；圖8是示例3中的固體潤滑劑層進行磨損實驗后的SEM圖像的照片；圖9是活塞環(huán)，環(huán)槽及活塞的放大視圖，并示出了活塞環(huán)及環(huán)槽在活塞向下移動期間的位置關系；圖10是活塞環(huán)，環(huán)槽及活塞的放大視圖，并示出了活塞環(huán)及環(huán)槽在活塞向上移動期間的位置關系；圖11是一汽油機活塞及在活塞周邊各部件的剖視圖。
現在參照圖2和3，由化學轉化而形成的磷酸錳31，32的晶粒示于SEM圖像中。在該第一鍍層的頂表面上布置有呈多邊形的磷酸錳晶體。該多邊形晶體的晶峰朝上，并且若干稍稍小于10μm的間隙在該朝上的晶峰之間形成。以下參照各示例對本發(fā)明作出描述，在各示例中，本發(fā)明都是用于活塞環(huán)。
示例首先對所有示例共同的細節(jié)進行描述。
參見圖1，其示出了一放大的第一活塞環(huán)。該第一活塞環(huán)8的公稱直徑為78mm，寬度(B)為1.5mm，厚度(T)為2.8mm。該基底1是由用于彈簧閥的油回火硅-鉻鋼制成的，該鋼在JIS(日本工業(yè)標準)下對應于S WOSC-V型鋼。該磷酸錳層(第一鍍層2)形成于基底1上，但除該基底外圓周向外。在該第一鍍層2上用粘接樹脂(聚酰胺-酰亞胺)形成該第二鍍層3，并且硫化鉬顆粒公布于粘接樹脂中。在該基底的外圓周表面上形成一層可與圖9和10中標示為15的氣缸套滑動接觸的硬鍍鉻層4。不用硬的鍍鉻層4，也可用氮化層或鉬或類似物的火焰噴射層形成。該第二氣環(huán)可與圖1具有相同的結構。
該第一氣環(huán)8由下列方法制造。請注意該些示例中所采用的典型值和本發(fā)明所用的最佳范圍值都存在給定的配搭。
上述的油回火S WOSC-V型鋼已加工成橫截面為1.5mm×2.8mm的矩形的線形，并被塑性地加工成在自由狀態(tài)具有公稱直徑78的環(huán)形。首先，該硬的鍍鉻層4由常規(guī)方法形成于環(huán)形線材的外圓周表面上。然后將該線材在下列(1)至(4)之步驟下進行下列化學轉化磷化處理，從而形成磷酸錳層(第一鍍層1)，在化學轉化磷化處理之同時將該硬的鍍鉻層4罩住。
(1)首先將該基底浸漬于由氫氧化鈉和碳酸鈉混合物(其溫度從50度至90℃，典型地為90℃)構成的，16％的水溶液中3至7分鐘，典型地為3分鐘，從而除去該基底1的油脂。
(2)然后將該基底1浸漬于按4∶6比例而混合的硫酸和磷酸混合物的5％的水溶液中(其溫度為15至35℃，典型地為30℃)，從而使該基底之表面進行清潔。
(3)接著，將該基底進行表面處理，由帶有用于磷酸錳鍍層的表面處理劑的鈦膠體進行處理30至70秒鐘(典型地為60秒鐘)，該表面處理劑可從商標為PP＝VMA，B(Nihon Parkerizing有限公司)的商品中獲得(其溫度為25-50℃，典型為45℃)。
(4)接著將該基底進行化學轉化磷化處理，為了形成磷酸錳從而用一種處理劑在82至85℃的溫度處處理2至5分鐘(典型地為5分鐘)，該處理劑可從商標為PF＝M5(Nihon Parkerizing有限公司)的商品中獲得。該磷化液體的總酸度(TA)為21至25點，典型地為23點。游離酸度為4至7點，典型地為6點。鐵含量為0.4至3g/l(典型的為1g/l)?？偟乃岫燃坝坞x酸度用滴定劑進行分析。
借助于將帶有散布的硫化鉬顆粒的聚酰胺-酰亞胺粘接劑施加在該活塞環(huán)的上下表面上而形成潤滑層(第二鍍層3)。硫化鉬之量按重量計為50％。
最后，將該活塞環(huán)的外圓周表面上的硬鍍鉻層進行研磨拋光。從而圖1所示的氣環(huán)加工完成。
示例1至7如下表1所示，硫化鉬的平均顆粒直徑在示例1至6即本發(fā)明的活塞環(huán)的各示例中都發(fā)生變化。另外，用平均粒度為1.5μm的石墨顆粒取代硫化鉬顆粒，并且該石墨量按重量計散布為50％，這種情況示于示例7中。該示例7的其它特性與示例1至6的那些都相同。
對比示例1為了對比，使用商品名為Palbond 888(Nihon Parkerizing有限公司)的磷化劑形成一磷酸鋅鍍層。其它項目與示例1相同。
表1
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參照圖4，其示出了示例3的固體潤滑劑層的電子掃描顯微鏡(SEM)圖像，同時參照圖5，其示出了示例6的固體潤滑劑(第二鍍層)的SEM圖像。在圖4和5中，粘接樹脂(聚酰胺-酰亞胺)標為20，硫化鉬顆粒標為10。10和20嵌于磷酸錳晶體之間。
將由上述過程生產的活塞環(huán)進行耐磨試驗，從而確定活塞環(huán)材料如活塞環(huán)在環(huán)槽中滑動的量之間的關系。
參照圖6，一耐磨試驗機包括一個用于輕擊試件的垂直運動的部件5和一個對著該垂直運動的部件5旋轉的旋轉部件6。該垂直運動部件5由一馬達經一曲柄機構(未示出)垂直地驅動。該旋轉部件6固定在旋轉的垂直輛6a上并由一馬達經該軸6a驅動。該旋轉部件6可連續(xù)旋轉成在反方向旋轉。一個由活塞所用的鋁合金制成的盤7水平地固定于該垂直運動部件5的下側。一加熱器裝在該垂直運動部件5的內部并將該鋁合金加熱至任何預定的溫度。一活塞環(huán)8插裝在并水平地固定在該上側或該旋轉部件上，并設置在該盤7的對面。
借助于上述結構，由曲柄機構驅動的垂直運動的盤7輕擊由旋轉件6驅動旋轉的活塞環(huán)8。圖6所示的該試驗機模擬了活塞環(huán)與其中配裝有活塞環(huán)的環(huán)槽之間的碰擊作用與滑動作用。該輕擊負荷可由為該旋轉部件6提供的液壓機構(未示出)有選擇地設定。該輕擊頻率(每分鐘次數)及旋轉速度也可有選擇地設定。
受處理的氣環(huán)8和由用于活塞(AC8A-T6)的鋁合金制成的盤7裝于該試驗機中。該磨損試驗在下列條件下進行潤滑干式；輕擊負荷150kg；輕擊頻率每秒8次；旋轉速度一個方向連續(xù)運動，2mm/s；盤的溫度280℃試驗結果示于圖7中。
如圖7明顯地看出的那樣，本發(fā)明各示例的活塞環(huán)與所有對比示例比表現出活塞環(huán)和盤的磨損(即活塞的磨損)均很少。本發(fā)明所獲得的耐用性比對比示例得到了改進。當固體潤滑劑的顆粒平均直徑為1至2μm時，耐用性最為突出。
進行示例3的磨損試驗后，對活塞環(huán)的表面進行電子掃描顯微(SEM)觀察。該SEM圖像示于圖8中。在圖8中，在呈現淡灰色的磷酸錳的晶粒9之間形成內結晶間隙并呈現為黑灰色。呈現亮黑色的硫化鉬顆粒10之大部分進入并填入該內結晶間隙9。與這相反，由于在示例6中用的硫化鉬顆粒比示例3中用的粗一些，因此在示例6中嵌入內結晶間隙9中的顆粒之比例比示例3中小。換句話說，在示例6中，絕大部分硫化鉬顆粒僅僅由粘合劑粘合起來，盡管程度不很嚴重，但潤滑劑層還是局部地從磷酸錳底層上脫落下來。但與對比示例相比，示例6中的耐磨性還是得到了改善。
如果對上述各示例所作出的各種修改處于本發(fā)明之技術思想之內，則這些修改都是可作出的。
權利要求
1.耐磨部件，尤其是活塞環(huán)，其具有層狀結構，該層狀結構包括一基底(1)，一個由化學轉化磷化處理形成于該基底(1)上的第一鍍層(2)及一個形成于該第一鍍層(2)上并含有固體潤滑劑的第二鍍層(3)，其特征在于在該耐磨件的頂表面部分上，在化學轉化磷酸鹽的晶粒(31，32)之間形成有間隙，該間隙之寬度和深度便于將固體潤滑劑顆粒嵌于該間隙中。
2.如權利要求1所述耐磨件，其中大部分固體潤滑劑(10，31，32)顆粒嵌入該間隙中。
3.如權利要求1或2所述耐磨件，其中由化學轉化磷化處理形成的所述第一鍍層(2)由磷酸錳構成。
4.如權利要求1至3中任一所述耐磨件，其中所述固體潤滑劑(10，31，32)顆粒的平均直徑為1至2μm。
5.如權利要求1至4中任一所述耐磨件，其中所述固體潤滑劑為硫化鉬。
6.如權利要求1至5中任一所述耐磨件，其中該些耐磨件被使得與進行陽極氧化處理的鋁合金進行可滑動的接觸。
7.如權利要求1至6中任一所述的耐磨件，其中所述第一鍍層(2)和所述第二鍍層(3)形成于裝在由鋁合金制成的活塞(11)中的活塞環(huán)(8)的上下表面上。
8.如權利要求2至7中任一所述耐磨件，其中所述基底(1)在所述化學轉化磷化處理之前由鈦膠體進行表面處理。
9.如權利要求4至8中任一所述耐磨件，其中所述第二鍍層(3)之厚度為3至13μm。
全文摘要
耐磨件，尤其是一活塞環(huán)，其具有層狀結構，該層狀結構包括，一基底(1)，一個由化學轉化磷化處理形成于該基底(1)上的第一鍍層(2)及一個形成于該第一鍍層(2)上并含有固體潤滑劑的第二鍍層(3)；這種耐磨件是公知的但其耐用性很差。該耐用性借助于這樣的措施加以改善，即在該耐磨件頂表面部分上，在化學轉化磷酸鹽的晶粒(31，32)之間形成間隙，該間隙具有這樣之寬度和深度，即使其便于將固體潤滑劑(10，31，32)嵌于該間隙中。
文檔編號F16J9/26GK1159511SQ96123459
公開日1997年9月17日 申請日期1996年10月30日 優(yōu)先權日1995年10月30日
發(fā)明者市村和彥 申請人:株式會社理研