[发明专利]耐磨损高硬度活塞环及制作工艺

说明书

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。