[发明专利]高性能陶瓷活塞环制造技术

说明书

技术领域

本发明属于表面冶金范畴。 

背景技术

活塞环是汽车、摩托车等内燃发动机心脏部份的关键零部件。它在发动机所有零部件中所占比例很小，却起着至关重要的作用。活塞环在高温、高压燃气介质中反复运动，发生激烈的磨擦。活塞环性能的优劣直接影响到发动机的动力性、经济性、可靠性、燃油效率、尾气排放等整体性能。随着现代内燃发动机向高效率、高载荷、高速度和高寿命的方向发展，对活塞环的耐磨性及综合机械性能提出了越来越高的要求。目前，国内外采用各种表面处理技术来提高活塞环的使用性能，主要包括电镀铬、表面氮化、PVD与CVD镀膜，等离子喷钼、等离子喷涂陶瓷涂层等。但是，镀铬层脆性大，易脱落、镀铬工艺对人体和环境造成毒害、国外已禁止，国内也逐渐取消。表面氮化后的表层硬度普遍不高，且厚度一般，不能满足大功率发动机的要求。PVD与CVD镀膜技术制备的BN、CrN、SiN膜层太簿，仅3～5μm，承载能力较差，不能满足高载、高速内燃机的需要，且工艺复杂，费用昂贵、限制了推广应用。等离子喷钼在高温时易氧化剥落，不能满足现代内燃机发展的需要。近年来，国内外采用等离子喷涂陶瓷涂层对活塞环进行表面处理。陶瓷材料能大大降低活塞环与汽缸套之间的摩擦系数，有效地减少活塞环和汽缸之间的磨擦损失，使发动机的机械效率得到改善，特别在高速时的效果尤为明显。该技术的问题在于陶瓷涂层存在脆性，还存在与基体结合强度偏低的界面，产生应力剥落。 

从上世纪末到本世纪初，双层辉光等离子表面冶金技术开始应用于金属材料表面改性工程。它以普通的金属材料产品为基体，生产出各种性能优异的高级金属材料产品。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高性能陶瓷活塞环制造技术。(以钼金属为例) 

本发明的基本构思是；采用双层辉光等离子表面冶金技术，使钼变成钼离子，在电场力作用下，钼离子沿着高温下形成的无数晶体缺陷通道进入活塞环表层一定深度，再经真空离子碳化形成碳化钼陶瓷层。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

1.将低合金钢活塞环与钼材置于低真空(8.0Pa)桶形阴极内相应位置，通入氩气(气压30～40Pa)。经过两次电流突变，形成双层辉光放电，产生800～1000℃高温。 

2.钼材在高温离子区迅速溅射出金属原子，金属原子在高能离子区中又被电离成钼离子。 

3.钼离子在电场力作用下沿着活塞环表面在高温下形成的无数位错、空位等晶体缺陷通道深入活塞环表层100～300μm。 

4.再经真空离子碳化，形成碳化钼陶瓷层。 

本发明技术制造的陶瓷活塞环由于其表层组织结构和性能发生了质的变化，与现有各种活塞环表面处理技术相比，具有以下优点： 

1、高硬度：HV1300～1500，是铬钼钒合金钢环的3倍以上； 

2、摩擦系数低：活塞组摩擦减少50％； 

3、磨耗比仅为普通钢环的1/5； 

4、陶瓷耐磨层深度可达100～300μm，是PVD与CVD陶瓷膜厚度的30～50倍，是氮化钢环的6倍以上； 

5、热稳定性好、抗擦伤能力强、耐高温燃气腐蚀； 

6、陶瓷耐磨层与活塞环基体是冶金结合、弥散分布、形成固溶体；和电镀铬、等离子喷钼、等离子喷涂陶瓷层相比，不存在宏观界面，不产生应力剥落； 

7、陶瓷耐磨层深入活塞环表层内，不增加表层厚度，其尺寸和形位精度都能保证。 

附图说明

双层辉光等离子表面冶金装置示意图 

具体实施方式

下面结合附图给出实施例(以钼金属为例) 

主电源1输出0～1000V供阴、阳极。阴极座7接主电源1负端，阳极8接主电源1正端。偏置电源2输出0～450V供偏压环3。真空室4有氩气入口5和真空抽气口6。桶形阴极9上端开口，极限真空度为8.0Pa，氩气压力为30～40Pa；偏压为240～450v。逐渐增大主电源电压至500～600V，这时出现第一次电流突变、产生辉光；再继续增大电压至600～800V，出现第二次电流突变，正常辉光放电转化成异常辉光放电，产生800～1000℃的高温。桶形阴极9四周的钼材11溅射出金属原子，金属原子在高能离子区中又被电离成金属离子，钼离子在电场力作用下沿着位错、空位等晶体缺陷在高温下形成的通道进入到活塞环10表层，深度达100～300μm。再经真空离子碳化，活塞环10表层形成碳化钼陶瓷层。 

由本发明制成的高性能陶瓷活塞环的主要工艺流程如下： 

钢带绕环→淬、回火→内、外侧倒角→双层辉光等离子表面冶金→真空离子碳化→高压气体淬火→开口→珩磨→精磨侧面→终检 。