一種pvd活塞環(huán)的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種發(fā)動機活塞環(huán)，尤其涉及一種PVD活塞環(huán)，具體適用于降低發(fā)動機摩擦功損失和燃油消耗。
【背景技術】
[0002]活塞環(huán)和缸套是汽車發(fā)動機中一對重要的摩擦副，其摩擦學性能的優(yōu)劣直接影響著發(fā)動機的功率輸出、耐久性、燃油經(jīng)濟性、機油消耗量以及燃燒排放等重要指標，因此改善缸套和活塞環(huán)的摩擦學性能具有重要意義。為了提高活塞環(huán)的性能，除了進行設計優(yōu)化和材質更新之外，工程師們更傾向于采用表面處理技術，如鍍鉻、離子氮化等。然而，由于當前汽車發(fā)動機尤其是重載柴油發(fā)動機，正在向高功率密度、高可靠性、低燃油消耗和低廢氣排放的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的表面處理方法已經(jīng)不能滿足需求。物理氣相沉積技術(PVD)作為一種相對比較成熟的新興技術在發(fā)動機活塞環(huán)的表面改性工作受到越來越廣泛的關注和重視。
[0003]中國專利:公告號為CN101430004B，公告日為2010年6月2日的發(fā)明專利公開了一種PVD鉻基陶瓷復合涂層活塞環(huán)及其制備方法，該復合涂層由粘結層、主耐磨層和減摩層構成，粘結層為Cr，主耐磨層在粘結層上面，為Cr和CrN交替構成的Cr/CrN多層涂層，減摩層在主耐磨層表面，為Cr和Cr2O3交替構成的Cr/ Cr2O3多層涂層。雖然該復合涂層具有良好的結合力、耐磨和抗腐蝕性能，可大幅度提高活塞環(huán)的使用壽命，但其并不能降低發(fā)動機摩擦功損失和燃油消耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的無法降低發(fā)動機摩擦功損失和燃油消耗的問題，提供一種能顯著降低發(fā)動機摩擦功損失和燃油消耗的PVD活塞環(huán)。
[0005]為實現(xiàn)以上目的，本實用新型的技術方案如下:
[0006]一種PVD活塞環(huán)，包括活塞環(huán)基體及其表面附著的復合涂層；
[0007]所述復合涂層包括由內(nèi)至外依次設置的納米復合梯度過渡層、CrN層，其中，所述納米復合梯度過渡層包括由內(nèi)至外依次設置的Cr打底層、Cr過渡層、CrN過渡層。
[0008]所述納米復合梯度過渡層還包括CrC過渡層，該CrC過渡層位于Cr過渡層、CrN過渡層之間。
[0009]所述復合涂層的厚度為10 - 20 μ mo
[0010]所述活塞環(huán)基體的制造材料為氮化鋼。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果為:
[0012]1、本實用新型一種PVD活塞環(huán)中復合涂層包括納米復合梯度過渡層，且納米復合梯度過渡層包括由內(nèi)至外依次設置的Cr打底層、Cr過渡層、CrN過渡層，該梯度過渡層可逐步建立并增強涂層與活塞環(huán)基體間的分子結合力，同時減弱過渡層間內(nèi)應力的疊加，從而大大增強涂層的結合力，使其能夠在活塞環(huán)-缸套苛刻的工況下充分發(fā)揮作用，并有效降低發(fā)動機摩擦功損失和燃油消耗。因此，本實用新型降低了發(fā)動機摩擦功損失和燃油消耗。
[0013]2、本實用新型一種PVD活塞環(huán)中Cr過渡層、CrN過渡層之間還設置有CrC過渡層，該CrC過渡層可梯度過渡涂層元素與活塞環(huán)基體間的化學親和力，進一步提升涂層與活塞環(huán)基體的結合力。因此，本實用新型進一步提升了涂層與活塞環(huán)基體的結合力。
【附圖說明】
[0014]圖1為實施例1的結構示意圖。
[0015]圖2為實施例2的結構示意圖。
[0016]圖中:活塞環(huán)基體1、復合涂層2、納米復合梯度過渡層3、Cr打底層31、Cr過渡層32、CrN過渡層33、CrC過渡層34、CrN層4。
【具體實施方式】
[0017]下面結合【附圖說明】和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明。
[0018]參見圖1、圖2，一種PVD活塞環(huán)，包括活塞環(huán)基體I及其表面附著的復合涂層2 ;
[0019]所述復合涂層2包括由內(nèi)至外依次設置的納米復合梯度過渡層3、CrN層4，其中，所述納米復合梯度過渡層3包括由內(nèi)至外依次設置的Cr打底層31、Cr過渡層32、CrN過渡層33。
[0020]所述納米復合梯度過渡層3還包括CrC過渡層34，該CrC過渡層34位于Cr過渡層32、CrN過渡層33之間。
[0021 ] 所述復合涂層2的厚度為10 - 20 μ m。
[0022]所述活塞環(huán)基體I的制造材料為氮化鋼。
[0023]本實用新型的原理說明如下:
[0024]本實用新型中，納米復合梯度過渡層3的建立能夠使得CrN層4更好的生長在活塞環(huán)基體I的表面。由于活塞環(huán)基體I的主要組成元素通常為Fe、C、N等，Cr過渡層32中的Cr會與C、N結合形成Cr-C、Cr-N分子鍵，CrC過渡層和CrN過渡層則進一步加強這種分子間結合，從而達到逐步增強復合涂層2與活塞環(huán)基體I間結合力的效果。
[0025]復合涂層2:若復合涂層2的厚度小于10 μ m，則很難充分發(fā)揮出涂層的功效，若復合涂層2的厚度大于20 μ m，則涂層內(nèi)應力過高，容易剝落，因此，本實用新型將其厚度控制在10-20μπι。另外，由于每個過渡層的厚度都較薄，因此有助于減小涂層的內(nèi)應力，進一步提升涂層與活塞環(huán)基體的結合力。
[0026]實施例1:
[0027]參見圖1，一種PVD活塞環(huán)，包括活塞環(huán)基體I及其表面附著的復合涂層2，所述活塞環(huán)基體I的制造材料為氮化鋼，復合涂層2的厚度為10 μ m，包括由內(nèi)至外依次設置的納米復合梯度過渡層3、CrN層4，其中，所述納米復合梯度過渡層3包括由內(nèi)至外依次設置的Cr打底層31、Cr過渡層32、CrN過渡層33。
[0028]上述PVD活塞環(huán)的制備方法依次包括以下步驟:
[0029]1、先將活塞環(huán)基體I進行除油除銹，再依次用丙酮、酒精、水溶液對其進行超聲清洗后干燥，然后將干燥后的活塞環(huán)基體I置于真空室中，于0.007Pa的真空度下加熱真空室腔壁至300°C后保溫2h，接著通入360sccm氬氣，并于800V的負偏壓下輝光清洗30min，隨后引燃金屬Cr靶，在10A靶源電流、750V偏壓下沉積Imin以制備Cr打底層31 ；
[0030]2、將偏壓降至140V后沉積5min以得到Cr過渡層32，再關閉金屬Cr靶停；
[0031]3、先止通入氬氣，然后向真空室中通入ISOsccm氮氣，再引燃金屬Cr靶，將偏壓降至135V后于120A靶源電流下沉積20min，其中，所述真空室的真空度為1.9Pa ;
[0032]4、在120V偏壓下沉積15min ；
[0033]5、在10V偏壓下沉積15min ；
[0034]6、在200V偏壓下沉積15min ；
[0035]7、循環(huán)重復操作4 - 6，直至沉積時間達到2h，此時，PVD活塞環(huán)制備完畢。
[0036]實施例2:
[0037]參見圖2，一種PVD活塞環(huán)，包括活塞環(huán)基體I及其表面附著的復合涂層2，所述活塞環(huán)基體I的制造材料為氮化鋼，復合涂層2的厚度為20 μ m，包括由內(nèi)至外依次設置的納米復合梯度過渡層3、CrN層4，其中，所述納米復合梯度過渡層3包括由內(nèi)至外依次設置的Cr打底層31、Cr過渡層32、CrC過渡層34、CrN過渡層33。
[0038]上述PVD活塞環(huán)的制備方法同實施例1，不同之處在于:
[0039]所述制備方法還包括CrC過渡層的制備步驟，該步驟位于步驟2、步驟3之間；
[0040]所述CrC過渡層的制備步驟是指:先同時引燃金屬Cr靶和C靶沉積CrC過渡層34，再關閉金屬Cr靶和C靶；
[0041 ] 步驟7中，沉積時間達到4h。
[0042] 上述實施例中，復合涂層2與活塞環(huán)基體I的結合力為臨界載荷L。多100N，且減摩效果好，在干摩擦狀態(tài)下相比于未做PVD處理的活塞環(huán)摩擦系數(shù)降低了 19%，可降低5%的發(fā)動機摩擦功損失以及0.5%的發(fā)動機燃油消耗。
【主權項】
1.一種PVD活塞環(huán)，包括活塞環(huán)基體(I)及其表面附著的復合涂層(2)，其特征在于: 所述復合涂層(2)包括由內(nèi)至外依次設置的納米復合梯度過渡層(3)、CrN層(4)，其中，所述納米復合梯度過渡層(3)包括由內(nèi)至外依次設置的Cr打底層(31)、Cr過渡層(32)、CrN 過渡層(33)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種PVD活塞環(huán)，其特征在于:所述納米復合梯度過渡層(3)還包括CrC過渡層(34 )，該CrC過渡層(34 )位于Cr過渡層(32 )、CrN過渡層(33 )之間。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種PVD活塞環(huán)，其特征在于:所述復合涂層(2)的厚度為 10 - 20 μ m。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種PVD活塞環(huán)，其特征在于:所述活塞環(huán)基體(I)的制造材料為氮化鋼。
【專利摘要】一種PVD活塞環(huán)，包括活塞環(huán)基體及其表面附著的復合涂層，復合涂層的厚度為10‐20μm，包括由內(nèi)至外依次設置的納米復合梯度過渡層、CrN層，其中，納米復合梯度過渡層包括由內(nèi)至外依次設置的Cr打底層、Cr過渡層、CrN過渡層。本設計明顯降低了發(fā)動機摩擦功損失和燃油消耗。
【IPC分類】F02F5-00
【公開號】CN204591516
【申請?zhí)枴緾N201520282956
【發(fā)明人】盧求元, 趙俊平, 吳永強
【申請人】東風商用車有限公司
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月5日