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活塞环

阅读：60发布：2021-02-25

IPRDB可以提供活塞环专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种在内燃机耐用年限内,能十分耐用的、耐磨特性和耐烧伤特性优良且廉价的活塞环。该活塞环由Fe－Cr－Co系合金构成活塞环本体,在活塞环本体的外周面上形成氮化层,在形成氮化层的外周面上形成有5～25μm的氮化铬被膜。Fe－Cr－Co系合金优选Co是3～10重量%,Cr是13～20重量%,其余是Fe的合金。，下面是活塞环专利的具体信息内容。

权利要求

权利要求书

1．一种活塞环，其特征是，由Fe-Cr-Co系合金构成活塞环本体，在所述活塞环本体的外周面上形成氮化层，在形成所述氮化层的所述外周面上形成有5～25μm的氮化铬被膜。

2．如权利要求1所述的活塞环，其特征是Fe-Cr-Co系合金由3～ 10重量％的Co，13～20重量％的Cr，余量为Fe组成。

说明书全文

本发明涉及活塞环，更详细地说，是关于耐烧伤特性和耐磨特性经过改进的内燃机用活塞环。

用于往复运动的内燃机的活塞环要求有很高的耐磨特性。为了提高活塞环的这一耐磨特性，目前大多采用在滑动面上形成硬质镀铬层的活塞环作为内燃机用活塞环。

但是，随着近年来内燃机向高速运转及高输出的发展，活塞环使用条件也越来越苛刻，有时目前这种带有镀铬层的活塞环的耐磨特性已不能满足要求，希望有耐磨特性更好的活塞环来代替这种现有的活塞环。

为解决这一问题，以提高现有活塞环的滑动面的耐磨特性为目的，人们提出了在活塞环本体表面上形成氮化层或通过离子镀敷来覆盖金属氮化物的技术。由氮化层或金属氮化物形成的被膜，与硬质镀铬层相比较具有更好的耐磨特性，与目前的带镀铬层的活塞环相比，人们期望获得更好的耐磨特性。

然而，虽然图1中用点划线所示的氮化层与用双点划线所示的镀铬层相比，具有硬度高、耐磨特性良好的优点，但是也带来了其耐烧伤特性比镀铬层差的缺点，而且有在内燃机使用期届满前该氮化层被磨掉的问题。另一方面，由氮化物所形成的被膜与用点划线所示的氮化层相比较，虽然具有更高的用虚线表示的优良耐磨特性，但是，由于其与活塞环的粘接性及柔软性欠缺，所以容易从金属母材上剥离。

为了解决上述问题，提出了在活塞环本体上预先形成氮化层之后，再用氮化物覆盖的方案(日本特公平6-10454)。但是，由于氮化层的耐燃烧特性较差，必须形成在内燃机使用年限内能充分耐用的厚度、例如50μm程度以上的氮化物被膜，以避免氮化物被磨掉而露出氮化层。但是，采用上述离子镀敷的方法由金属氮化物形成的被膜，成形时该被膜的生成速度缓慢，为了形成充分厚度的被膜需花很长时间，由于生产工序时间拉长、因而有活塞环单价显著提高的问题。

本发明的目的是提供一种在内燃机的使用年限内充分耐用、具有优良的耐磨特性及耐燃烧特性且价格低廉的活塞环。

权利要求1所涉及的发明是一种活塞环，由Fe-Cr-Co系合金构成活塞环本体，在活塞环本体的外周面上形成氮化层，在形成氮化层的外周面上形成有5～25μm的氮化铬被膜。

权利要求2所涉及的发明是一种在权利要求1发明基础上做出的活塞环，Fe-Cr-Co系合金中Co是3～10重量％，Cr是13～20重量％，其余是Fe。

由于在添加了钴的合金构成的活塞环本体上形成氮化层，因而使活塞环本体的表面硬化，并提高活塞环本体自身的耐烧伤特性。

由于在活塞环本体的外周面上形成氮化铬被膜，因而可提高活塞环的耐磨特性，由于形成比较薄的5～25μm的氮化铬被膜，因而可避免活塞环单价的抬高。

氮化铬被膜不满5μm时，不能得到足够的耐磨特性，氮化铬被膜超过 25μm时，活塞环自身单价就会被抬高。

图1是表示行驶距离和活塞环的磨耗量关系的示意图。

下面，根据附图详细说明本发明的实施例。

本发明的活塞环是用于内燃机发动机活塞上的顶环，活塞环本体由Fe-Cr-Co系合金制成。具体说，Fe-Cr-Co系合金是Co为3-10重量％、Cr为13-20重量％、其余为Fe的合金，也即向所谓的不锈钢中添加了钴的合金。在由该添加钴的合金构成的活塞环本体外周面上形成氮化层。该氮化层的形成通过气体氮化法完成，在把活塞环本体插入层中的状态下，并加热到温度为570℃左右状态下进行氮化处理。经过这种氮化处理，在活塞环本体表面上形成氮化层，提高了活塞环本体表面的表面强度，同时通过给构成活塞环本体的合金中添加钴，可改善活塞环本体自身的耐烧伤特性。

另外，在形成有氮化层的活塞环本体的外周面上，还形成有厚度5～25 μm的氮化铬被膜。该氮化铬被膜的形成是通过离子镀敷法来实现的。该离子镀敷法是PVD法(物理蒸镀法)的一种，特别优选采用让铬蒸气和氮反应、能在活塞环本体的外周面上形成氮化铬的反应性离子镀敷法。铬蒸气是通过把电子束等高能射线束照射到铬标板上使铬蒸发而得到，铬是很容易形成氮化物的元素，当在氮气混入铬蒸气的气相中使等离子体产生时，铬就会离子化，分别与氮离子结合形成氮化铬。在此，氮化铬根据氮气供给量的多少，即供给量多时形成CrN，而氮气供给量少则形成Cr2N。

这种构成的活塞环，活塞环本体表面形成的氮化铬被膜起滑动面的作用，最初该氮化铬被膜的磨耗与车辆行驶距离成比例。但是，由于氮化铬被膜的耐磨特性好，其厚度为5～25μm，如图1实线所示，在使用期间届满前被磨掉。当氮化铬被膜被磨掉之后，氮化铬被膜下形成的氮化层接着起滑动面的作用。

即，在活塞环的磨耗量上，用图1虚线表示活塞环的使用限度，进行考察时发现，形成现有镀铬层的活塞环及形成氮化层的活塞环在行驶距离到达 B点及C点时，活塞环的磨耗量达到了使用限度。但是，由于本发明的活塞环在到达A点前，活塞环本体表面上形成的氮化铬被膜起滑动面的作用，该氮化铬被膜的磨耗与车辆行驶距离成比例，另外，从氮化铬被膜被磨掉的图中A点开始，氮化层接着起活塞环滑动面的作用，与车辆行驶距离成比例接着磨耗该氮化层，结果，能将使用极限的行驶距离进一步延长到D点。

虽然氮化层与氮化铬被膜相比耐磨特性差，但是，在从氮化铬被膜被磨掉的图A点到D点之间，为了发挥活塞环的功能，该氮化层具有足够的层厚，这与当初就只有氮化层在活塞环本体上形成的情况相比较，具有充足的耐磨特性。在此，由于这种构成活塞环本体的合金中添加有钴，所以耐烧伤特性也很好，在使用极限期间的剩余期间内能充分发挥其功能。

另外，如果氮化铬被膜有足够的厚度、比如形成的厚度为50μm时，如图中虚线所示，虽然到活塞环使用极限的行驶距离会更长一些，但是，在该被膜磨掉之前，内燃机本身的寿命已终止。再者，形成足够厚的氮化铬被膜，会因被膜生成速度缓慢为起因，引起生产工序的时间拉长，直至显著地抬高活塞环的单价。

因此，根据本发明，由于通过氮化铬被膜及在氮化铬被膜下层形成的氮化层可以保证耐磨特性及耐烧伤特性，因而，通过对应于到达内燃机使用极限的总运转时间，形成厚度为5～25μm的比较薄的氮化铬被膜，可以得到在内燃机的使用年限内充分耐用，且具有优良的耐磨特性及耐烧伤特性的价格低廉的活塞环。

下文叙述本发明的实施例及比较例。

实施例1

作成本发明的用于直喷式透平中间冷却柴油发动机的活塞环。即在由Co为3～10重量％、Cr为13～20重量％、其余是Fe的Fe-Cr-Co系合金制成的活塞环本体的外周面上形成50～100μm的氮化层，在形成氮化层的活塞环本体的外周面上再形成氮化铬被膜。氮化铬被膜的成形是通过离子镀敷法形成CrN，将形成25μm的该氮化铬被膜的活塞环作为实施例1。

实施例2

在与实施例1的活塞环相同材料、相同形状及大小的活塞环本体的外周面上形成50～100μm的氮化层，在形成氮化层的活塞环本体的外周面上再形成氮化铬被膜。氮化铬被膜的成形是通过离子镀敷法形成CrN，将形成 5μm的该氮化铬被膜的活塞环作为实施例2。

比较例1

作成用于直喷式透平中间冷却柴油发动机的活塞环。利用Cr为13～20 重量％、其余是Fe的Fe-Cr系合金的不锈钢合金制作活塞环本体，在该活塞环本体的外周面上不形成氮化层，而形成氮化铬被膜。氮化铬被膜的成形是通过离子镀敷法形成CrN，将形成50μm的该氮化铬被膜的活塞环作为比较例1。

比较例2

在与比较例1的活塞环相同材料、相同形状及大小的活塞环本体的外周面上不形成氮化层，而形成氮化铬被膜。氮化铬被膜的成形是通过离子镀敷法形成CrN，将形成25μm的该氮化铬被膜的活塞环作为比较例2。

比较例3

在与实施例1的活塞环相同材料、相同形状及大小的活塞环本体的外周面上形成氮化层。即在由Co为3～10重量％、Cr为13～20重量％、其余是Fe的Fe-Cr-Co系合金制成的活塞环本体的外周面上形成50～100 μm的氮化层，但不形成氮化铬被膜，将如此形成的活塞环作为比较例3。

比较例4

在与比较例1的活塞环相同材料、相同形状及大小的活塞环本体的外周面上形成200～300μm镀铬层，将如此形成的活塞环作为比较例4。

比较试验

在直喷式透平中间冷却柴油发动机上分别安装上述实施例1、实施例2 及比较例1～4的活塞环，在额定转速下运行8000小时。运行结束后取出各活塞环，用轮廓仪测量环外周面的磨耗量，通过目视法调查外周面有无烧伤及其状况。其结果用表1示出。

表1 磨耗量(μm) 有无烧伤外周面状况实施例1 实施例2 32 45 无无氮化铬被膜被磨耗掉但无烧伤氮化铬被膜被磨耗掉但无烧伤比较例1 比较例2 比较例3 比较例4 26 33 52 75 无有无无氮化铬被膜残存氮化铬被膜被磨耗掉并有烧伤无烧伤无烧伤

评价

从表1可以看出，虽然比较例1没有发生烧伤，但是，要形成比较厚的氮化铬被膜，结果抬高了活塞环自身的单价。另外，比较例2中由于氮化铬被膜被磨掉并有烧伤现象，表明利用25μm的氮化铬被膜不能发挥充分的耐磨特性。再者，在比较例3中，由于没有烧伤现象发生，与比较例2的结果相比较，表明如果利用在不锈钢中添加钴的合金构成活塞环本体，可提高活塞环本体自身的耐烧伤特性。还有，在作为现有产品的具有镀铬被膜的比较例4中，其磨耗量比其他活塞环显著地大。

与之相对，在添加了钴的不锈钢上形成氮化层，再形成薄的氮化铬被膜的实施例1及实施例2中，由于即使在氮化铬被膜被磨掉后也没有发生烧伤，因此，表明，该两个实施例具有充分的耐磨特性及耐烧伤特性。另外，可以认为之所以实施例2的磨耗量比实施例1的磨耗量大，是由于实施例2 的氮化铬被膜比实施例1的氮化铬被膜更早地被磨掉而引起的。

如上所述，若采用本发明，由于用Fe-Cr-Co系合金或Fe-Cr-Ni-Co系合金构成活塞环本体，在该活塞环本体的外周面上形成氮化层，因此，可提高活塞环本体自身的耐烧伤特性。此外，由于在形成氮化层的外周面上还形成5～25μm的氮化铬被膜，因而，在不抬高活塞环自身单价的前提下，能进一步提高活塞环的耐磨特性。结果，根据本发明，利用氮化铬层及在氮化铬层下侧形成的氮化层，可确保耐磨特性和耐烧伤特性，能得到在内燃机使用的年限内充分耐用的、具有优良的耐磨特性和耐烧伤特性且廉价的活塞环。

标题	发布/更新时间	阅读量
活塞环-专利编号CN103403409A	2020-05-11	372
活塞-专利编号CN1727660A	2020-05-11	1031
活塞环-专利编号CN1448627A	2020-05-13	472
活塞环-专利编号CN107532717B	2020-05-13	1030
活塞环-专利编号CN107532717A	2020-05-13	485
活塞环-专利编号CN106415083A	2020-05-11	100
活塞环-专利编号CN101429904B	2020-05-12	278
活塞环-专利编号CN101429904A	2020-05-12	759
活塞环-专利编号CN101435381B	2020-05-12	498
活塞环-专利编号CN101384841B	2020-05-11	820

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