專利名稱：活塞環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及活塞環(huán)，更詳細地說，是關(guān)于耐燒傷特性和耐磨特性經(jīng)過改進的內(nèi)燃機用活塞環(huán)。
用于往復運動的內(nèi)燃機的活塞環(huán)要求有很高的耐磨特性。為了提高活塞環(huán)的這一耐磨特性，目前大多采用在滑動面上形成硬質(zhì)鍍鉻層的活塞環(huán)作為內(nèi)燃機用活塞環(huán)。
但是，隨著近年來內(nèi)燃機向高速運轉(zhuǎn)及高輸出的發(fā)展，活塞環(huán)使用條件也越來越苛刻，有時目前這種帶有鍍鉻層的活塞環(huán)的耐磨特性已不能滿足要求，希望有耐磨特性更好的活塞環(huán)來代替這種現(xiàn)有的活塞環(huán)。
為解決這一問題，以提高現(xiàn)有活塞環(huán)的滑動面的耐磨特性為目的，人們提出了在活塞環(huán)本體表面上形成氮化層或通過離子鍍敷來覆蓋金屬氮化物的技術(shù)。由氮化層或金屬氮化物形成的被膜，與硬質(zhì)鍍鉻層相比較具有更好的耐磨特性，與目前的帶鍍鉻層的活塞環(huán)相比，人們期望獲得更好的耐磨特性。
然而，雖然

圖1中用點劃線所示的氮化層與用雙點劃線所示的鍍鉻層相比，具有硬度高、耐磨特性良好的優(yōu)點，但是也帶來了其耐燒傷特性比鍍鉻層差的缺點，而且有在內(nèi)燃機使用期屆滿前該氮化層被磨掉的問題。另一方面，由氮化物所形成的被膜與用點劃線所示的氮化層相比較，雖然具有更高的用虛線表示的優(yōu)良耐磨特性，但是，由于其與活塞環(huán)的粘接性及柔軟性欠缺，所以容易從金屬母材上剝離。
為了解決上述問題，提出了在活塞環(huán)本體上預先形成氮化層之后，再用氮化物覆蓋的方案(日本特公平6-10454)。但是，由于氮化層的耐燃燒特性較差，必須形成在內(nèi)燃機使用年限內(nèi)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層。但是，采用上述離子鍍敷的方法由金屬氮化物形成的被膜，成形時該被膜的生成速度緩慢，為了形成充分厚度的被膜需花很長時間，由于生產(chǎn)工序時間拉長、因而有活塞環(huán)單價顯著提高的問題。
本發(fā)明的目的是提供一種在內(nèi)燃機的使用年限內(nèi)充分耐用、具有優(yōu)良的耐磨特性及耐燃燒特性且價格低廉的活塞環(huán)。
權(quán)利要求1所涉及的發(fā)明是一種活塞環(huán)，由Fe-Cr-Co系合金構(gòu)成活塞環(huán)本體，在活塞環(huán)本體的外周面上形成氮化層，在形成氮化層的外周面上形成有5～25μm的氮化鉻被膜。
權(quán)利要求2所涉及的發(fā)明是一種在權(quán)利要求1發(fā)明基礎(chǔ)上做出的活塞環(huán)，F(xiàn)e-Cr-Co系合金中Co是3～10重量％，Cr是13～20重量％，其余是Fe。
由于在添加了鈷的合金構(gòu)成的活塞環(huán)本體上形成氮化層，因而使活塞環(huán)本體的表面硬化，并提高活塞環(huán)本體自身的耐燒傷特性。
由于在活塞環(huán)本體的外周面上形成氮化鉻被膜，因而可提高活塞環(huán)的耐磨特性，由于形成比較薄的5～25μm的氮化鉻被膜，因而可避免活塞環(huán)單價的抬高。
氮化鉻被膜不滿5μm時，不能得到足夠的耐磨特性，氮化鉻被膜超過25μm時，活塞環(huán)自身單價就會被抬高。
圖1是表示行駛距離和活塞環(huán)的磨耗量關(guān)系的示意圖。
下面，根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。
本發(fā)明的活塞環(huán)是用于內(nèi)燃機發(fā)動機活塞上的頂環(huán)，活塞環(huán)本體由Fe-Cr-Co系合金制成。具體說，F(xiàn)e-Cr-Co系合金是Co為3-10重量％、Cr為13-20重量％、其余為Fe的合金，也即向所謂的不銹鋼中添加了鈷的合金。在由該添加鈷的合金構(gòu)成的活塞環(huán)本體外周面上形成氮化層。該氮化層的形成通過氣體氮化法完成，在把活塞環(huán)本體插入層中的狀態(tài)下，并加熱到溫度為570℃左右狀態(tài)下進行氮化處理。經(jīng)過這種氮化處理，在活塞環(huán)本體表面上形成氮化層，提高了活塞環(huán)本體表面的表面強度，同時通過給構(gòu)成活塞環(huán)本體的合金中添加鈷，可改善活塞環(huán)本體自身的耐燒傷特性。
另外，在形成有氮化層的活塞環(huán)本體的外周面上，還形成有厚度5～25μm的氮化鉻被膜。該氮化鉻被膜的形成是通過離子鍍敷法來實現(xiàn)的。該離子鍍敷法是PVD法(物理蒸鍍法)的一種，特別優(yōu)選采用讓鉻蒸氣和氮反應、能在活塞環(huán)本體的外周面上形成氮化鉻的反應性離子鍍敷法。鉻蒸氣是通過把電子束等高能射線束照射到鉻標板上使鉻蒸發(fā)而得到，鉻是很容易形成氮化物的元素，當在氮氣混入鉻蒸氣的氣相中使等離子體產(chǎn)生時，鉻就會離子化，分別與氮離子結(jié)合形成氮化鉻。在此，氮化鉻根據(jù)氮氣供給量的多少，即供給量多時形成CrN，而氮氣供給量少則形成Cr2N。
這種構(gòu)成的活塞環(huán)，活塞環(huán)本體表面形成的氮化鉻被膜起滑動面的作用，最初該氮化鉻被膜的磨耗與車輛行駛距離成比例。但是，由于氮化鉻被膜的耐磨特性好，其厚度為5～25μm，如圖1實線所示，在使用期間屆滿前被磨掉。當?shù)t被膜被磨掉之后，氮化鉻被膜下形成的氮化層接著起滑動面的作用。
即，在活塞環(huán)的磨耗量上，用圖1虛線表示活塞環(huán)的使用限度，進行考察時發(fā)現(xiàn)，形成現(xiàn)有鍍鉻層的活塞環(huán)及形成氮化層的活塞環(huán)在行駛距離到達B點及C點時，活塞環(huán)的磨耗量達到了使用限度。但是，由于本發(fā)明的活塞環(huán)在到達A點前，活塞環(huán)本體表面上形成的氮化鉻被膜起滑動面的作用，該氮化鉻被膜的磨耗與車輛行駛距離成比例，另外，從氮化鉻被膜被磨掉的圖中A點開始，氮化層接著起活塞環(huán)滑動面的作用，與車輛行駛距離成比例接著磨耗該氮化層，結(jié)果，能將使用極限的行駛距離進一步延長到D點。
雖然氮化層與氮化鉻被膜相比耐磨特性差，但是，在從氮化鉻被膜被磨掉的圖A點到D點之間，為了發(fā)揮活塞環(huán)的功能，該氮化層具有足夠的層厚，這與當初就只有氮化層在活塞環(huán)本體上形成的情況相比較，具有充足的耐磨特性。在此，由于這種構(gòu)成活塞環(huán)本體的合金中添加有鈷，所以耐燒傷特性也很好，在使用極限期間的剩余期間內(nèi)能充分發(fā)揮其功能。
另外，如果氮化鉻被膜有足夠的厚度、比如形成的厚度為50μm時，如圖中虛線所示，雖然到活塞環(huán)使用極限的行駛距離會更長一些，但是，在該被膜磨掉之前，內(nèi)燃機本身的壽命已終止。再者，形成足夠厚的氮化鉻被膜，會因被膜生成速度緩慢為起因，引起生產(chǎn)工序的時間拉長，直至顯著地抬高活塞環(huán)的單價。
因此，根據(jù)本發(fā)明，由于通過氮化鉻被膜及在氮化鉻被膜下層形成的氮化層可以保證耐磨特性及耐燒傷特性，因而，通過對應于到達內(nèi)燃機使用極限的總運轉(zhuǎn)時間，形成厚度為5～25μm的比較薄的氮化鉻被膜，可以得到在內(nèi)燃機的使用年限內(nèi)充分耐用，且具有優(yōu)良的耐磨特性及耐燒傷特性的價格低廉的活塞環(huán)。
下文敘述本發(fā)明的實施例及比較例。
實施例1
作成本發(fā)明的用于直噴式透平中間冷卻柴油發(fā)動機的活塞環(huán)。即在由Co為3～10重量％、Cr為13～20重量％、其余是Fe的Fe-Cr-Co系合金制成的活塞環(huán)本體的外周面上形成50～100μm的氮化層，在形成氮化層的活塞環(huán)本體的外周面上再形成氮化鉻被膜。氮化鉻被膜的成形是通過離子鍍敷法形成CrN，將形成25μm的該氮化鉻被膜的活塞環(huán)作為實施例1。
實施例2在與實施例1的活塞環(huán)相同材料、相同形狀及大小的活塞環(huán)本體的外周面上形成50～100μm的氮化層，在形成氮化層的活塞環(huán)本體的外周面上再形成氮化鉻被膜。氮化鉻被膜的成形是通過離子鍍敷法形成CrN，將形成5μm的該氮化鉻被膜的活塞環(huán)作為實施例2。
比較例1作成用于直噴式透平中間冷卻柴油發(fā)動機的活塞環(huán)。利用Cr為13～20重量％、其余是Fe的Fe-Cr系合金的不銹鋼合金制作活塞環(huán)本體，在該活塞環(huán)本體的外周面上不形成氮化層，而形成氮化鉻被膜。氮化鉻被膜的成形是通過離子鍍敷法形成CrN，將形成50μm的該氮化鉻被膜的活塞環(huán)作為比較例1。
比較例2在與比較例1的活塞環(huán)相同材料、相同形狀及大小的活塞環(huán)本體的外周面上不形成氮化層，而形成氮化鉻被膜。氮化鉻被膜的成形是通過離子鍍敷法形成CrN，將形成25μm的該氮化鉻被膜的活塞環(huán)作為比較例2。
比較例3在與實施例1的活塞環(huán)相同材料、相同形狀及大小的活塞環(huán)本體的外周面上形成氮化層。即在由Co為3～10重量％、Cr為13～20重量％、其余是Fe的Fe-Cr-Co系合金制成的活塞環(huán)本體的外周面上形成50～100μm的氮化層，但不形成氮化鉻被膜，將如此形成的活塞環(huán)作為比較例3。
比較例4在與比較例1的活塞環(huán)相同材料、相同形狀及大小的活塞環(huán)本體的外周面上形成200～300μm鍍鉻層，將如此形成的活塞環(huán)作為比較例4。
比較試驗在直噴式透平中間冷卻柴油發(fā)動機上分別安裝上述實施例1、實施例2及比較例1～4的活塞環(huán)，在額定轉(zhuǎn)速下運行8000小時。運行結(jié)束后取出各活塞環(huán)，用輪廓儀測量環(huán)外周面的磨耗量，通過目視法調(diào)查外周面有無燒傷及其狀況。其結(jié)果用表1示出。
表1
評價從表1可以看出，雖然比較例1沒有發(fā)生燒傷，但是，要形成比較厚的氮化鉻被膜，結(jié)果抬高了活塞環(huán)自身的單價。另外，比較例2中由于氮化鉻被膜被磨掉并有燒傷現(xiàn)象，表明利用25μm的氮化鉻被膜不能發(fā)揮充分的耐磨特性。再者，在比較例3中，由于沒有燒傷現(xiàn)象發(fā)生，與比較例2的結(jié)果相比較，表明如果利用在不銹鋼中添加鈷的合金構(gòu)成活塞環(huán)本體，可提高活塞環(huán)本體自身的耐燒傷特性。還有，在作為現(xiàn)有產(chǎn)品的具有鍍鉻被膜的比較例4中，其磨耗量比其他活塞環(huán)顯著地大。
與之相對，在添加了鈷的不銹鋼上形成氮化層，再形成薄的氮化鉻被膜的實施例1及實施例2中，由于即使在氮化鉻被膜被磨掉后也沒有發(fā)生燒傷，因此，表明，該兩個實施例具有充分的耐磨特性及耐燒傷特性。另外，可以認為之所以實施例2的磨耗量比實施例1的磨耗量大，是由于實施例2的氮化鉻被膜比實施例1的氮化鉻被膜更早地被磨掉而引起的。
如上所述，若采用本發(fā)明，由于用Fe-Cr-Co系合金或Fe-Cr-Ni-Co系合金構(gòu)成活塞環(huán)本體，在該活塞環(huán)本體的外周面上形成氮化層，因此，可提高活塞環(huán)本體自身的耐燒傷特性。此外，由于在形成氮化層的外周面上還形成5～25μm的氮化鉻被膜，因而，在不抬高活塞環(huán)自身單價的前提下，能進一步提高活塞環(huán)的耐磨特性。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明，利用氮化鉻層及在氮化鉻層下側(cè)形成的氮化層，可確保耐磨特性和耐燒傷特性，能得到在內(nèi)燃機使用的年限內(nèi)充分耐用的、具有優(yōu)良的耐磨特性和耐燒傷特性且廉價的活塞環(huán)。
權(quán)利要求
權(quán)利要求書1．一種活塞環(huán)，其特征是，由Fe-Cr-Co系合金構(gòu)成活塞環(huán)本體，在所述活塞環(huán)本體的外周面上形成氮化層，在形成所述氮化層的所述外周面上形成有5～25μm的氮化鉻被膜。
2．如權(quán)利要求1所述的活塞環(huán)，其特征是Fe-Cr-Co系合金由3～10重量％的Co，13～20重量％的Cr，余量為Fe組成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在內(nèi)燃機耐用年限內(nèi),能十分耐用的、耐磨特性和耐燒傷特性優(yōu)良且廉價的活塞環(huán)。該活塞環(huán)由Fe－Cr－Co系合金構(gòu)成活塞環(huán)本體,在活塞環(huán)本體的外周面上形成氮化層,在形成氮化層的外周面上形成有5～25μm的氮化鉻被膜。Fe－Cr－Co系合金優(yōu)選Co是3～10重量%,Cr是13～20重量%,其余是Fe的合金。
文檔編號F16J9/26GK1204724SQ98102968
公開日1999年1月13日 申請日期1998年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月10日
發(fā)明者根岸秀夫 申請人:日野自動車工業(yè)株式會社