内燃机活塞环及生产方法和活塞环组件技术

本发明专利技术公开了一种具有钨钴合金和碳化铬涂层的内燃机活塞环，其特征是所述基体与缸体接触部表面设有耐磨涂层，耐磨涂层材料为钨钴合金和碳化铬的组合；以重量百分比计，钨钴合金的重量比为60﹪～80﹪，碳化铬的重量比为20﹪～40﹪，各组分之和为100﹪，其中钴元素为总组分的25﹪～45﹪；所述耐磨涂层是将钨钴合金和碳化铬采用物理气相沉积方法沉积到活塞环基体与缸体接触部表面；采用上述活塞环的活塞环组件，与燃烧室相邻的第二道活塞环的装配侧隙为0.15㎜～0.65㎜；本发明专利技术活塞环硬度提高了45.4﹪～73.1﹪，耐磨性提高了26.5﹪～61.8﹪，承载能力提升也提高了19.7﹪～78.5﹪；同时，也降低了活塞头部和环槽底部的应力集中。

Piston ring and production method and piston ring component of internal combustion engine

The invention discloses a piston ring with tungsten cobalt alloy and chromium carbide coating, which is characterized in that the wear resistant coating on the base and the cylinder contact surface, the coating is a combination of tungsten cobalt alloy and chromium carbide; by weight percentage, the weight ratio of tungsten cobalt alloy is 60 ~ 80%% the weight ratio of chromium carbide, 20 ~ 40%%, components and 100%, wherein the cobalt element is the total components of 25 ~ 45%%; the wear-resistant coating is tungsten cobalt alloy and chromium carbide by physical vapor deposition method to deposit the piston ring and cylinder contact surface of the substrate; the piston ring assembly of the piston ring assembly, and combustion chamber adjacent to the second side of the piston ring gap of 0.15 mm to 0.65 mm; the piston ring hardness is increased by 45.4 ~ 73.1%%, the wear resistance increases 26.5 ~ 61.8%%, enhance the carrying capacity Also increased 19.7 ~ 78.5%%; at the same time, but also reduces the piston head and the ring groove bottom stress concentration.

【技术实现步骤摘要】
内燃机活塞环及生产方法和活塞环组件
本专利技术涉及一种内燃机，具体地说是一种内燃机活塞环及生产方法和活塞环组件，特别是涉及一种具有钨钴合金和碳化铬涂层的内燃机活塞环及生产方法和活塞环组件。
技术介绍
内燃机活塞的主要作用是承受汽缸中的燃烧压力，并将此力通过活塞销和连杆传给曲轴，从而完成预定的工作。在活塞头部加工有多道安装活塞环的环槽，其作用防止高温、高压燃气从燃烧室窜入曲轴箱，同时阻止机油窜入燃烧室。活塞环数量取决于密封的要求，一般采用2～4道气环、1道油环，其中远离燃烧室端的活塞环为油环，其他的活塞环为气环。活塞环在高温、高压、动载、化学腐蚀环境中工作，是发动机易损件，因此人们一直研究提高活塞环使用寿命的方法。最新的研究成果表明，通过对活塞环表面热处理或加涂层的方法，可以增加活塞环的耐磨性，涂层材料一般为氮化铬或碳化钨。但氮化铬或碳化钨耐磨性能仍有待提高，且涂层在重载时会出现微裂纹，造成活塞环的失效。如申请号为200910182353.7的专利公开了一种有复合涂层的内燃机活塞环，涂层厚度为5～30μm，硬度为HV800～1600，涂层为镍基复合物、金属氮化物、金属碳化物或陶瓷复合物。又如申请号为201280051055.4的专利公布了一种涂有碳化钨和碳化铬的活塞环，碳化钨粒度为0.15～0.45μm，含有金属镍的喷涂层，镍的重量比为12.5﹪，碳化铬的重量比为37.5﹪，提高了活塞的耐磨性。再如申请号为CN201410820218.1的专利公布了一种强化涂层硬度、提高活塞表面涂层性能的方法，用镍钴硫化钨纳米晶合金对表面进行电镀。从以上现有技术文献可以看出，碳化钨/碳化铬/氮化铬等涂层已广泛应用于内燃机活塞环的外涂层中，以便提高其耐磨性和承载能力。但是，在高速内燃机（转速大于1000rpm）或重型内燃机（功率大于300马力）中，人们发现涂层强度和承载能力不够，造成磨损加剧，并产生微裂纹，微裂纹一直发展，直到涂层开始剥离活塞环基体（称为起鳞），而造成活塞环的破坏。由于涂层剥离形成的坚硬杂质物会在内燃机内部（随润滑油一起）移动，因此可能造成活塞环的严重磨损，甚至造成内燃机的严重事故。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有钨钴合金和碳化铬涂层的内燃机活塞环及生产方法和活塞环组件。活塞环的装配端隙即活塞环装到气缸内后，在开口处呈现的间隙，以防活塞环受热膨胀后卡死。一般为0.29～0.49㎜，油环为0.50～1.0㎜。活塞环的装配侧隙（边隙）指活塞环在环槽内的上下间隙；侧隙过大会影响活塞的密封作用，侧隙过小活塞环会卡死在环槽内；一般第一道气环的侧隙为0.05～0.11㎜，其余两道气环及油环均为0.03～0.09㎜。活塞环的装配背隙是指活塞装入气缸后活塞环背面与活塞环槽直边底部之间的间隙，一般用槽深与环厚之差来表示，一般在0～0.75㎜范围，是活塞环在工作时靠燃烧时的高压气体进入背隙对活塞环产生压力，来加强活塞环与气缸工作面的密封作用。本专利技术是采用如下技术方案实现其专利技术目的的，一种内燃机活塞环，它包括由金属材料制成的基体，所述基体与缸体接触部表面设有耐磨涂层，耐磨涂层材料为钨钴合金和碳化铬的组合；以重量百分比计，钨钴合金的重量比为60﹪～80﹪，碳化铬的重量比为20﹪～40﹪，各组分之和为100﹪，其中钴元素为总组分的25﹪～45﹪。为提高基体与耐磨涂层之间的结合力和耐磨涂层的承载能力，本专利技术基体与耐磨涂层之间设有硬化涂层，所述硬化涂层的厚度为5μm～25μm，硬化涂层的孔隙度小于6﹪。本专利技术所述钨钴合金中的钨可为铑或铪或钽或钛或锆或钼或铌或铱中的一种或多种。本专利技术所述耐磨涂层的晶状结构为柱状晶体结构，是钨钴合金和碳化铬的组合晶相。本专利技术所述耐磨涂层的厚度为10μm～50μm，耐磨涂层的孔隙度为3﹪～12﹪，耐磨涂层的硬度为维氏1850～2350。一种如上所述的内燃机活塞环生产方法，所述耐磨涂层是将钨钴合金和碳化铬采用物理气相沉积方法沉积到活塞环基体与缸体接触部表面。一种如上所述的内燃机活塞环生产方法，所述硬化涂层是对活塞环基体与缸体接触部表面进行渗碳处理。为降低活塞头部和环槽底部的应力集中，一种采用如上所述的内燃机活塞环的活塞环组件，它包括安装在活塞头部的活塞环，活塞头部至少设有用于安装活塞环的三道环槽，与燃烧室相邻的第二道活塞环的装配侧隙为0.15㎜～0.65㎜。本专利技术第二道活塞环的装配侧隙优选为0.35㎜～0.65㎜，结合活塞环槽部的高度设计，最优为0.35㎜～0.45㎜。为进一步降低环槽底部的应力集中，本专利技术所述环槽底部为圆弧底形状。由于采用上述技术方案，本专利技术较好的实现了专利技术目的，活塞环耐磨涂层中加入金属钴后，其涂层的硬度、耐磨性能和承载能力都有了很大程度的提高，经试验，与传统的碳化钨/碳化铬涂层比较，活塞环硬度提高了45.4﹪～73.1﹪，耐磨性提高了26.5﹪～61.8﹪，承载能力提升也提高了19.7﹪～78.5﹪；同时，在活塞组件中增加第二道活塞环的装配侧隙，且环槽底部改为圆弧底，也降低了活塞头部和环槽底部的应力集中。附图说明图1是本专利技术活塞环的涂层结构示意图；图2是本专利技术活塞组件的结构示意图；图3是本专利技术第二环槽在燃烧负载下变形后的示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1：由图1可知，一种内燃机活塞环，它包括由金属材料制成的基体1，所述基体1与缸体5接触部表面设有耐磨涂层2，耐磨涂层2材料为钨钴合金和碳化铬的组合；以重量百分比计，钨钴合金的重量比为60﹪～80﹪，碳化铬的重量比为20﹪～40﹪，各组分之和为100﹪，其中钴元素为总组分的25﹪～45﹪。为提高基体1与耐磨涂层2之间的结合力和耐磨涂层2的承载能力，本专利技术基体1与耐磨涂层2之间设有硬化涂层3，所述硬化涂层3的厚度为5μm～25μm，硬化涂层3的孔隙度小于6﹪。本专利技术所述钨钴合金中的钨可为铑或铪或钽或钛或锆或钼或铌或铱中的一种或多种。本专利技术所述耐磨涂层2的晶状结构为柱状晶体结构，是钨钴合金和碳化铬的组合晶相。本专利技术所述耐磨涂层2的厚度为10μm～50μm，耐磨涂层2的孔隙度为3﹪～12﹪，耐磨涂层2的硬度为维氏1850～2350。一种如上所述的内燃机活塞环生产方法，所述耐磨涂层2是将钨钴合金和碳化铬采用物理气相沉积方法沉积到活塞环基体1与缸体5接触部表面。一种如上所述的内燃机活塞环生产方法，所述硬化涂层3是对活塞环基体1与缸体5接触部表面进行渗碳处理。由图2可知，为降低活塞4头部区域（即S1区域）和第一环槽底部区域（即S2区域）的应力集中，一种采用如上所述的内燃机活塞环的活塞环组件，它包括安装在活塞4头部的活塞环，活塞4头部至少设有用于安装活塞环的三道环槽，与燃烧室相邻的第二道活塞环的装配侧隙6为0.15㎜～0.65㎜。为进一步降低环槽底部8区域的应力集中，本专利技术所述环槽底部8为圆弧底形状。本专利技术活塞环的装配背隙7为0.00㎜～0.15㎜。本实施例活塞环的基体1为金属合金，如铸铁、不锈钢、硬质铝合金材料等。为减少活塞环与缸体5接触面积，便于提高表面涂层质量，降低表面处理成本，活塞环设计成锥形轴状。这样，可以减少贵金属消耗，降低了活塞环的制造成本。同时，也降低了活塞环的质量，从而降低了活塞的惯性力，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内燃机活塞环，它包括由金属材料制成的基体，其特征是所述基体与缸体接触部表面设有耐磨涂层，耐磨涂层材料为钨钴合金和碳化铬的组合；以重量百分比计，钨钴合金的重量比为60﹪～80﹪，碳化铬的重量比为20﹪～40﹪，各组分之和为100﹪，其中钴元素为总组分的25﹪～45﹪。

【技术特征摘要】
1.一种内燃机活塞环，它包括由金属材料制成的基体，其特征是所述基体与缸体接触部表面设有耐磨涂层，耐磨涂层材料为钨钴合金和碳化铬的组合；以重量百分比计，钨钴合金的重量比为60﹪～80﹪，碳化铬的重量比为20﹪～40﹪，各组分之和为100﹪，其中钴元素为总组分的25﹪～45﹪。2.根据权利要求1所述的内燃机活塞环，其特征是基体与耐磨涂层之间设有硬化涂层，所述硬化涂层的厚度为5μm～25μm，硬化涂层的孔隙度小于6﹪。3.根据权利要求2所述的内燃机活塞环，其特征是所述钨钴合金中的钨可为铑或铪或钽或钛或锆或钼或铌或铱中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的内燃机活塞环，其特征是所述耐磨涂层的晶状结构为柱状晶体结构，是钨钴合金和碳化铬的组合晶相。5.根据权利要求4所述的内燃机活塞环，其特征是所述耐磨涂层的厚度为10μm～50μm，耐...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳，廖成勇，廖建勇，
申请(专利权)人：湖南城市学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43