BN_SIN薄膜陶瓷活塞环表面处理技术

1、第29卷(2007)第1期柴油机DieselEngineVol.29(2007)NO.工艺与材料BN-SIN薄膜陶瓷活塞环表面处理技术吉国光,崔世林(新天地香港上饶汽运集团有限公司,江西上饶334000)摘要:利用低温(<300)等离子化学气相沉积技术(P-CVD),在活塞环表面生成双向扩散的金属陶瓷复合层,试验和实际运用表明该技术能提高活塞环的表面硬度、,并降低金属磨擦系数,从而降低活塞环的工作温度,减少变形,放,提高活塞环的使用寿命。关键词:发动机;活塞环;金属陶瓷复合层;+中图分类号:TK423133:A24357(2007)0120039203BN-SINMembraneCera

2、micPistonRingJiGuoguang,CuiShilin(XintiandiHongkongShangraoMotorTransportGroupCo.,Ltd.,JiangxiShangrao334000)Abstract:Lowtemperature(<300)P-CVDtechnologywasusedtoformtwo-waydiffusionmetalce2ramiccompositebedonthesurfaceofpistonring.Testresultsandapplicationindicatethatthistechnologycanimprovethes

3、urfacehardnessofpistonring,aswellaswearability,heatconductivityandtoughness.Mo2reover,itcanhelptodecreasecoefficientofmetalfrictionandthuslowertheworkingtemperatureofpistonring,reducedeformation,enhancegastightness,improvetheoverallenginesperformanceandemissionandextendtheservicelifeofpistonring.key

4、words:engine;pistonring;metalceramiccompositebed;surfacetreatment20世纪90年代末采取了以下几种降低磨损的措1概述国内外研制陶瓷活塞的技术大致有两种:一是在2001年之前采用的老技术,即用火焰喷涂法或高温等离子喷涂法向活塞环外圆表面及两端喷涂陶瓷粉;另一种是在2001年之后采用的新技术,即用低温(<300)等离子化学气相沉积技术(P-CVD)在活塞环外圆表面及两端面生成一层双向扩散的微晶体与网络结构并存的氮化硼氮化硅(BN-SIN)金属复合陶瓷层。老技术最大缺陷是因陶瓷、金属两种材料的热膨胀系数相差过大而易发生镀层脱落,特

5、别是在发动机中应用更易发生;此外喷涂时的高温陶瓷粉粒会引起金属表面过热,损坏基体材料。因此,在收稿日期:2006207211施:精车活塞表面时,在最后工序中具有较粗的储油面。但较粗的加工表面会使油偏高,通常仅在新环时能储油,因为粗糙表面终究会磨平滑的。粗糙的螺纹镀铬表面再镀以软性的材料如电镀锡或火焰镀锡以填塞凹槽。这对改进刮油和改善镀铬活塞环的性能方面有一定的好处。采用多孔铬。因为活塞环镀硬铬组织致密,不利于储油,用交换阴极的办法可使镀层成裂缝型,具有开口的储油网隙,可以改进镀铬环在高负荷工作时的抗拉伤能力。进行离子注入处理,其处理过程如图1所示。离子注入处理在真空中进行,将被处理的活塞环装在

6、夹具上。该夹具由一个驱动装置驱动,绕其轴线转动,以使活塞环被处理表面受到离子束的均40柴油机第29卷第1期匀照射,得到均匀一致的处理效果。注入氮离子时,离子源中产生的氮离子由一个加速装置加速至具有大约100kev的能量,形成高能离子束。高能离子高速撞击并挤入被处理活塞环表面,所以活塞环本身不需要加热,处理过程中其温度仅为200左右,因而可以保证活塞环的几何形状和尺寸精度,不存在普通表面处理工艺中使工件发生变形的问题。经过离子注入处理的活塞环不需要再进行机械加工和其它处理,即可装入发动机内使用。2500,而<300、P-CVD技术,其中,只有在该种状态下才具有一系列优越性。为实施<3

7、00,利用薄膜物理的专业知识采用一步法实现了目的。图1新技术吸取了上述改进措施中“低温”、“薄层”等优点,采用铬基复合陶瓷薄膜层在国内是首创,能提高活塞环的表面硬度、耐磨性,降低磨擦系数。在镀铬环表面生成复合陶瓷后,常温下导热系数可提高42186%,并随温度升高呈指数规律上升。从而降低环的工作温度,减少变形,提高密封性,改善发动机整机性能。使用渗浸陶瓷活塞环可高效节油,提高使用寿命,改善发动机排放。2BN-SIN薄膜陶瓷活塞环的主要技术指标及基本原理BN-SIN薄膜陶瓷活塞环(铬基)的主要技术指标为:表面硬度:HV011=9501300;渗浸层深度:XJCr=3070m;表面增厚:38m;导热

8、系数(室温):1824155W/(mk);摩擦系数:f=0106201088。在低于300的工作条件下,利用P-CVD技术在金属表面生成一层3070m的陶瓷复合层,该层由于陶瓷材料与金属发生相互扩散(如图2所示),活塞环成品的铬层厚度仅增加38m,这样既不会出现涂层脱落,也不会影响工件的装配精度。这种材料具有金属和陶瓷的性质,是一种特种功能材料。在结构上,金属复合陶瓷为网络与超微粒并存。超微粒子(最大直径为018m)随机分布于网络之中,使材料既有硬度、强度,提高了金属的耐磨性,又具有很好的韧性、光洁度,并可降低材料的摩擦系数(低于国外同类产品),产品摩擦性好。采用新的成分在铬表面实施双向扩散后

9、,室温下复合材料导热系数比铬的导热系数增加42168%,随温度升高呈指数函灵敏规律增加,而铬的导热随温度增加而下降。这一新的发明在发动机实际台架试验及应用过程中已取得显著效果。由于设计上、工艺上使用复合材料渗入与吸入原子性氧,在发动机中应用,有助于充分燃烧,同时还对发动机排放(CO、HC)起到氧化还原作用,所以能降低发动机的排放。3活塞环表面的渗浸陶瓷工艺(1)将活塞环装入渗陶炉中,抽真空。这样做,是防止环表面被氧化;保证被激活的气相物质的流动和扩散,使气相物质吸附在环表面。(2)加热衬底(<300)。在低温P-CVD工艺中,化学反应的分子激活虽然由高频电场进行不断补充,但工作温度对薄膜

10、生成、薄膜性质和化学反应等影响较大。(3)按一定比例通入氮气、硅烷、硼烷,在高频电场作用下和等离子的气氛中,通过对流、扩散至环表面,并吸附和发生反应形成陶瓷薄膜。这2007年1月吉国光等:BN-SIN薄膜陶瓷活塞环表面处理技术41些具有较大能量的陶瓷物质与基体金属发生双向扩散,最终形成金属陶瓷复合层。(4)在炉内上、下极板间加高频电压,以产生等离子体状态及不断补充气相分子的激活能量,从而保证气相分子较好地扩散附着在环表面,发生反应生成陶瓷物质后,仍有足够的能够使陶瓷物质向金属基体扩散。(5)Fe、Al、Cr是快扩散物质,受激活后易扩散。Cr基金属受陶瓷物质的撞击后被激活而与陶瓷相互扩散,最终形

11、成金属陶瓷复合层。如果要降低磨擦系数,该工艺应从下列途径着手:活塞环表面具有网状结构,能贮油;控制生成陶瓷微粒粒速度,最大颗粒直径为018m;表面形成陶瓷复合层,其晶粒被控制为六方体结构,BN、SIN是一种固体润滑剂。铬活塞环和镀钼活塞环很接近,镀铬渗陶活塞环和镀钼渗陶活塞环也较为接近,但渗陶的活塞环要优于不渗陶的活塞环。(5)柴油机在典型高粉尘环境用户试验表明:在多粉尘地区尤其是特殊高粉尘地区,初期使用的镀铬环或镀钼环的抗早期磨损性能均不理想,而镀铬渗陶活塞或镀钼渗陶活塞环的抗早期磨损性能取得非常理想的效果。(6)渗陶活塞环已通过240台G6135系列柴油机的产品验证,出厂验收时,各项指标均

12、达到验收要求,并且到目前为止,。195系列柴4BN-SIN、镀铬渗陶活塞环、劣,为改进设计提供依据,上海柴油机股份有限公司于2001年11月分别将4种活塞环装入G6135柴油机进行对比试验。试验结果如下:(1)试验表明镀铬活塞环、镀钼活塞环、镀铬渗陶活塞环、镀钼渗陶活塞环都能满足G6135柴油机出厂试验规范的要求。(2)就功率、燃油消耗指标而言,镀铬渗陶活塞环、镀钼渗陶活塞环要优于镀铬活塞环和镀钼活塞环。即在10002200r/min全负荷速度特性上,镀钼渗陶活塞环比镀钼活塞环功率大213412kW、燃油消耗要低318715g/(kWh),镀铬渗陶活塞环比镀铬活塞环功率大315418kW、燃油

13、消耗要低511811g/(kWh)。(3)在漏气量方面,在20002200r/min全负荷速度特性上,镀铬渗陶活塞环、镀钼渗陶活塞环比镀铬活塞环和镀钼活塞环小1020L/min,其它工况差别很小。(4)就功率、燃油消耗率、漏气量而言,镀缸套活塞环快速磨损试验方法规定进行耐磨性对比试验。结果表明,渗陶活塞环具有优异的耐磨性及配副性,同普通活塞环相比,耐磨性提高916%。2002年6月,一汽无锡柴油机质保部对4110ZL柴油机做1000h耐久性试验,结果表明,镀铬渗陶活塞环配表面激光淬火缸套经近500h试验后,活塞环开口间隙仅增加0101mm。2002年9月,铁道部产品质量检验中心机车车辆配件检验站检测表明,渗浸陶瓷活塞环的摩擦系数小于