CN103469283B - 镶嵌耐磨粒子的复合镀层活塞环及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镶嵌耐磨粒子的复合镀层活塞环，包括铸铁材质的本体和镀覆在本体外圆上的复合镀层，复合镀层为镶嵌耐磨粒子的网纹状的电镀镀层，耐磨粒子为碳化硅、二氧化硅、三氧化铝、金刚石的一种或多种。镶嵌耐磨粒子的复合镀层活塞环的加工方法，包括配制复合镀溶液，铬酐的浓度为200～400克/升、硫酸的浓度为2～6克/升、苯甲酸的浓度为4～10克/升、耐磨粒子100～130克/升；通过施加正向电流在活塞环本体表面形成一层硬铬，施加反向电流进行反刻，反刻过程中耐磨粒子被吸附到裂缝中，经过反复操作耐磨粒子镶嵌在复合镀层中。本发明产品具有耐磨性能好、储油性能高、寿命长的特点，本发明的生产方法操作简单、稳定。
Description
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种镶嵌耐磨粒子的复合镀层活塞环。
背景技术
活塞环是发动机中最重要的零件之一，主要用于汽油机、柴油机、工程机械、水泵等内燃机中，其工作条件十分恶劣。通常，燃料在气缸中燃烧使活塞、活塞环组件往复运动，由于气缸内燃烧压力的作用，导致活塞环和气缸壁表面磨损。为了减少活塞环和气缸壁之间的磨损，除了加入润滑剂外，目前广泛的处理方式是对活塞环进行镀铬处理。但是随着内燃机行业的迅猛发展，活塞环要求工作温度高、热冲击大、速度高、寿命长、摩擦频繁，传统的活塞环单一材料表面处理方式已不能满足需要。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种耐磨性能好、储油性能高、寿命长的镶嵌耐磨粒子的复合镀层活塞环及其加工方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
镶嵌耐磨粒子的复合镀层活塞环，包括铸铁材质的本体和镀覆在本体外圆上的复合镀层，复合镀层为镶嵌耐磨粒子的网纹状的电镀镀层，所述耐磨粒子为碳化硅、二氧化硅、三氧化铝、金刚石的一种或几种的组合。
本发明的改进在于：所述复合镀层的网纹密度为40～100网纹/mm，网纹宽度1～5μm，网纹深度2～20μm，复合镀层的硬度为900～1200HV0.1，复合镀层的厚度为0.05～0.20mm。
本发明的进一步改进在于：所述耐磨粒子的粒径为0.5～5μm，耐磨粒子在复合镀层中的质量百分比为2～6%。
镶嵌耐磨粒子的复合镀层活塞环的加工方法，包括如下步骤：
A．配制复合镀溶液：在镀铬槽中加入2/3体积的去离子水，再依次加入铬酐、苯甲酸、硫酸，搅拌使铬酐和苯甲酸充分溶解，并在搅拌过程中加入耐磨粒子，再次补加去离子水至工作液面，配制的溶液要求铬酐的浓度为200～400克/升、硫酸的浓度为2～6克/升、苯甲酸的浓度为4～10克/升、耐磨粒子100～130克/升，通过水浴加热的方式控制使镀铬槽中的复合镀溶液的温度为50～70℃；
所述耐磨粒子为碳化硅、二氧化硅、三氧化铝、金刚石的一种或几种的组合，耐磨粒子的粒径为0.5～5μm；
B．将铸铁材质的本体与整流器的负极相连作为电镀的阴极，将不溶性材料与整流器的正极相连作为阳极，将阳极和阴极置于镀铬槽的复合镀溶液中；同时通过机械搅拌复合镀溶液，保持耐磨粒子悬浮在溶液中；
C．在阳极和阴极之间施加正向直流电流，电流密度为20～100A/dm2，施加时间为40～60分钟，在本体外表面形成一层硬铬层；
D．在阳极和阴极之间施加反向直流电流，活塞环表面的硬铬层反向刻蚀形成网纹，溶液中悬浮的耐磨粒子被吸附到网纹的裂缝中，电流密度为20～100A/dm2，施加时间为20～80秒；
E．在阳极和阴极之间施加正向直流电流，本体外表面镶嵌有耐磨粒子的网纹外表面再次形成一层硬铬，将耐磨粒子包裹固定；
F．根据镀层设计厚度，重复步骤C～E，直到达到镀层达到设计要求。
本发明镶嵌耐磨粒子的复合镀层活塞环的加工方法中，步骤C和步骤D中产生的三价铬离子的浓度控制为2～8克/升。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明将耐磨粒子添加在镀铬溶液中，在镀铬过程中在活塞环外圆上镀覆了一层镶嵌耐磨粒子的复合镀层，由于耐磨粒子本身硬度很高，有很好的耐磨性，且以网格状态镶嵌在镀铬层的裂纹中，形成了网状摩擦支撑面，耐磨性比普通镀铬层提高2.6～4倍，大大提高了活塞环的耐磨性，同时铬层网纹又提高了工作面的储油性能，降低了活塞环的摩擦系数，降低摩擦功耗，从而延长活塞环的使用寿命，降低用户的更换、维修成本。特别在300马力以上的高速柴油发动机上采用此种表面处理的活塞环，能提高发动机动力，降低燃油、机油消耗，延长发动机的使用寿命，降低污染物质的排放和工作噪声，达到节约石油能源、保护大气环境的目的。
本发明使用的耐磨粒子表面活性高，能在活塞环表面强烈吸附，不仅作为分散相，活塞环工作时形成耐磨支撑面，同时作为电化学结晶过程中的特殊结晶元素而形成结晶核心，含耐磨粒子的复合镀层晶粒细致，无方向性，其耐磨性比普通镀铬层提高260～400%。
本发明在电镀过程中首先通过整流器施加正向直流电流，被镀的本体作为阴极，复合电镀溶液中的正价铬离子被还原为金属铬并镀覆在本体的外表面，但是由于电镀层本身内部存在内应力，电镀层表面出现裂缝，在施加反向直流电流时，裂缝附近金属铬易被氧化为铬离子后电镀层表面形成一定形状的网纹，通过控制反向电流的大小和施加时间，可以容易控制电镀层网纹的密度、深度、宽度，同时施加反向直流电流时，复合镀溶液中的耐磨粒子在运动过程中进入到网纹的裂缝中，再次施加正向直流电流，没有添加耐磨粒子的复合镀溶液种的铬离子镀覆在镶嵌耐磨粒子的镀层表面，起到稳固耐磨粒子的作用。
本发明的镶嵌耐磨粒子的复合镀层活塞环的加工方法可以稳定和提高铬层和本体的结合强度，提高产品表面粗糙度，减少产品加工过程中外观上的废品，稳定电镀过程的各项工艺参数（如三价铬的浓度），减少析氢强度，提高过程电效率，释放产品铬层内应力，达到产品各项指标的一致性，提高批产的可操作性。
本发明在电镀过程中复合镀溶液一直处于机械搅拌中，耐磨粒子可以通过物理吸附和机械搅拌作用力进入到镀层反刻的裂缝中，且可以通过控制机械搅拌的强度影响镀层中镶嵌的耐磨粒子的浓度的大小。
附图说明
图1是本发明的主视图；
图2是本发明的A-A向视图；
图3是本发明复合镀层的截面示意图；
图4是本发明的复合镀层的金相截面示意图。
其中，1、本体，2、复合镀层，3、耐磨粒子。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明：
镶嵌耐磨粒子的复合镀层活塞环，其结构示意如图1、图2和图3所示，包括本体1和复合镀层2，复合镀层2覆盖在本体1外圆上的；本体1为铸铁材料，复合镀层2为镶嵌耐磨粒子3的镀层，复合镀层内形成网纹状，耐磨粒子镶嵌在复合镀层网纹内；耐磨粒子3为碳化硅、二氧化硅、三氧化铝、金刚石的一种或多种，耐磨粒子3的粒径为0.5～5μm，耐磨粒子在复合镀层2中的质量百分比为2～6%。
复合镀层2的网纹密度为40～100网纹/mm、网纹宽度1～5μm、网纹深度2～20μm，复合镀层的硬度为900～1200HV0.1，复合镀层的厚度为0.05～0.20mm。
镶嵌耐磨粒子的复合镀层活塞环的加工方法，包括如下步骤：
A．配制复合镀溶液：在镀铬槽中加入2/3体积的去离子水，再依次加入铬酐、苯甲酸、硫酸，搅拌使铬酐和苯甲酸充分溶解，并在搅拌过程中加入耐磨粒子，再次补加去离子水至工作液面，配制的溶液要求铬酐的浓度为200～400克/升、硫酸的浓度为2～6克/升、苯甲酸的浓度为4～10克/升、耐磨粒子100～130克/升，通过水浴加热的方式控制使镀铬槽中的复合镀溶液的温度为50～70℃；
B．通过机械搅拌复合镀溶液，保持耐磨粒子悬浮在溶液中；
C．将本体与整流器的负极相连作为电镀的阴极，将不溶性材料与整流器的正极相连作为阳极，将阳极和阴极置于镀铬槽的复合镀溶液中；
D．对整流器施加正向直流电流，电流密度为20～100A/dm2，施加时间为40～60分钟，在本体表面形成一层硬铬；
E．调节整流器施加反向直流电流，电流密度为20～100A/dm2，施加时间为20～80秒，活塞环表面的硬铬层反向刻蚀形成网纹，溶液中悬浮的耐磨粒子被吸附到网纹的裂缝中；
F．调节整流器施加正向直流电流，本体外表面镶嵌有耐磨粒子的网纹外表面再次形成一层硬铬，将耐磨粒子包裹固定；
G．根据镀层设计厚度，重复步骤C～F，直到达到镀层达到设计要求。
在电镀过程中复合镀溶液一直处于机械搅拌中，且电镀过程中铬酐发生电化学反应被还原为三价铬离子，控制步骤D和步骤E中产生的三价铬离子的浓度为2～8克/升。
下表为利用镶嵌耐磨粒子的复合镀层活塞环的加工方法制备的复合镀活塞环的实施例。
Claims (2)
1.镶嵌耐磨粒子的复合镀层活塞环的加工方法，其特征在于：所述活塞环包括铸铁材质的本体（1）和镀覆在本体（1）外圆上的复合镀层（2），复合镀层（2）为镶嵌耐磨粒子（3）的网纹状的电镀镀层，所述耐磨粒子（3）为碳化硅、二氧化硅、三氧化铝、金刚石的一种或几种的组合；
所述复合镀层（2）的网纹密度为47～80网纹/mm，网纹宽度1～4.8μm，网纹深度2～7.2μm或10.1～20μm，复合镀层的硬度为980～1150HV0.1，复合镀层的厚度为0.05～0.20mm；
所述活塞环的加工方法包括如下步骤：
A．配制复合镀溶液：在镀铬槽中加入2/3体积的去离子水，再依次加入铬酐、苯甲酸、硫酸，搅拌使铬酐和苯甲酸充分溶解，并在搅拌过程中加入耐磨粒子，再次补加去离子水至工作液面，配制的溶液要求铬酐的浓度为200~400克/升、硫酸的浓度为2~6克/升、苯甲酸的浓度为4~10克/升、耐磨粒子100~130克/升，通过水浴加热的方式控制使镀铬槽中的复合镀溶液的温度为50~70℃；
所述耐磨粒子（3）为碳化硅、二氧化硅、三氧化铝、金刚石的一种或几种的组合，耐磨粒子（3）的粒径为0.8～4.3μm；
B．将铸铁材质的本体（1）与整流器的负极相连作为电镀的阴极，将不溶性材料与整流器的正极相连作为阳极，将阳极和阴极置于镀铬槽的复合镀溶液中；同时通过机械搅拌复合镀溶液，保持耐磨粒子悬浮在溶液中；
C．在阳极和阴极之间施加正向直流电流，电流密度为20～100A/dm2，施加时间为40～60分钟，在本体（1）外表面形成一层硬铬层；
D．在阳极和阴极之间施加反向直流电流，活塞环表面的硬铬层反向刻蚀形成网纹，溶液中悬浮的耐磨粒子被吸附到网纹的裂缝中，电流密度为20～100A/dm2，施加时间为20～80秒；
E．在阳极和阴极之间施加正向直流电流，本体外表面镶嵌有耐磨粒子的网纹外表面再次形成一层硬铬，将耐磨粒子包裹固定；
F．根据镀层设计厚度，重复步骤C~E，直到达到镀层设计要求；
步骤C和步骤D中产生的三价铬离子的浓度为2~8克/升。
2.根据权利要求1所述的镶嵌耐磨粒子的复合镀层活塞环的加工方法，其特征在于：所述耐磨粒子（3）的粒径为0.8～4.3μm，耐磨粒子在复合镀层中的质量百分比为2～6%。
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