活塞环
阅读：960发布：2020-05-11
专利汇可以提供活塞环专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 活塞 环，其包括 活塞环 体和形成在活塞环体上下表面中的至少一个表面上的表面涂膜。该表面涂膜包括耐热 树脂 和含在耐热树脂中的 金属粉末 ，并且，在其上要形成活塞环体的表面涂膜的那个表面上形成一个 磷酸 盐 涂膜，作为该表面涂膜的 基础 涂膜。，下面是活塞环专利的具体信息内容。
1.一种活塞环，该活塞环包括活塞环体和形成在该活塞环体上下表面中的至少一个表面上的表面涂膜，其中，该表面涂膜包括耐热树脂和含在该耐热树脂中的金属粉末，并且，在其上要形成该活塞环体的表面涂膜的那个表面上形成磷酸盐涂膜，作为该表面涂膜的基础涂膜，其中所述金属粉末是纯铜或铜合金中任一种，金属粉末相对于整个表面涂膜的质量百分比含量在20-80％的范围内，其中，
所述磷酸盐涂膜是一种磷酸锰系涂膜材料制成的涂膜，
所述磷酸盐涂膜的厚度在1-10微米之间，
所述磷酸盐涂膜具有按JIS B 0601(1994)的十点平均粗糙度Rz在2-10微米的表面粗糙度，
所述耐热树脂包括相对整个表面涂膜的质量百分含量在2-10％之间的固体润滑剂，所述固体润滑剂是二硫化钼，
耐热树脂是聚酰胺酰亚胺树脂。
2.一种活塞环，该活塞环包括活塞环体和形成在该活塞环体上下表面中的至少一个表面上的表面涂膜，其中，该表面涂膜包括耐热树脂和含在该耐热树脂中的氧化铜粉末，并且，在其上要形成该活塞环体的表面涂膜的那个表面上形成磷酸盐涂膜，作为该表面涂膜的基础涂膜，其中氧化铜粉末相对于整个表面涂膜的质量百分比含量在20-80％的范围内，其中，
所述磷酸盐涂膜是一种磷酸锰系涂膜材料制成的涂膜，
所述磷酸盐涂膜的厚度在1-10微米之间，
所述磷酸盐涂膜具有按JIS B 0601(1994)的十点平均粗糙度Rz在2-10微米的表面粗糙度，
所述耐热树脂包括相对整个表面涂膜的质量百分含量在2-10％之间的固体润滑剂，所述固体润滑剂是二硫化钼，
耐热树脂是聚酰胺酰亚胺树脂。
活塞环
技术领域
背景技术
[0002] 通常，一个压缩环和一个油环作为一套活塞环被安装到作往复运动的活塞上。压缩环的作用是防止在高压燃气从燃烧室侧吹入曲轴室侧过程中的漏气(blow-by)现象。另一方面，油环的主要功能是抑制油上窜(oil-up)现象，在这种上窜现象中，粘附在汽缸内壁表面的过量润滑剂从曲轴室侧侵入燃烧室侧并被浪费了。在活塞环的现有标准组合中，公知有一种三个环的组合，包括一个顶环(one top ring)和一个副环共两个压缩环以及一个油环。
[0004] 在这些表面处理中，氮化处理具有很高的评价，并被广泛用于在苛刻环境下工作的活塞环的表面处理中，因为氮化处理能提供优秀的耐磨损性能。
[0005] 但是，虽然经过氮化处理的活塞环在耐磨性上非常优秀，但在将其用于铝合金活塞时，活塞的环槽的磨损将会增加。另外，如图1A至图1C所示，会发生使铝从铝合金制成的活塞槽的下表面粘附到活塞环1的下表面3上的现象。(参见图1C)
[0006] 图2A至图2C用图表显示了通过使用触针式表面粗糙度测试机得出的活塞的环槽的上、下表面2和3的表面状态的变化。如图2所示，活塞环槽的上、下表面2和3的表面状态从图2A中所示的正常状态经过图2B中的活塞环槽粗糙状态变成图2C中所示的铝粘附状态。
[0008] 另外，图3A至图3C示出了铝粘附的机制，其中图3A示出了活塞环1的下表面3和铝合金活塞10的槽的下表面11通过形成在这两个表面上的厚度低于0.2微米的氧化膜8互相接触，图3B示出了互相接触的氧化膜8的局部的应力升高，这种应力升高破坏了氧化膜8，活塞环1的下表面3上的铁和铝合金活塞1 0的槽的下表面11上的铝连在一起，图3C示出了铝合金20熔到活塞环1的下表面3。
[0010] 如前面所述，由于活塞环的垂直运动，因而当在活塞槽的预定部分发生熔焊现象所导致的局部磨损时，泄漏气体(blow-by gas)的泄漏就导致内燃机密封性能的下降，进而降低了功率输出。这种现象在短时间内发生在活塞环槽下侧，并且对内燃机的耐久性产生很大的影响。所以，已经针对活塞槽的磨损提出了一些对策。
[0011] 例如，作为对抗活塞槽磨损的手段，为了防止活塞和活塞环彼此直接接触，对活塞进行活塞内的基质强化处理、阳极氧化膜涂层处理或者电镀处理，另一方面，对活塞环进行磷盐薄膜涂层处理或者电镀处理，或者如图5A和图5B所示，对活塞10和活塞环1的表面进行树脂(例如，Defric(由KAWAMURAKENKYUSHO制造))涂层处理。
[0012] 另外，为了解决上述问题，研究并提供了一种活塞环，在其上下表面或者只在活塞环的下表面形成有诸如氮化层或电镀铬层的抗磨损处理层，在所述抗磨损处理层的一个表面上形成有含固体润滑剂的聚苯并咪唑(polybenzoimidazol)树脂薄膜(参见专利公开文献1：JP-H7-063266)。
[0013] 另外，除本申请的申请人以外还有其他人研究并提供了一种活塞环，该活塞环表面上涂敷了含固体润滑剂的耐热树脂(参见专利公开文献2和3：JP-H10-246149和JP-H11-246823)。
[0014] 但是，上述对抗活塞槽磨损的现有技术手段可能对在活塞使用的初始阶段中所产生的铝粘附有效，但对活塞的长期使用却是不够的，所以需要提高耐久性。
[0015] 更具体地说，例如，虽然前述专利文献1披露了一种由聚苯并咪唑树脂和固体润滑剂(石墨或MoS2)组成的表面涂膜。在涂膜的形成阶段，所述聚苯并咪唑树脂在还处于液体树脂时很容易被氧化，而且会随着时间变质。所以，在使用上要注意。另外，聚苯并咪唑的品质很难长时间地保持稳定。
[0016] 另外，上述专利文献2披露了一种由聚酰胺酰亚胺树脂或聚酰亚胺树脂和固体润滑剂(石墨、MoS2、WS2或者聚四氟乙烯)组成的表面涂膜。但是这种表面涂膜不能充分地防止铝粘附而且还带来成本增加的问题。
[0017] 还有，上述专利文献3披露了一种由聚酰胺酰亚胺树脂或聚酰亚胺树脂和例如MoS2或Sb2O3的固体润滑剂组成的表面涂膜。但是，这种涂膜不能充分地防止铝粘附，而且Sb2O3是对环境有害的，所以难以使用。
[0018] 在防止活塞环槽磨损的常规技术中，含有固体润滑剂的表面涂膜被用于活塞环表面，以便为活塞环体的表面赋予表面润滑性。相反，本发明中，所述表面涂膜所含的是金属粉末而不是固体润滑剂。
[0019] 如前所述，在常规技术中，是通过提高活塞环表面的润滑能力(润滑性)来减少活塞环槽的磨损的。这可以通过为活塞环表面赋予润滑性来实现。
[0020] 但是，在该方法中，可能在具有足够润滑性的表面涂膜还存在的初始阶段没有什么问题，但是经过较长时间后，表面涂膜自身可能被磨损或者剥落，这导致了润滑能力的损失，活塞环体的表面可能会直接暴露出来而活塞环槽可能磨损。
发明内容
[0021] 在考虑了上述情况的基础上，本发明的目的是提供一种能提高耐磨损性能、能有效防止活塞环上的铝粘附现象、并能有效防止表面涂膜从活塞环体上剥落的活塞环。
[0022] 根据本发明，通过提供一种包括活塞环体和形成在该活塞环体上下表面中的至少一个表面上的表面涂膜的活塞环，能够实现上述以及其他目的，其中，表面涂膜包括耐热树脂和包含在耐热树脂中的金属粉末，在其上要形成活塞环体的表面涂膜的那个表面上形成一磷酸盐涂膜，作为该表面涂膜的基础涂膜。
[0024] 理想的是磷酸盐涂膜的厚度在1-10微米之间，磷酸盐涂膜的表面粗糙度按JIS B0601(1994)的十点平均粗糙度Rz在1-10微米之间。
[0025] 金属粉末可以是纯铜、氧化铜或铜合金之一，金属粉末相对于整个表面涂膜的含量在20％-80％质量百分比的范围内。耐热树脂可以包括相对整个表面涂膜的含量在2％-10％质量百分比的固体润滑剂，固体润滑剂可以是二硫化钼、二硫化钨或石墨中的一种或者多种。
[0026] 还理想的是耐热树脂是聚酰胺酰亚胺树脂或聚酰亚胺树脂。
[0027] 根据上述特征的本发明，由于在活塞环体上下表面中的至少一个表面上有由耐热树脂和含在耐热树脂中的金属粉末组成的所述表面涂膜，因此可以防止铝合金活塞环槽的一部分从活塞环上剥落并粘附到活塞环，另外，由于作为基础涂膜的磷酸盐涂膜形成在其上要形成活塞环体的表面涂膜的那个表面上，因而所述表面涂膜可以通过该磷酸盐涂膜稳固地固定到活塞环体上，从而能有效地防止表面涂膜从活塞环体上剥落。
[0028] 另外，根据本发明，由于润滑性被通过构成表面涂膜的耐热树脂施加到活塞环体的表面，另外，形成在活塞环上的表面涂膜也可以被金属粉末赋予耐磨损性能。通过在要在其上形成活塞环体的表面涂膜的那个表面上形成磷酸盐涂膜作为基础涂膜，能防止该表面涂膜从活塞环上剥落，这样耐热树脂所带来的润滑性就能被长时间地保持。
[0029] 本发明的实质和其他特性特征通过下面结合附图的描述将变得更加清楚。
附图说明
[0030] 在附图中：
[0031] 图1包括示出铝粘附现象的视图，其中图1A是活塞的部分截去的透视图，图1B是部分地示出活塞环和活塞环槽的放大透视图，图1C是部分地示出粘附到活塞环上的铝的放大透视图；
[0032] 图2包括图2A、图2B和图2C，示出了活塞环槽上下表面的表面状态的变化；
[0033] 图3包括图3A、图3B和图3C，示出了铝粘附机制的剖视图；
[0034] 图4是示出了铝粘附部分的放大图；
[0035] 图5包括示出了常规树脂涂层处理的图5A和图5B；
[0036] 图6是示出了根据本发明一个实施例的活塞环的剖视图；
[0037] 图7包括图7A和图7B，其中图7A表示图6所示活塞环的表面涂膜附近的部分的放大剖视图，图7B表示图6所示活塞环的上表面的放大正视图；
[0038] 图8是说明剥落评估测试结果的图。
具体实施方式
[0039] 下面将参考图6和图7对根据本发明的活塞环的一个实施例进行描述。
[0040] 参见图6，本发明实施例的一个活塞环60具有活塞环体61和形成在活塞环体61上下表面中的至少一个(图6中是两个表面)上的表面涂膜62。另外，磷酸盐薄膜65，作为基础(涂层)薄膜，形成在活塞环体的其上要形成表面涂膜62的那个表面上。
[0041] 本发明的活塞环体61并不特别限制其材料，可以使用任何材料。例如，钢(钢材料)可以是优选使用的，如不锈钢、SUS440、SUS410、SUS304等等，或者也可以使用8Cr钢、10Cr钢、SWOSC-V，或者SWRH材料。该活塞环可以用作起所谓压缩环作用的顶环或者用作副环(Second Ring)，而且，根据本发明，该活塞环可以用作油环。
[0042] 如图6和图7所示，在活塞环体61的表面上形成由耐热树脂63和含在耐热树脂63中的金属粉末(金属粉末颗粒)64组成的表面涂膜，在活塞环体61的其上要形成表面涂膜的那个表面上形成磷酸盐涂膜65作为基础涂膜。
[0043] 形成磷酸盐涂膜65的目的是防止表面涂膜从活塞环体上剥落。该磷酸盐涂膜65通过使用磷酸盐进行作为基本处理的化学变换处理形成在活塞环体61的其上要形成表面涂膜62的那个表面上。由于磷酸盐涂膜65的形成，能防止该表面涂膜62从活塞环体61上剥落。
[0044] 形成磷酸盐涂膜65的磷酸盐的类型和材料并不限制为某一种，只要能实现所述功能即可，但是理想的是，要能低成本地被简单地制造以及容易被加工。考虑到这些情况，理想的是使用磷酸锌盐类、磷酸锰盐类或磷酸锌钙类作为所述磷酸盐。
[0045] 另外，在本发明中虽然没有特别限制磷酸盐涂膜65的厚度，但是磷酸盐涂膜65优选具有1-10微米的厚度，更优选为2-3微米。如果厚度大于10微米，磷酸盐涂膜65变脆并且表面涂膜62和活塞环体61之间的紧固力可能会下降。另一方面，如果该厚度小于1微米的话，在表面涂膜62消失后铝粘附很容易发生在活塞和活塞环体61之间。
[0046] 另外，本发明中磷酸盐涂膜65的薄膜厚度是指在图7A中用“t1”和“t2”表示的磷酸盐涂膜65的平均薄膜厚度“t”。
[0047] 虽然本发明中并没有特别地限制磷酸盐涂膜65的表面粗糙度，但是优选的是，磷酸盐涂膜65的表面粗糙度在1-10微米之间，更优选的是，2-3微米。如果表面粗糙度大于10微米，磷酸盐涂膜65就逐渐活化，因此在磷酸盐涂膜65的表面产生树脂凹印，所以，磷酸盐涂膜65几乎不能均匀地形成，同时涂膜本身的紧固性能也会下降。而且，表面涂膜62形成在具有这样粗糙度的磷酸盐涂膜65上，表面会变得更加粗糙，这会导致初始泄漏气体的增加或者加重对活塞环的活塞环槽的冲击。另一方面，在表面粗糙度小于1微米的情况下，活塞环体61盒表面涂膜62之间的紧固性能会降低。
[0048] 另外，本发明中的表面粗糙度是指JIS B 0601(1994)规定的十点平均表面粗糙度Rz。
[0049] 使用耐热树脂63的目的主要是为了给活塞环表面赋予润滑性(润滑能力)，另一方面，使用金属粉末的目的是为了给含有金属粉末的表面涂膜62赋予耐磨损性能，从而以耐热树脂长时间地保持润滑性。
[0050] 构成本发明中表面涂膜62的耐热树脂63并不限于某种材料，只要它能承受活塞环工作时所处的环境气氛(温度)，具有润滑性且能保持和固定金属粉末即可。更具体而言，聚酰胺酰亚胺树脂(PAI)或聚酰亚胺树脂(PI)可作为这样的耐热树脂。
[0051] 另一方面，提供形成表面涂膜62的金属粉末64的目的是为含有这种金属粉末64的表面涂膜62赋予耐磨损性。该金属粉末64不局限于某种物质，只要它能实现上述目的即可，公知的金属可以被任意选择地使用。例如，所述金属粉末，可以是各种铜系粉末(copper system powders)如纯铜粉、氧化铜粉和其他铜合金如黄铜合金。但是，在本发明中，虽然金属粉末具有防止耐热树脂磨损的作用，但必须要避免其对不同材料的活塞环槽产生冲击，有鉴于此，不希望该金属粉末具有很高的硬度，所以纯铜或氧化铜是优选的。
[0052] 所述金属粉末64也不限制其形状，可以采用稳定形状如球形或多边形，或者不规则形状。但是，如上所述材料是铜系金属粉末时，必须要防止金属粉末64对由不同材料制成的活塞环槽产生冲击，有鉴于此，多边形是不推荐的，图7中的鳞状是优选的。通过采用鳞状金属粉末，并以图7中所示的重叠的方式将其布置在表面涂膜的厚度方向，能防止活塞环槽被破坏。
[0053] 如果所述金属粉末64是鳞状，其尺寸不被特别地限制，但是，该金属粉末优选具有8-12微米的平均颗粒直径。如果平均颗粒直径小于8微米，那么制造粉末的成本就会增加，另一方面，如果平均颗粒直径大于12微米，该金属粉末可能会对由不同材料制成的活塞环槽产生冲击。另外，应当注意到金属粉末64的颗粒直径是图7B中所示的长度“r”，表示沿鳞状片纵向的长度。
[0054] 另外，如果金属粉末64是鳞状的，则金属粉末64的比表面积(specificsurface2 2
area)优选在0.6-0.9mm/g之间。如果该比表面积小于0.6mm/g，那么耐热树脂63和金属粉末64就不能提供很好的紧固性能，也就是说，金属粉末64无法由耐热树脂固定。另一方
2
面，如果该比表面积大于0.9mm/g，金属粉末64就太大，并可能对由不同材料制成的活塞环槽产生冲击。另外，在本发明中，比表面积这一概念是指每1克(1g)金属粉末的表面积，该值通过透气法(airpermeability method)测得。
area)优选在0.6-0.9mm/g之间。如果该比表面积小于0.6mm/g，那么耐热树脂63和金属粉末64就不能提供很好的紧固性能，也就是说，金属粉末64无法由耐热树脂固定。另一方
2
面，如果该比表面积大于0.9mm/g，金属粉末64就太大，并可能对由不同材料制成的活塞环槽产生冲击。另外，在本发明中，比表面积这一概念是指每1克(1g)金属粉末的表面积，该值通过透气法(airpermeability method)测得。
[0055] 对于构成本发明活塞环的表面涂膜62，金属粉末64相对于耐热树脂63的含量被设置为达成一定程度的平衡，使得耐热树脂63能提供润滑能力同时金属粉末64能提供足够的耐磨损性能。更具体而言，金属粉末64相对于整个表面涂膜62的含量被设置为20-80％质量百分数是理想的，更优选的是，约50％质量百分数。如果金属粉末64的该质量百分数小于20％，那么不足以防止由于摩擦造成的表面涂膜的减少或消失，也就不足以防止铝粘附，另一方面，如果质量百分数大于80％，那么表面涂膜的弹性就会整体下降，用耐热树脂63来固定金属粉末64变得困难，这可能导致金属粉末67的分离。另外，考虑到一致性可以在耐热树脂63中加入少量的固体润滑剂。
[0056] 另外，构成根据本发明的活塞环的金属粉末64所占的面积比(参见图7B)优选在6-74％的范围内。在金属粉末64的该面积比下，耐热树脂63和金属粉末64能很好的平衡，并能充分地发挥它们的有利作用。
[0057] 另外，优选在耐热树脂63中含有固体润滑剂66，且固体润滑剂优选均匀地扩散。该固体润滑剂可以选自二硫化钼、二硫化钨或石墨中的一种或多种。如前所述，通过添加固体润滑剂，能提高铝粘附的初始磨合(running-in)。作为特定的含量，优选固体润滑剂66的含量占整个表面涂膜62的2-10％质量百分数(此时，当预定材料形成的金属粉末64的含量在20-80％质量百分数时，余量是耐热树脂63)。通过在活塞环的上下表面形成含有固体润滑剂和预定材料的金属粉末的表面涂膜，用铝制成的活塞的初始一致性和耐热性能都得到提高，所以，能防止铝粘附，从而给活塞环提供优良的耐久度。
[0058] 另外，作为固体润滑剂，硒化钨、硒化钼、氮化硼、氟树脂(聚四氟乙烯)等等也可以被使用，以获得基本相同的上述效果。
[0059] 根据本发明的表面涂膜的形成方法并不被特别地限制，例如，上述类型的金属粉末64含在作为耐热树脂的聚酰胺酰亚胺树脂中，然后通过喷涂法、浸渍法、静电涂覆法等方法将其涂敷在活塞环体61的表面上。另外，表面涂膜62可以根据时机需要进行再处理，例如热烘焙。
[0060] 如此形成的表面涂膜的厚度在3-20微米之间是理想的。
[0061] 范例
[0062] 通过参考本发明活塞环的范例和对比例进一步说明本发明。
[0063] 范例1-48和对比例1-6
[0064] 用对应于JIS SWOSC-V的材料制备一个对应于活塞环体的元件。活塞环具有以下尺寸：外径71mm，径向环宽度(a1)2.55mm，轴向环宽度(h1)1.2mm，所述JIS SWOSC-V材料的组成为：0.55％质量百分比的碳，1.4％质量百分比的硅，0.6％质量百分比的锰，0.02％质量百分比的磷，0.02％质量百分比的硫，0.65％质量百分比的铬，0.08％质量百分比的铜，余量是氟和不可避免的杂质。
[0065] 作为金属粉末颗粒的铜(Cu)系粉末和作为固体润滑剂的二硫化钼被含在作为耐热树脂的聚酰胺酰亚胺树脂中，该材料被喷涂到上述元件的上下两面以形成厚度10微米的表面涂膜。铜系粉末和二硫化钼的添加量如下表1所示。另外，通过作为基础薄膜的锰类磷酸盐进行化学转换处理，以在形成活塞环体表面涂膜的表面上形成磷酸盐涂膜65，然后，测量该磷酸盐涂膜65的厚度和表面粗糙度。
[0066] 准备好这样形成的活塞环测试件作为范例1-48和对比例1-6，通过使用这些范例，执行剥落(也就是横切)测试。
[0067] 这些测试是基于JIS K5400的横切测试，如图8所示，通过切割机以1mm的间隔在活塞环测试件的选定位置上形成切口，以形成正方形截面形状，每个切口都有刺透表面涂膜的深度。之后，粘附带被黏合上去，再剥落下来以确认和评估在来自切口的损坏大小或尺寸被放大了的基底上表面涂膜的紧固性能。
[0068] 在这些横切粘附测试中，观察到在切割损坏的相交点处有轻微的剥落现象，每个正方形(square-cross shape)没有剥落，且剥落部分的面积小于整个正方形面积的1％的情况评估为“◎”，观察到在切割损坏的相交点处有剥落现象，同时剥落部分的面积占整个正方形面积的1-3％的情况评估为“○”，观察到在切割损坏的相交点处有剥落现象，同时剥落部分的面积占整个正方形面积的3-5％的情况评估为“△”，观察到在切割损坏的相交点处有剥落现象，同时剥落部分的面积占整个正方形面积不低于5％的情况评估为“×”。
[0069] 测试结果和评估如表1所示。
[0070] 【表1】
[0071]
[0072]
[0073]
[0074] 通过范例1-48和对比例1-6的对比可以明显看出，相比于没有形成磷酸盐涂膜65的对比例1-6，根据本发明对磷酸盐执行化学转换处理以形成磷酸盐涂膜65的活塞环测试件上的表面涂膜上基本上没有观察到剥落现象。另外，在对本发明范例的测试中，损坏面积小于整个正方形面积的5％，所以可以确认具有优秀的防剥落效果。具体地，如果表面粗糙度在1-10微米的范围内，那损坏部分面积就小于整个正方形面积的3％，进而提供优秀的防剥落性能。
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