專利名稱：活塞環(huán)表面鋁鉻氮復(fù)合涂層及其工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在塞環(huán)表面涂覆復(fù)合涂層及其工藝方法，特別是在鋼質(zhì)或鑄鐵活活塞 環(huán)表面沉積鋁鉻氮復(fù)合涂層及其工藝方法。
背景技術(shù)：
活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)中的極其重要零件之一，其工作狀況復(fù)雜、維修時(shí)拆卸極不方便 以及將面臨更惡劣的使用條件。通過大量的失效活塞環(huán)研究分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)活塞環(huán)的失 效都是由于活塞環(huán)的過度磨損破壞而導(dǎo)致的。為提高活塞環(huán)的壽命及可靠性能，對(duì)活塞環(huán) 表面進(jìn)行處理，以提高硬度、耐磨損，耐高溫及表面材料的附著力等特性?；钊h(huán)表面材料 及其處理技術(shù)目前主要有電鍍Cr、氮化處理、熱噴涂陶瓷和氣相沉積TiN涂層、CrN涂層或 復(fù)合涂層等多種，在制備技術(shù)和表層材料性能方面仍有許多不足之處。在活塞環(huán)高硬度、熱 穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)低、表面材料附著力等綜合性能方面仍需提高。本發(fā)明涉及活塞環(huán)表面 復(fù)合涂層方面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種活塞環(huán)表面鋁鉻氮復(fù)合涂層及其工藝方法，即用真空 多弧離子鍍方法在活塞環(huán)表面沉積純Al過渡層和含有Al顆粒質(zhì)點(diǎn)的AlCrN耐磨復(fù)合涂 層，使其具有附著力強(qiáng)，高硬度，低摩擦系數(shù)，低涂層內(nèi)應(yīng)力，耐高溫，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足， 從而提活塞環(huán)的使用壽命。本發(fā)明的技術(shù)方案是活塞環(huán)表面鋁鉻氮復(fù)合涂層及其工藝方法，鋁鉻氮復(fù)合涂層 由兩層構(gòu)成，即底層為約2 μ m的Al過渡層，表層為20-30 μ m的含有IOvt. %左右Al粒子 的AlCrN耐磨復(fù)合涂層，硬度為2100-2600HV，摩擦系數(shù)為0. 14-0. 22，呈深灰色?；钊h(huán)表面鋁鉻氮復(fù)合涂層的工藝方法采用真空多弧離子鍍氣相沉積工藝，多弧 離子鍍膜機(jī)中至少有2個(gè)純Al靶和2個(gè)純Cr靶，純Al靶含Al量為99. 99%，純Cr靶含 Cr量為99. 8%，按下列工藝步驟，在鋼質(zhì)或鑄鐵活塞環(huán)表面沉積鋁鉻氮復(fù)合涂層①將活塞環(huán)用溶劑去污除油，并經(jīng)超聲波清洗干凈，干燥后裝入真空多弧離子鍍 膜機(jī)中，抽真空至1. 3 X 10_3Pa，再加熱至450-500°C，保溫40min ；②向真空多弧離子鍍膜機(jī)中通入99. 99%的Ar氣，在900V-1200V電壓下，Ar離子 轟擊20min左右；③將Ar氣壓力降至2_3Pa，引燃Cr靶電弧，在900V-1200V電壓下，對(duì)活塞環(huán)表面 進(jìn)行Cr離子和Ar離子混合等離子轟擊IOmin左右；④關(guān)閉Ar氣和Cr靶電弧，引燃Al靶電弧，在150-200V偏壓下，沉積純Al過渡層， 20min ；⑤向真空多弧離子鍍膜機(jī)通入N2至0. 8-3. 5Pa，引燃Cr靶和Al靶電弧，Cr靶電弧 電流為80-100A，一個(gè)Al靶電弧電流為70-80A，其余Al靶電弧電流為40-50A，在400V-500V 偏壓下沉積AlCrN耐磨涂層。
⑥隨爐冷卻至100°C以下出爐。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)涂層具有好的綜合性能純Al作為過渡層與活塞環(huán)本體及AlCrN涂層有優(yōu)良 的相容性，可使涂層與活塞環(huán)結(jié)合牢固，并且純Al的塑性好，作過渡層和以細(xì)小顆粒狀分 布在AlCrN涂層中，可降低AlCrN涂層的內(nèi)應(yīng)力和摩擦系數(shù)，同時(shí)涂層又具有高的硬度和耐 熱性。(2)本發(fā)明的工藝方法采用真空多弧離子鍍工藝，Cr靶和Al靶為常見的金屬材 料，加工容易，成本低廉，同時(shí)對(duì)環(huán)境無污染。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明如下實(shí)施例1 鉻鉬銅鑄鐵活塞環(huán)表面鋁鉻氮復(fù)合涂層及其工藝方法①將活塞環(huán)用溶劑去除油污，并經(jīng)超聲波清洗干凈，干燥后用專用夾具裝入六個(gè) 弧靶(3個(gè)Al靶和3個(gè)Cr靶構(gòu)成對(duì)靶)的真空多弧離子鍍膜機(jī)中，抽真空至1. 3 X 10_3Pa， 再加熱至500°C，保溫40min ；②通入99. 99%的Ar氣，在1200V偏壓下，Ar離子轟擊20min左右；③將Ar氣壓力降至2_3Pa，引燃Cr靶電弧，在1200V偏壓下，對(duì)活塞環(huán)表面進(jìn)行 Cr離子和Ar離子混合等離子轟擊IOmin左右；④關(guān)閉Ar氣和Cr靶電弧，引燃Al靶電弧，電流50A，在150V偏壓下，沉積純Al過 渡層，20min ；⑤通入N2至0.8-3. 5Pa，引燃Cr靶和Al靶電弧，Cr靶電弧電流為100A，一個(gè)Al 靶電弧電流為80A，其余兩個(gè)Al靶電弧電流均為50A，在450V偏壓下沉積AlCrN耐磨涂層， 2小時(shí)；⑥隨爐冷卻至100°C以下出爐得到的深灰色AlCrN復(fù)合涂層，厚度約23 μ m,經(jīng)微觀分析，涂層中分布平均粒度 為0. 9 μ m的Al顆粒(約IOvt. % )，摩擦系數(shù)測(cè)定值為0. 17，硬度為2400HV。實(shí)施例2 :60Si2Mn鋼質(zhì)活塞環(huán)表面鋁鉻氮復(fù)合涂層及其工藝方法①將活塞環(huán)用溶劑去除油污，并經(jīng)超聲波清洗干凈，干燥后用專用夾具裝入六個(gè) 弧靶(3個(gè)Al靶，3個(gè)Cr靶)的真空多弧離子鍍膜機(jī)中，抽真空至1.3 X10_3Pa，再加熱至 450°C，保溫 40min ；②通入99. 99%的Ar氣，在1000V偏壓下，Ar離子轟擊20min左右；③將Ar氣壓力降至2_3Pa，引燃Cr靶電弧，在1000V偏壓下，對(duì)活塞環(huán)表面進(jìn)行 Cr離子和Ar離子混合等離子轟擊IOmin左右；④關(guān)閉Ar氣和Cr靶電弧，引燃Al靶電弧，電流50A，在150V偏壓下，沉積純Al過 渡層，20min ；⑤通入N2至1. 5-3. 5Pa，引燃Cr靶和Al靶電弧，Cr靶電弧電流為80A，一個(gè)Al革巴 電弧電流為70A，兩個(gè)Al靶電弧電流為40A，在400V偏壓下沉積AlCrN耐磨涂層，3小時(shí)。⑥隨爐冷卻至100°C以下出爐。得到約28 μ m的深灰色AlCrN復(fù)合涂層，經(jīng)微觀分析，涂層中分布平均粒度為0.6μπι的Al顆粒(約8vt% )， 摩擦系數(shù)測(cè)定值為0.21，硬度為2200HV。
權(quán)利要求
活塞環(huán)表面鋁鉻氮復(fù)合涂層，其特征在于復(fù)合涂層有兩層構(gòu)成，底層約2μm的純Al過渡層，表層為AlCrN耐磨涂層，并在其中分布10vt.％左右的純Al顆粒質(zhì)點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞環(huán)表面鋁鉻氮復(fù)合涂層，其特征在于表層為AlCrN耐磨 涂層，厚度為10-30 μ m,并在其中分布純Al顆粒質(zhì)點(diǎn)，顆粒的平均粒度小于1 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞環(huán)表面鋁鉻氮復(fù)合涂層，其特征在于表層AlCrN耐磨涂 層呈深灰色，硬度達(dá)2100-2600HV，摩擦系數(shù)為0. 14-0. 22。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞環(huán)表面鋁鉻氮復(fù)合涂層的工藝方法，其特征在于是采用 真空多弧離子鍍氣相沉積工藝，多弧離子鍍膜機(jī)中至少有2個(gè)純Al靶和2個(gè)純Cr靶，構(gòu)成 對(duì)靶，純Al靶含Al量為99. 99 %，純Cr靶含Cr量為99. 8 %，按下列工藝步驟，在鋼質(zhì)或鑄 鐵活塞環(huán)表面沉積鋁鉻氮復(fù)合涂層①將活塞環(huán)用溶劑去污除油，并經(jīng)超聲波清洗干凈，干燥后裝入真空多弧離子鍍膜機(jī) 中，抽真空至1. 3\10-節(jié)3，再加熱至450-5001，保溫40111土11 ；②向真空多弧離子鍍膜機(jī)中通入99.99%的Ar氣，在900V-1200V電壓下，Ar離子轟擊 20min左右；③將Ar氣壓力降至2-3Pa，引燃Cr靶電弧，在900V-1200V電壓下，對(duì)活塞環(huán)表面進(jìn)行 Cr離子和Ar離子混合等離子轟擊IOmin左右；④關(guān)閉Ar氣和Cr靶電弧，引燃Al靶電弧，弧靶電流40-50A，在150-200V偏壓下，沉積 純Al過渡層，20min ；⑤向真空多弧離子鍍膜機(jī)通入N2至1.5-3. 5Pa，引燃Cr靶和Al靶電弧，Cr靶電弧電 流為80-100A，一個(gè)Al靶電弧電流為70A，其余Al靶電弧電流為40-50A，在400V-500V偏壓 下沉積AlCrN耐磨涂層；⑥隨爐冷卻至100°C以下出爐。
全文摘要
本發(fā)明是活塞環(huán)表面鋁鉻氮復(fù)合涂層及其工藝方法。采用真空多弧離子鍍氣相沉積法，在鋼質(zhì)或鑄鐵活塞環(huán)表面沉積AlCrN復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層由兩層構(gòu)成，底層約2μm的純Al過渡層，表層為AlCrN耐磨涂層，并在其中均勻分布10vt.％左右的純Al顆粒質(zhì)點(diǎn)，耐磨涂層厚度為10-30μm。該復(fù)合涂層與活塞環(huán)結(jié)合牢固，硬度高，摩擦系數(shù)低，耐高溫，成本低，無環(huán)境污染。
文檔編號(hào)C23C14/22GK101818321SQ201010136750
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者嚴(yán)茂源, 曾明, 蹇毅, 魏曉偉, 魏稔峻 申請(qǐng)人:西華大學(xué)