專利名稱：：活塞環(huán)表面類金剛石復(fù)合涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種環(huán)保的活塞環(huán)表面加工方法，具體說(shuō)是涉及一種用等離子滲氮/物理氣相復(fù)合沉積相結(jié)合的方法在活塞環(huán)表面獲得氮化/類金剛石復(fù)合涂層，屬活塞環(huán)
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)件和易損件，在汽缸套中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)工作環(huán)境十分惡劣?；钊h(huán)在上、下止點(diǎn)之間其運(yùn)動(dòng)速度是循環(huán)變化的，同時(shí)變化不定的接觸壓力，較差的潤(rùn)滑狀況，特別是首環(huán)還受高溫燃?xì)獾母g。燃?xì)鈱?duì)油膜的燒損，常常使得活塞環(huán)處于一種半干摩擦或干摩擦狀況下工作，所以磨損是活塞環(huán)的主要失效形式。為了提高活塞環(huán)的耐磨性和使用壽命，國(guó)內(nèi)外活塞環(huán)專業(yè)廠家主要通過(guò)在活塞環(huán)表面電鍍硬鉻鍍層、氣體滲氮處理。其中鍍硬鉻的活塞環(huán)占到活塞環(huán)總數(shù)的50%70%，但是電鍍鉻工藝嚴(yán)重危害人體健康和污染環(huán)境，因而世界各國(guó)都制定了響應(yīng)的法規(guī)限制電鍍鉻工藝。而氣體滲氮處理的活塞環(huán)，在其表面獲得了較高的硬度和抗磨性能，但是摩擦系數(shù)很高，同時(shí)對(duì)配副缸套造成嚴(yán)重的磨損，嚴(yán)重降低缸套一活塞環(huán)摩擦副的運(yùn)行壽命。高速化、高功效、低排放是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)。高速、高載和熱疲勞導(dǎo)致的潤(rùn)滑環(huán)境惡化，使得活塞環(huán)的運(yùn)行環(huán)境(貧油或半干摩擦狀態(tài))更加苛刻。因此，發(fā)展綠色環(huán)保型的活塞環(huán)表面加工技術(shù)，在活塞環(huán)表面制備出高硬度、良好結(jié)合強(qiáng)度以及具有優(yōu)異抗磨和固體潤(rùn)滑特性的高性能涂層是延長(zhǎng)活塞環(huán)摩擦副壽命的有效方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種高硬度、高耐磨和在干摩擦或貧油狀態(tài)下具有減摩自潤(rùn)滑性能的活塞環(huán)及其表面加工方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明將活塞環(huán)表面低溫等離子滲氮處理和氣相沉積薄膜技術(shù)結(jié)合起來(lái)，具體是首先通過(guò)低溫等離子滲氮處理在活塞環(huán)表面生成一層具有結(jié)合強(qiáng)度高、高硬度、耐磨性好的氮化層，然后再采用磁過(guò)濾陰極弧一磁控濺射復(fù)合沉積一層具有固體潤(rùn)滑特性的無(wú)氫類金剛石(DiamondLikeCarbon,DLC)表面層，最終在活塞環(huán)表面獲得一種致密、平整光滑、具有優(yōu)異抗磨損與自潤(rùn)滑性能的氮化/DLC復(fù)合涂層。一種活塞環(huán)表面類金剛石復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于該方法包括-A、低溫等離子氮化處理將待處理的活塞環(huán)置于脈沖直流低溫等離子子滲氮爐中，在真空度達(dá)到2Pa，通入氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚膺M(jìn)行等離子滲氮處理，電流密度為l3mA/cm2，升溫至400~580°C，保溫16小時(shí)，然后隨爐冷卻至15(TC，完成對(duì)活塞環(huán)表面的氮化處理；B、磁過(guò)濾陰極弧一磁控濺射復(fù)合沉積摻鈦DLC涂層將等離子滲氮處理后的活塞環(huán)表面進(jìn)行拋光、清洗處理，最后在磁過(guò)濾陰極弧一磁控濺射復(fù)合沉積設(shè)備中沉積摻鈦類金剛石涂層；沉積過(guò)程中，真空室的本底真空為5xl0—卞a，放電氣壓為0.5Pa,氬氣氣氛，陰極為高純碳靶和鈦靶，活塞環(huán)樣品上施加2001000V的負(fù)偏壓，沉積時(shí)間為120300min，沉積厚度為25nm的含鈦DLC薄膜；自然冷卻，最后得到氮化/類金剛石復(fù)合涂層活塞環(huán)。通過(guò)本發(fā)明的低溫等離子氮化/無(wú)氫類金剛石復(fù)合涂層進(jìn)行表面強(qiáng)化的活塞環(huán)，在完成上述表面加工后，在進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)械加工等處理后，形成成品，成品活塞環(huán)表面復(fù)合涂層厚度為4(K20(^m，其中表層類金剛石涂層厚度為2~5pm?；钊h(huán)是直徑為100400mm的鑄鐵活塞環(huán)或不銹鋼質(zhì)活塞環(huán)。形成的活塞環(huán)表面氮化/DLC復(fù)合涂層表面致密，與基體結(jié)合良好，具有優(yōu)異的自潤(rùn)滑和耐磨性能。活塞環(huán)表面復(fù)合涂層的性能評(píng)價(jià)方法及結(jié)果如下結(jié)構(gòu)和成分用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察表面微觀形貌。用拉曼光譜儀對(duì)復(fù)合涂層表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。用PHI—5702型多功能X射線光電子(XPS)測(cè)定元素的結(jié)合狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果表明，活塞環(huán)表面復(fù)合涂層呈黑色，表面致密光亮。拉曼和XPS測(cè)試表明，表面沉積的摻鈦DLC涂層呈典型的類金剛石結(jié)構(gòu)特征。摩擦磨損性能采用UMT-2MT型摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)，干摩擦條件下采用往復(fù)滑動(dòng)的方式，滑動(dòng)速度為0.05m/s，載荷為10N，摩擦對(duì)偶為0)3mm的GCr15鋼球。測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于鑄鐵活塞環(huán)或不銹鋼活塞環(huán)，其摩擦系數(shù)變化范圍為0.40.7，伴隨著較大幅度的波動(dòng)。而氮化/摻鈦DLC復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)穩(wěn)定保持在0.130.15間，顯示出了良好的自潤(rùn)滑性能。活塞環(huán)表面氮化/摻鈦DLC復(fù)合涂層的磨損率明顯低于單一的活塞環(huán)表面DLC涂層低載荷下OON)，活塞環(huán)表面復(fù)合涂層的耐磨性是單一DLC涂層的35倍。高載荷下(50N)，復(fù)合涂層的耐磨性是單一DLC涂層的2025倍。同時(shí)與目前工業(yè)上廣泛采用的鍍鉻活塞環(huán)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表l所示?？梢钥闯?，活塞環(huán)表面氮化/DLC復(fù)合涂層具有較優(yōu)異的綜合性能。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)-1、采用本發(fā)明制得的氮化/摻鈦DLC復(fù)合涂層與活塞環(huán)牢固結(jié)合，具有優(yōu)異的抗磨與自潤(rùn)滑性能。其特點(diǎn)在于厚度較大、高硬度的滲氮層在復(fù)合涂層中充當(dāng)DLC薄膜的梯度層，提供良好的支撐和界面結(jié)合，克服了常規(guī)DLC薄膜內(nèi)應(yīng)力高、附著力差等缺點(diǎn)。而未氮化活塞環(huán)承載能力不足，在較高的載荷下，由于表面強(qiáng)烈的塑性變形和粘著導(dǎo)致表層DLC薄膜的快速失效。該活塞環(huán)比電鍍硬鉻活塞環(huán)或CrN鍍層活塞環(huán)具有更好的綜合性能，即使在活塞環(huán)和鋼壁油膜處于邊界狀態(tài)或半干摩擦狀態(tài)下，也具有良好的抗磨與潤(rùn)滑效果，能夠滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)高速、高功效以及低排放的要求。2、本發(fā)明的活塞環(huán)表面加工方法屬于真空等離子范疇，綠色環(huán)保，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。所采用的兩種復(fù)合工藝穩(wěn)定，適于工業(yè)化生產(chǎn)。具體實(shí)施方式實(shí)施例1取釩鈦合金鑄鐵活塞環(huán)，其主要參數(shù)為直徑為120mm，徑寬4mm，厚2.5mm的薄片開(kāi)口環(huán)狀零件。其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)為0.65~3.9C、2.3~2.9Si、0.6~1.0Mn、S0.69S、0.18~0.25V、0.05~0.15Ti，其余為Fe。其具體操作步驟為1、低溫等離子氮化處理將待處理的活塞環(huán)置于LDM2-25型脈沖直流低溫等離子滲氮爐中，離子氮化活塞環(huán)裝爐采用自由疊放式、開(kāi)口對(duì)齊，呈放射狀朝爐體圓心方向。在真空度達(dá)到2Pa以下，通入氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚膺M(jìn)行等離子滲氮處理，電流密度為l3mA/cm2，升溫至40058(TC，保溫68小時(shí)，然后隨爐冷卻至150'C，即完成了對(duì)活塞環(huán)表面的氮化處理。氮化層厚度由保溫溫度和保溫時(shí)間決定。2、磁過(guò)濾陰極弧一磁控濺射復(fù)合沉積摻鈦DLC涂層將等離子滲氮處理后的活塞環(huán)表面進(jìn)行拋光、清洗等處理，最后在磁過(guò)濾陰極弧一磁控濺射復(fù)合沉積設(shè)備中沉積摻鈦類金剛石涂層。沉積過(guò)程中，真空室的本底真空為5x10—4Pa，放電氣壓為0.5Pa，氬氣氣氛，陰極為高純碳靶和鈦靶，活塞環(huán)樣品上施加200~1000V的負(fù)偏壓，沉積時(shí)間為120300min，沉積厚度約為25nm的含鈦DLC薄膜。自然隨真空腔冷卻至100°C，取出樣品，最后得到氮化/類金剛石復(fù)合涂層活塞環(huán)。權(quán)利要求1、一種活塞環(huán)表面類金剛石復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于該方法包括A、低溫等離子氮化處理將待處理的活塞環(huán)置于脈沖直流低溫等離子子滲氮爐中，在真空度達(dá)到2Pa，通入氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚膺M(jìn)行等離子滲氮處理，電流密度為1～3mA/cm2，升溫至400～580℃，保溫1～6小時(shí)，然后隨爐冷卻至150℃，完成對(duì)活塞環(huán)表面的氮化處理；B、磁過(guò)濾陰極弧-磁控濺射復(fù)合沉積摻鈦DLC涂層將等離子滲氮處理后的活塞環(huán)表面進(jìn)行拋光、清洗處理，最后在磁過(guò)濾陰極弧-磁控濺射復(fù)合沉積設(shè)備中沉積摻鈦類金剛石涂層；沉積過(guò)程中，真空室的本底真空為5×10-4Pa，放電氣壓為0.5Pa，氬氣氣氛，陰極為高純碳靶和鈦靶，活塞環(huán)樣品上施加200～1000V的負(fù)偏壓，沉積時(shí)間為120～300min，沉積厚度為2～5μm的含鈦DLC薄膜；自然冷卻，最后得到氮化/類金剛石復(fù)合涂層活塞環(huán)。全文摘要本發(fā)明涉及一種在活塞環(huán)表面獲得具有高硬度、抗磨與自潤(rùn)滑特性的類金剛石復(fù)合涂層的制備方法。本發(fā)明通過(guò)低溫等離子滲氮處理在活塞環(huán)表面生成一層具有結(jié)合強(qiáng)度高、高硬度、耐磨性好的氮化層，然后再采用磁過(guò)濾陰極弧—磁控濺射復(fù)合沉積一層具有固體潤(rùn)滑特性的無(wú)氫類金剛石表面層，最終在活塞環(huán)表面獲得一種致密、平整光滑、具有優(yōu)異抗磨損與自潤(rùn)滑性能的氮化/類金剛石復(fù)合涂層。該發(fā)明活塞環(huán)涂層比電鍍硬鉻活塞環(huán)或CrN鍍層活塞環(huán)具有更好的綜合性能。文檔編號(hào)C23C28/00GK101665940SQ200810150858公開(kāi)日2010年3月10日申請(qǐng)日期2008年9月4日優(yōu)先權(quán)日2008年9月4日發(fā)明者張廣安,王立平,薛群基申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所