本發(fā)明屬于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型高耐磨復(fù)合電鍍活塞環(huán)及其制備工藝。

背景技術(shù)：

活塞環(huán)是用于嵌入活塞槽溝內(nèi)部的金屬環(huán)，是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的核心部件，它和氣缸、活塞、汽缸壁等一起完成燃油氣體的密封?；钊h(huán)分為兩種，壓縮環(huán)和機(jī)油環(huán)，壓縮環(huán)用于密封燃燒室內(nèi)部的可燃混合氣體，機(jī)油環(huán)則用于刮除氣缸上多余的機(jī)油?；钊h(huán)的作用包括密封、調(diào)節(jié)機(jī)油(控油)、導(dǎo)熱(傳熱)、導(dǎo)向(支撐)作用，其必須具備以下特點(diǎn)：1、優(yōu)越的耐磨性能以及對(duì)缸套的低磨損性能，以延長發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命以及減少維修成本，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)有氣體壓力、自身的彈力、反復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力以及與缸套的摩擦力等，這些作用力作用在活塞環(huán)上會(huì)使得活塞環(huán)產(chǎn)生一些不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，加劇活塞環(huán)的磨損；2、優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和耐高溫、耐腐蝕性能，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中混合氣體燃燒后產(chǎn)生的高熱通過活塞環(huán)傳遞給氣缸壁，起到冷卻活塞的作用，通過活塞環(huán)向氣缸壁散出的熱量可達(dá)到活塞頂部承熱量的30%-40%；3、低摩擦系數(shù)，可以減少與缸套之間由于摩擦而造成的功率損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，降低油耗。目前發(fā)動(dòng)機(jī)正向高機(jī)械負(fù)荷、高輸出功率、低油耗及低廢氣排放等方向發(fā)展，因此活塞環(huán)厚度變薄，重量變輕，這就要求活塞環(huán)具有更高的強(qiáng)度、耐磨性，以及對(duì)缸套低磨損的特性。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，活塞環(huán)不僅要承受熱疲勞、熱應(yīng)力的影響，同時(shí)還要承受由燃燒氣體爆發(fā)壓力產(chǎn)生的大部分側(cè)面壓力帶來的磨損和黏著問題，因此對(duì)鋼制活塞環(huán)進(jìn)行表面處理已經(jīng)成為一道必不可少的工序，例如表面氮化，物理氣相沉淀法(PVD)等工藝，但是經(jīng)這些表面處理工藝后的活塞環(huán)并不能完全滿足其使用要求。活塞環(huán)表面離子氮化后形成了耐磨氮化層，在一定程度上提高了耐磨性，但是其耐磨性以及較低的導(dǎo)熱率并不能滿足活塞環(huán)的性能要求。物理氣相沉淀法(PVD)法是在活塞環(huán)表面沉積氮化物鍍層(TiN、CrN等)，這些鍍層具有較高的硬度和穩(wěn)定性，但是鍍層厚度超過50μm的情況下，由于鍍層內(nèi)應(yīng)力大的原因?qū)е洛儗咏Y(jié)合力下降以及出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象的發(fā)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種新型高耐磨復(fù)合電鍍活塞環(huán)，同時(shí)提供其制備方法是本發(fā)明的又一發(fā)明目的。

基于上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

一種新型高耐磨復(fù)合電鍍活塞環(huán)，包括鋼基體，所述鋼基體表面依次設(shè)置銅層、鎳層以及納米鉆石烯/鉻復(fù)合層。

所述銅層厚度為5～10μm，鎳層厚度為20～40μm，納米鉆石烯/鉻復(fù)合層厚度為20～40μm。

所述的新型高耐磨復(fù)合電鍍活塞環(huán)的制備方法，包括以下步驟：1）原料前處理：包括鋼基體和納米鉆石烯原材料的處理；所述鋼基體前處理為對(duì)鋼基體的拋光、去污處理；所述納米鉆石烯原材料前處理為對(duì)納米鉆石烯的堿洗、活化后烘干處理；

2）電鍍銅層：將前處理后的鋼基體以掛件形式放入鍍液中電鍍，鋼基體為陰極，銅板為象形陽極，陰陽兩極分別接電源的兩極，陰陽兩極通過鍍液連接，電鍍時(shí)鍍液處于攪拌狀態(tài)，攪拌頻率為35～40KHz；鍍液溫度為20～40℃，電流密度J為1～6A/dm²；所述電鍍銅鍍液各組成含量為：CuSO₄·5H₂O 180～220g/L、H₂SO₄(ρ=1.84g/cm³) 40～90g/L、Cl^-140～120mg/L、BH-533A 0.2～0.4ml/L、BH-533B 0.2～0.4ml/L、BH-533C 4～6ml/L；其中BH-533A、BH-533B、BH-533C為添加劑，BH-533A為主填平劑，BH-533B為光亮劑，BH-533C為潤濕劑；

3）清洗：將電鍍銅層的鋼基體以掛件形式置于去離子水清洗，旋轉(zhuǎn)掛件，轉(zhuǎn)速為20～30rpm，清洗時(shí)間為1～5min，重復(fù)清洗兩次即可將殘留的鍍液清除；

4）表面活化：將清洗后的電鍍銅層的鋼基體以掛件形式置于濃度為10g/L氨基磺酸溶液的活化液中，掛件旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為5～10rpm，活化時(shí)間為5s～30s；

5）清洗：活化后，以掛件形式置于清洗槽中，旋轉(zhuǎn)掛件，轉(zhuǎn)速為20～30rpm，清洗時(shí)間為30s～2min；

6）電鍍鎳層：電鍍鎳鍍液的各組成含量為：Ni (SO₃NH₂)₂ 400～600 g/L、NiCl₂ 12～18 g/L、H₃BO₃ 30～40 g/L、SDS(十二烷基硫酸鈉) 0.1～0.2 g/L、糖精 0.6～1 g/L、1,4-丁炔二醇 0.3～0.5 g/L；十二烷基硫酸鈉為潤濕劑，糖精和1,4-丁炔二醇為光亮劑，鍍液溫度為55℃～60℃，pH值為3.9～4.1，電流密度J為1～3A/dm²，待鍍件為陰極，鎳板為象形陽極，陽極外部用耐酸堿布包裹，防止電鍍過程中陽極溶解產(chǎn)生的陽極泥渣污染鍍液，電鍍時(shí)鍍液處于攪拌狀態(tài)，攪拌頻率為35～40KHz；

7）清洗：電鍍鎳結(jié)束后用去離子水進(jìn)行沖洗，將電鍍鎳層的鋼基體以掛件形式放入清洗槽中，旋轉(zhuǎn)掛件，轉(zhuǎn)速控制在20～30rpm，清洗時(shí)間為1～5min，清洗兩次，即可將殘留的鍍液清洗干凈；

8）表面活化：將清洗干凈的電鍍鎳層的鋼基體以掛件形式放入濃度為500～700g/LH₂SO₄溶液活化液中，溫度為40℃～60℃，掛件旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為5～10rpm，活化時(shí)間為5s～30s；

9）清洗：將電鍍鎳層的鋼基體以掛件形式置于去離子水中并旋轉(zhuǎn)掛件，轉(zhuǎn)速為20～30rpm，清洗時(shí)間為30s～2min；

10）電鍍納米鉆石烯/鉻復(fù)合層：先按以下配方配鉻鍍液：CrCl₃ 100～140g/L、HCOOK 60～100g/L、NaAC 30～35 g/L、H₃BO₃ 40～60 g/L、NH₄Cl 50～60 g/L、KCl 70～80 g/L、NH₄Br 10～20 g/L、SDS(十二烷基硫酸鈉) 20mg/L、CMC(羧甲基纖維素鈉) 0.2g/L、納米鉆石烯 10～40 g/L，再將前處理過的納米鉆石烯浸泡在鉻鍍液中，超聲1h后加入鍍液，制得納米鉆石烯/鉻鍍液，鍍液溫度為15～30℃，pH為1～3，電流密度J為8～16A/dm²，鍍液攪拌轉(zhuǎn)速為50～150rpm，電鍍鎳層的鋼基體為陰極，鉛銻合金為象形陽極(假陽極，在電鍍過程中不溶解，Sb%在6%～8%)，電鍍時(shí)間控制在30min～2h。其中HCOOK為主絡(luò)合劑，NaAC為輔助絡(luò)合劑，SDS為潤濕劑，CMC為分散劑，NH₄Cl和KCl為導(dǎo)電鹽，H₃BO₃為pH穩(wěn)定劑。

所述鋼基體具體采用以下方法進(jìn)行前處理：a.拋光，先對(duì)鋼基體機(jī)械拋光，再電解拋光，電解拋光是指將鋼基體置于拋光液中并以15～30rpm的速度攪拌拋光液進(jìn)行電解拋光，所述電解液的重量組成為：H₃PO₄ 72%、H₂CrO₄ 23%、H₂O 5%，電解液溫度控制在65～75℃，電流密度20～100A/dm²，時(shí)間3～5min；b.超聲波清洗 將電解拋光后的鋼基體置于去離子水超聲清洗并攪拌，超聲頻率為30～35KHz，轉(zhuǎn)速為15～25rpm，超聲清洗時(shí)間為1～5min；c.去離子水沖洗 用去離子水對(duì)超聲波清洗后的鋼基體沖洗；d.超聲波堿洗 將沖洗干凈的鋼基體置于堿洗液中超聲堿洗，以掛件形式放入堿洗槽中，堿洗槽底部安裝有超聲波發(fā)生器，超聲波頻率為30～35KHz，堿洗液為濃度為3%的無泡型金屬清洗劑溶液，堿洗液溫度為45～55℃，并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為25～35rpm，清洗時(shí)間為5～10min；e.超聲熱清洗 堿洗后的鋼基體以掛件形式放入40～50℃的去離子水超聲清洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲波頻率為30～35KHz旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為15～25rpm，清洗時(shí)間為30s～2min；f.超聲冷清洗 熱洗后的鋼基體以掛件形式放入常溫去離子水中超聲清洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲波頻率為30～35KHz，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為15～25rpm，清洗時(shí)間為30s～2min；g.酸洗除銹 將超聲冷清洗的鋼基體以掛件形式放入體積比為1:10濃鹽酸與濃硫酸混合的酸洗液中并攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為10～15rpm，酸洗時(shí)間為5s～1min；h.超聲波水洗 將酸洗后的鋼基體置于去離子水中超聲水洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲頻率為30～35KHz，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為15～25rpm，清洗時(shí)間30s～1min，重復(fù)步驟h兩次。

所述納米鉆石烯的前處理具體步驟為：

a.選用四種不同粒度的納米鉆石烯原料：50nm、100nm、200nm、250nm，其質(zhì)量比為(1～2)：(2～3)：(3～4)：(4～5)；

b.攪拌混料 將不同粒度的納米鉆石烯倒入三維混料機(jī)中進(jìn)行混料制得納米鉆石烯混合料，混料時(shí)間為5min～30min；

c.超聲波堿洗：將納米鉆石烯混合料放入濃度為10%～15%的NaOH堿洗液中超聲堿洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲頻率為30～40KHz，堿洗溫度為45～55℃，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為25～35rpm，清洗時(shí)間為25～35min，油污去除；

d.超聲波清洗：將堿洗后的納米鉆石烯混合料置于去離子水中超聲清洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲頻率為30～35KHz，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為15～25rpm，攪拌時(shí)間為20～25min，反復(fù)清洗直至上層清液pH=7；

e.酸洗活化：將超聲清洗后的納米鉆石烯混合料置于濃度為15%～35%的稀硫酸溶液中并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為10～15rpm，活化時(shí)間為10～15min，達(dá)到將原料表面活化的目的；

f.超聲波水洗：超聲波水洗為常溫清洗，超聲波頻率均為30～35KHz，水洗液為去離子水。將原料入去離子水中并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速控制在15～25rpm，攪拌時(shí)間在10～15min，測(cè)量上層清液pH值，反復(fù)清洗直至pH=7；

g.烘干：采用階梯式烘烤工藝進(jìn)行，升溫速率為2℃/min，常溫升溫至70℃，恒溫保溫30min，升溫至90℃，恒溫保溫30min，升溫至120℃，恒溫保溫3h，自然冷卻至常溫待用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果為：

1、設(shè)置的銅鍍層與鋼基體、鎳鍍層均有很好的結(jié)合力，并起到耐腐蝕的效果；

2、采用的納米鉆石烯硬度高、耐磨性強(qiáng)，與鉻復(fù)合后可顯著提高復(fù)合鍍層的強(qiáng)度及耐磨性，延長活塞環(huán)的使用壽命；

3、采用的納米鉆石烯導(dǎo)熱性良好且具有耐高溫性，使得混合氣體燃燒產(chǎn)生的熱量很快就可以通過活塞環(huán)傳遞到氣缸壁，降低活塞環(huán)的溫度，延長其使用壽命；

4、設(shè)置的納米鉆石烯/鉻復(fù)合鍍層潤滑性良好，摩擦系數(shù)低，發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高，油耗降低。

附圖說明

圖1本發(fā)明新型高耐磨復(fù)合電鍍活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為鍍層在5%NaCl溶液的Tafel曲線；

圖3為鍍層在5% H₂SO₄溶液的Tafel曲線；

圖4為鍍層在5% NaOH溶液的Tafel曲線；

圖5為不同納米鉆石烯含量時(shí)復(fù)合鍍層的硬度變化圖。

具體實(shí)施方式

以下采用具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種新型高耐磨復(fù)合電鍍活塞環(huán)，包括鋼基體1，所述鋼基體1表面依次設(shè)置銅層2、鎳層3以及納米鉆石烯/鉻復(fù)合層4。所述銅層2厚度為5μm，鎳層3厚度為20μm，納米鉆石烯/鉻復(fù)合層4厚度為20μm。

所述的新型高耐磨復(fù)合電鍍活塞環(huán)的制備方法，包括以下步驟：

1）原料前處理：包括鋼基體和納米鉆石烯原材料的處理；所述鋼基體前處理為對(duì)鋼基體的拋光、去污處理；所述納米鉆石烯原材料前處理為對(duì)納米鉆石烯的堿洗、活化后烘干處理；

2）電鍍銅層：將前處理后的鋼基體以掛件形式放入鍍液中電鍍，鋼基體為陰極，銅板為象形陽極，陰陽兩極分別接電源的兩極，陰陽兩極通過鍍液連接，電鍍時(shí)鍍液處于攪拌狀態(tài)，攪拌頻率為35～40KHz；鍍液溫度為20～40℃，電流密度J為1～6A/dm²；所述電鍍銅鍍液各組成含量為：CuSO₄·5H₂O 180～220g/L、H₂SO₄(ρ=1.84g/cm³) 40～90g/L、Cl^-140～120mg/L、BH-533A 0.2～0.4ml/L、BH-533B 0.2～0.4ml/L、BH-533C 4～6ml/L；其中BH-533A、BH-533B、BH-533C為添加劑，BH-533A為主填平劑，BH-533B為光亮劑，BH-533C為潤濕劑；

3）清洗：將電鍍銅層的鋼基體以掛件形式置于去離子水清洗，旋轉(zhuǎn)掛件，轉(zhuǎn)速為20rpm，清洗時(shí)間為1min，重復(fù)清洗兩次即可將殘留的鍍液清除；

4）表面活化：將清洗后的電鍍銅層的鋼基體以掛件形式置于濃度為10g/L氨基磺酸溶液的活化液中，掛件旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為5rpm，活化時(shí)間為5s；

5）清洗：活化后，以掛件形式置于清洗槽中，旋轉(zhuǎn)掛件，轉(zhuǎn)速為20rpm，清洗時(shí)間為30s；

6）電鍍鎳層：電鍍鎳鍍液的各組成含量為：Ni (SO₃NH₂)₂ 400 g/L、NiCl₂ 12 g/L、H₃BO₃30 g/L、SDS(十二烷基硫酸鈉) 0.1 g/L、糖精 0.6 g/L、1,4-丁炔二醇 0.3 g/L；十二烷基硫酸鈉為潤濕劑，糖精和1,4-丁炔二醇為光亮劑，鍍液溫度為55℃，pH值為3.9，電流密度J為1A/dm²，待鍍件為陰極，鎳板為象形陽極，陽極外部用耐酸堿布包裹，防止電鍍過程中陽極溶解產(chǎn)生的陽極泥渣污染鍍液，電鍍時(shí)鍍液處于攪拌狀態(tài)，攪拌頻率為35KHz；

7）清洗：電鍍鎳結(jié)束后用去離子水進(jìn)行沖洗，將電鍍鎳層的鋼基體以掛件形式放入清洗槽中，旋轉(zhuǎn)掛件，轉(zhuǎn)速控制在20rpm，清洗時(shí)間為1min，清洗兩次，即可將殘留的鍍液清洗干凈；

8）表面活化：將清洗干凈的電鍍鎳層的鋼基體以掛件形式放入濃度為500g/LH₂SO₄溶液活化液中，溫度為40℃，掛件旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為5rpm，活化時(shí)間為5s；

9）清洗：將電鍍鎳層的鋼基體以掛件形式置于去離子水中并旋轉(zhuǎn)掛件，轉(zhuǎn)速為20rpm，清洗時(shí)間為30s；

10）電鍍納米鉆石烯/鉻復(fù)合層：先按以下配方配鉻鍍液：CrCl₃ 100g/L、HCOOK 60g/L、NaAC 30 g/L、H₃BO₃ 40 g/L、NH₄Cl 50g/L、KCl 70 g/L、NH₄Br 10 g/L、SDS(十二烷基硫酸鈉) 20mg/L、CMC(羧甲基纖維素鈉) 0.2g/L、納米鉆石烯 10 g/L，再將前處理過的納米鉆石烯浸泡在鉻鍍液中，超聲1h后加入鍍液，制得納米鉆石烯/鉻鍍液，鍍液溫度為15℃，pH為1，電流密度J為8A/dm²，鍍液攪拌轉(zhuǎn)速為50rpm，電鍍鎳層的鋼基體為陰極，鉛銻合金為象形陽極(假陽極，在電鍍過程中不溶解，Sb%在6%)，電鍍時(shí)間控制在30min。其中HCOOK為主絡(luò)合劑，NaAC為輔助絡(luò)合劑，SDS為潤濕劑，CMC為分散劑，NH₄Cl和KCl為導(dǎo)電鹽，H₃BO₃為pH穩(wěn)定劑。

所述鋼基體具體采用以下方法進(jìn)行前處理：a.拋光，先對(duì)鋼基體機(jī)械拋光，再電解拋光，電解拋光是指將鋼基體置于拋光液中并以15rpm的速度攪拌拋光液進(jìn)行電解拋光，所述電解液的重量組成為：H₃PO₄ 72%、H₂CrO₄ 23%、H₂O5%，電解液溫度控制在65℃，電流密度20A/dm²，時(shí)間3min；b. 超聲波清洗 將電解拋光后的鋼基體置于去離子水超聲清洗并攪拌，超聲頻率為30KHz，轉(zhuǎn)速為15rpm，超聲清洗時(shí)間為1min；c.去離子水沖洗 用去離子水對(duì)超聲波清洗后的鋼基體沖洗；d. 超聲波堿洗 將沖洗干凈的鋼基體置于堿洗液中超聲堿洗，以掛件形式放入堿洗槽中，堿洗槽底部安裝有超聲波發(fā)生器，超聲波頻率為30KHz，堿洗液為濃度為3%的無泡型金屬清洗劑溶液，堿洗液溫度為45℃，并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為25rpm，清洗時(shí)間為5min；e 超聲熱清洗 堿洗后的鋼基體以掛件形式放入40～50℃的去離子水超聲清洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲波頻率為30KHz旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為15rpm，清洗時(shí)間為30s；f超聲冷清洗 熱洗后的鋼基體以掛件形式放入常溫去離子水中超聲清洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲波頻率為30KHz，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為15rpm，清洗時(shí)間為30s； g..酸洗除銹 將超聲冷清洗的鋼基體以掛件形式放入體積比為1:10濃鹽酸與濃硫酸混合的酸洗液中并攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為10rpm，酸洗時(shí)間為5s；h.超聲波水洗 將酸洗后的鋼基體置于去離子水中超聲水洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲頻率為30KHz，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為15rpm，清洗時(shí)間30s，重復(fù)步驟h兩次。

所述納米鉆石烯的前處理具體步驟為：

a.選用四種不同粒度的納米鉆石烯原料：50nm、100nm、200nm、250nm，其質(zhì)量比為1：2：3：4；

b.攪拌混料 將不同粒度的納米鉆石烯倒入三維混料機(jī)中進(jìn)行混料制得納米鉆石烯混合料，混料時(shí)間為5min；

c.超聲波堿洗：將納米鉆石烯混合料放入濃度為10%的NaOH堿洗液中超聲堿洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲頻率為30KHz，堿洗溫度為45℃，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為25rpm，清洗時(shí)間為25min，油污去除；

d超聲波清洗：將堿洗后的納米鉆石烯混合料置于去離子水中超聲清洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲頻率為30KHz，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為15rpm，攪拌時(shí)間為20min，反復(fù)清洗直至上層清液pH=7；

e酸洗活化：將超聲清洗后的納米鉆石烯混合料置于濃度為15%的稀硫酸溶液中并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為10rpm，活化時(shí)間為10min，達(dá)到將原料表面活化的目的；

f.超聲波水洗：超聲波水洗為常溫清洗，超聲波頻率均為30KHz，水洗液為去離子水。將原料入去離子水中并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速控制在15rpm，攪拌時(shí)間在10min，測(cè)量上層清液pH值，反復(fù)清洗直至pH=7；

g.烘干：采用階梯式烘烤工藝進(jìn)行，升溫速率為2℃/min，常溫升溫至70℃，恒溫保溫30min，升溫至90℃，恒溫保溫30min，升溫至120℃，恒溫保溫3h，自然冷卻至常溫待用。

實(shí)施例2

一種新型高耐磨復(fù)合電鍍活塞環(huán)，包括鋼基體，所述鋼基體表面依次設(shè)置銅層、鎳層以及納米鉆石烯/鉻復(fù)合層。所述銅層厚度為10μm，鎳層厚度為40μm，納米鉆石烯/鉻復(fù)合層厚度為40μm。

所述的新型高耐磨復(fù)合電鍍活塞環(huán)的制備方法，包括以下步驟：

1）原料前處理：包括鋼基體和納米鉆石烯原材料的處理；所述鋼基體前處理為對(duì)鋼基體的拋光、去污處理；所述納米鉆石烯原材料前處理為對(duì)納米鉆石烯的堿洗、活化后烘干處理；

2）電鍍銅層：將前處理后的鋼基體以掛件形式放入鍍液中電鍍，鋼基體為陰極，銅板為象形陽極，陰陽兩極分別接電源的兩極，陰陽兩極通過鍍液連接，電鍍時(shí)鍍液處于攪拌狀態(tài)，攪拌頻率為40KHz；鍍液溫度為40℃，電流密度J為6A/dm²；所述電鍍銅鍍液各組成含量為：CuSO₄·5H₂O 220g/L、H₂SO₄(ρ=1.84g/cm³) 90g/L、Cl^-1120mg/L、BH-533A 0.4ml/L、BH-533B 0.4ml/L、BH-533C 6ml/L；其中BH-533A、BH-533B、BH-533C為添加劑，BH-533A為主填平劑，BH-533B為光亮劑，BH-533C為潤濕劑；

3）清洗：將電鍍銅層的鋼基體以掛件形式置于去離子水清洗，旋轉(zhuǎn)掛件，轉(zhuǎn)速為30rpm，清洗時(shí)間為5min，重復(fù)清洗兩次即可將殘留的鍍液清除；

4）表面活化：將清洗后的電鍍銅層的鋼基體以掛件形式置于濃度為10g/L氨基磺酸溶液的活化液中，掛件旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為10rpm，活化時(shí)間為30s；

5）清洗：活化后，以掛件形式置于清洗槽中，旋轉(zhuǎn)掛件，轉(zhuǎn)速為30rpm，清洗時(shí)間為2min；

6）電鍍鎳層：電鍍鎳鍍液的各組成含量為：Ni (SO₃NH₂)₂ 600 g/L、NiCl₂ 18 g/L、H₃BO₃40 g/L、SDS(十二烷基硫酸鈉) 0.2 g/L、糖精 1 g/L、1,4-丁炔二醇 0.5 g/L；十二烷基硫酸鈉為潤濕劑，糖精和1,4-丁炔二醇為光亮劑，鍍液溫度為60℃，pH值為4.1，電流密度J為3A/dm²，待鍍件為陰極，鎳板為象形陽極，陽極外部用耐酸堿布包裹，防止電鍍過程中陽極溶解產(chǎn)生的陽極泥渣污染鍍液，電鍍時(shí)鍍液處于攪拌狀態(tài)，攪拌頻率為40KHz；

7）清洗：電鍍鎳結(jié)束后用去離子水進(jìn)行沖洗，將電鍍鎳層的鋼基體以掛件形式放入清洗槽中，旋轉(zhuǎn)掛件，轉(zhuǎn)速控制在30rpm，清洗時(shí)間為5min，清洗兩次，即可將殘留的鍍液清洗干凈；

8）表面活化：將清洗干凈的電鍍鎳層的鋼基體以掛件形式放入濃度為700g/LH₂SO₄溶液活化液中，溫度為60℃，掛件旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為10rpm，活化時(shí)間為30s；

9）清洗：將電鍍鎳層的鋼基體以掛件形式置于去離子水中并旋轉(zhuǎn)掛件，轉(zhuǎn)速為30rpm，清洗時(shí)間為2min；

10）電鍍納米鉆石烯/鉻復(fù)合層：先按以下配方配鉻鍍液：CrCl₃ 140g/L、HCOOK 100g/L、NaAC 35 g/L、H₃BO₃ 60 g/L、NH₄Cl 60 g/L、KCl 80 g/L、NH₄Br 20 g/L、SDS(十二烷基硫酸鈉) 20mg/L、CMC(羧甲基纖維素鈉) 0.2g/L、納米鉆石烯 40 g/L，再將前處理過的納米鉆石烯浸泡在鉻鍍液中，超聲1h后加入鍍液，制得納米鉆石烯/鉻鍍液，鍍液溫度為30℃，pH為3，電流密度J為16A/dm²，鍍液攪拌轉(zhuǎn)速為150rpm，電鍍鎳層的鋼基體為陰極，鉛銻合金為象形陽極(假陽極，在電鍍過程中不溶解，Sb%在8%)，電鍍時(shí)間控制在2h。其中HCOOK為主絡(luò)合劑，NaAC為輔助絡(luò)合劑，SDS為潤濕劑，CMC為分散劑，NH₄Cl和KCl為導(dǎo)電鹽，H₃BO₃為pH穩(wěn)定劑。

所述鋼基體具體采用以下方法進(jìn)行前處理：a.拋光，先對(duì)鋼基體機(jī)械拋光，再電解拋光，電解拋光是指將鋼基體置于拋光液中并以30rpm的速度攪拌拋光液進(jìn)行電解拋光，所述電解液的重量組成為：H₃PO₄ 72%、H₂CrO₄ 23%、H₂O5%，電解液溫度控制在75℃，電流密度100A/dm²，時(shí)間5min；b. 超聲波清洗 將電解拋光后的鋼基體置于去離子水超聲清洗并攪拌，超聲頻率為35KHz，轉(zhuǎn)速為25rpm，超聲清洗時(shí)間為5min；c.去離子水沖洗 用去離子水對(duì)超聲波清洗后的鋼基體沖洗；d. 超聲波堿洗 將沖洗干凈的鋼基體置于堿洗液中超聲堿洗，以掛件形式放入堿洗槽中，堿洗槽底部安裝有超聲波發(fā)生器，超聲波頻率為35KHz，堿洗液為濃度為3%的無泡型金屬清洗劑溶液，堿洗液溫度為55℃，并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為35rpm，清洗時(shí)間為10min；e 超聲熱清洗 堿洗后的鋼基體以掛件形式放入50℃的去離子水超聲清洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲波頻率為35KHz旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為25rpm，清洗時(shí)間為2min；f超聲冷清洗 熱洗后的鋼基體以掛件形式放入常溫去離子水中超聲清洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲波頻率為35KHz，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為25rpm，清洗時(shí)間為2min； g..酸洗除銹 將超聲冷清洗的鋼基體以掛件形式放入體積比為1:10濃鹽酸與濃硫酸混合的酸洗液中并攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為15rpm，酸洗時(shí)間為1min；h.超聲波水洗 將酸洗后的鋼基體置于去離子水中超聲水洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲頻率為35KHz，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為25rpm，清洗時(shí)間1min，重復(fù)步驟h兩次。

所述納米鉆石烯的前處理具體步驟為：

a.選用四種不同粒度的納米鉆石烯原料：50nm、100nm、200nm、250nm，其質(zhì)量比為2： 3：4：5；

b.攪拌混料 將不同粒度的納米鉆石烯倒入三維混料機(jī)中進(jìn)行混料制得納米鉆石烯混合料，混料時(shí)間為30min；

c.超聲波堿洗：將納米鉆石烯混合料放入濃度為15%的NaOH堿洗液中超聲堿洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲頻率為40KHz，堿洗溫度為55℃，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為35rpm，清洗時(shí)間為35min，油污去除；

d超聲波清洗：將堿洗后的納米鉆石烯混合料置于去離子水中超聲清洗并旋轉(zhuǎn)攪拌，超聲頻率為35KHz，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為25rpm，攪拌時(shí)間為25min，反復(fù)清洗直至上層清液pH=7；

e酸洗活化：將超聲清洗后的納米鉆石烯混合料置于濃度為35%的稀硫酸溶液中并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為15rpm，活化時(shí)間為15min，達(dá)到將原料表面活化的目的；

f.超聲波水洗：超聲波水洗為常溫清洗，超聲波頻率均為35KHz，水洗液為去離子水。將原料入去離子水中并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速控制在25rpm，攪拌時(shí)間在15min，測(cè)量上層清液pH值，反復(fù)清洗直至pH=7；

g.烘干：采用階梯式烘烤工藝進(jìn)行，升溫速率為2℃/min，常溫升溫至70℃，恒溫保溫30min，升溫至90℃，恒溫保溫30min，升溫至120℃，恒溫保溫3h，自然冷卻至常溫待用。

實(shí)施例3

一種新型高耐磨復(fù)合電鍍活塞環(huán)及其制備方法，與實(shí)施例1不同之處在于：所述銅層厚度為8μm，鎳層厚度為30μm，納米鉆石烯/鉻復(fù)合層厚度為30μm。其余均同實(shí)施例1。

性能測(cè)試：

分別制備純Cr鍍層和復(fù)合鍍層試樣，其中復(fù)合鍍層試樣的制備同實(shí)施例1，純Cr鍍層試樣是將實(shí)施例1中的復(fù)合鍍層換算成純Cr鍍層，其他同實(shí)施例1。并對(duì)其二者的耐腐蝕性、硬度及活塞環(huán)可靠性進(jìn)行測(cè)試。

1、鍍層耐腐蝕性測(cè)試：

使用CHI650C電化學(xué)工作站進(jìn)行Tafel曲線測(cè)試以測(cè)試純Cr鍍層和復(fù)合鍍層的耐腐蝕性能，將純Cr鍍層和復(fù)合鍍層試樣分別浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液、5%的H₂SO₄溶液、5%的NaOH溶液中，待電位穩(wěn)定后，在開路電位下測(cè)得不同條件下鍍層的Tafel曲線。

2、鍍層硬度測(cè)試：

依據(jù)國標(biāo)GB/T 230.1-2004，采用HXD-1000TC維氏顯微硬度計(jì)對(duì)硬度進(jìn)行測(cè)量。把鍍層原件放置在堅(jiān)固的平面上，硬度計(jì)壓針距離試樣邊緣至少12mm，平穩(wěn)地把壓針壓在試樣上，使壓針垂直的壓入試樣，直至壓針和試樣完全接觸時(shí)3s內(nèi)讀數(shù)。在測(cè)點(diǎn)相距至少6mm的不同位置測(cè)量硬度值5次，取其平均值。

3、活塞環(huán)可靠性測(cè)試：

在六缸6L無缸套SCR歐4采油機(jī)中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為1500h，機(jī)油耗為0.5‰，漏氣量為75L/min，測(cè)算活塞環(huán)外圓磨損量。

4、測(cè)試結(jié)果：

圖2為鍍層在5%NaCl溶液的Tafel曲線，實(shí)線為納米鉆石烯/鉻復(fù)合鍍層，虛線為純鉻鍍層，由圖2可知，納米鉆石烯復(fù)合電鍍層的腐蝕電位為-0.059V，腐蝕的電流密度為19.05μA/cm²，純鉻鍍層的腐蝕電位為-0.068V，腐蝕的電流密度為33.88μA/cm²，納納米鉆石烯/鉻復(fù)合鍍層的腐蝕電位比純鉻鍍層的腐蝕電位要正，腐蝕電流低，說明在中性介質(zhì)中納米鉆石烯復(fù)合電鍍層的耐腐蝕性要比純鉻電鍍層要好。Cl^-1穿透能力強(qiáng)，在腐蝕材料過程中，Cl^-1不僅對(duì)金屬陽極有溶解活化作用，直接參與陽極的溶解，而且還會(huì)破壞鍍層表面鈍化膜的作用，純鉻鍍層對(duì)表面耐腐蝕起作用的是鈍化膜，而納米鉆石烯/鉻復(fù)合鍍層除了有鈍化膜之外，還有納米鉆石烯的作用，納米鉆石烯具有耐腐蝕的作用，因而納米鉆石烯復(fù)合電鍍層的耐腐蝕性比純鉻電鍍層要強(qiáng)。

圖3為鍍層在5% H₂SO₄溶液的Tafel曲線，實(shí)線為納米鉆石烯復(fù)合電鍍層，虛線為純鉻鍍層，由圖3可知，納米鉆石烯/鉻復(fù)合鍍層的腐蝕電位為0.051V，腐蝕的電流密度為37.15μA/cm²，純鉻鍍層的腐蝕電位為0.037V，腐蝕的電流密度為83.18μA/cm²，納米鉆石烯/鉻復(fù)合鍍層的腐蝕電位比純鉻鍍層的腐蝕電位要正，腐蝕電流低，說明在酸性介質(zhì)中納米鉆石烯/鉻復(fù)合鍍層的耐腐蝕性要比純鉻電鍍層要好。

圖4為鍍層在5% NaOH溶液的Tafel曲線，實(shí)線為納米鉆石烯復(fù)合電鍍層，虛線為純鉻鍍層，由上圖可知，納米鉆石烯/鉻復(fù)合鍍層的腐蝕電位為-0.252V，腐蝕的電流密度為48.98μA/cm²，純鉻鍍層的腐蝕電位為-0.262V，腐蝕的電流密度為97.72μA/cm²，納米鉆石烯/鉻復(fù)合鍍層的腐蝕電位比純鉻鍍層的腐蝕電位要正，腐蝕電流低，說明在堿性介質(zhì)中納米鉆石烯復(fù)合電鍍層的耐腐蝕性要比純鉻電鍍層要好。

總之，無論是在中性還是酸性堿性介質(zhì)中納米鉆石烯/鉻復(fù)合鍍層的耐腐蝕性均優(yōu)于純鉻電鍍層。

圖5為不同納米鉆石烯含量的復(fù)合鍍層的硬度變化圖，從圖中可以明顯地看出，隨著納米鉆石烯在納米鉆石烯/鉻復(fù)合鍍層中含量的提高，其納米鉆石烯/鉻復(fù)合鍍層的硬度是逐漸提高的，不含納米鉆石烯(純鉻鍍層)的鍍層硬度為463.4HV，而納米鉆石烯含量為30%時(shí)的鍍層的硬度為1267.4HV，相當(dāng)于不含納米鉆石烯的3倍，由此可見，納米鉆石烯復(fù)合電鍍層的硬度要高于純鉻電鍍層，同時(shí)也延長了使用壽命。

活塞可靠性測(cè)試表明，納米鉆石烯復(fù)合電鍍層的磨損量在0.0005mm以下，而純鉻鍍層的磨損量平均值在0.003mm左右，納米鉆石烯復(fù)合電鍍層的摩擦系數(shù)僅為0.03～0.07，低于純鉻鍍層的0.1～0.13，潤滑性良好，提高了活塞環(huán)的使用壽命，同時(shí)也提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，降低了油耗。