CN101498256B - 铬基金刚石复合镀铬涂层活塞环及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是铬基金刚石复合镀铬涂层活塞环及其加工方法，活塞环结构是活塞环外圆表面涂敷金刚石复合镀铬涂层，镀层厚度达0.03-0.30毫米。加工方法分如下工艺步骤：一、镀液配制，其成份铬酸酐、硫酸、三价铬、氟硅酸钾，甲磺酸钾、金刚石微粒，余量为去离子水；二、搅拌镀液；三、金刚石复合镀铬。优点：铬基金刚石复合镀层由数层单元复合镀层组成，具有典型的层状结构；每单元复合镀层结构，其铬层基体具有一定密度、深度及宽度、相互交叉的网纹，金刚石微粒镶嵌在网纹中；由于上述网纹交叉形成断面孔隙，金刚石微粒分布在孔隙中。金刚石含量高，且不会产生异常脆性。能够承受较大的热负荷和机械负荷，不会发生“拉缸”；耐磨性能和抗拉缸性能高。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种金刚石微粒含量在0.5-5.0％、且金刚石分布于铬层原有裂纹及孔隙的铬基金刚石复合镀层的加工方法及其活塞环。属于活塞环技术领域。
背景技术
目前内燃机活塞环广泛采用镀硬铬进行表面强化。硬铬镀层厚度一般为0.05-0.20mm，全部成份为铬及少量吸附的H、O，硬度为750-1100HV0.1，层内分布有由于本身裂纹交错形成的孔隙，具有良好的耐磨性。但在润滑条件差或热负荷很大的场合，镀硬铬活塞环与缸壁摩擦恶化，容易出现熔着磨损，严重出时发生“拉缸”或铬层剥落，并不足以满足内燃机高功率、长寿命、低排放的要求。另外，采用复合镀以改善铬层缺陷，人们进行了长期实验，即采用常规复合镀工艺，将金刚石微粒经过活化处理品后加入镀硬铬溶液中，有的还加入特定催化剂，进行电镀，铬结晶沉积时将附着在铬层上的金刚石微粒包裹共沉积，形成复合层。但由于镀铬时大量极氢，导致复合层中的金刚石微粒含量极低，一般不超过1％；且由于金刚石微粒夹杂在铬晶粒之间，镀层易产生较大的脆性，易造成受力脱落。
发明内容
本发明提出一种铬基金刚石复合镀铬涂层活塞环及其加工方法，旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，金刚石微粒含量高达0.5-5.0％且金刚石微粒分布于铬层原有网纹及孔隙的铬基金刚石复合镀层。
本发明的技术解决方案：一种金刚石复合镀铬涂层活塞环，其特征是活塞环外圆表面涂敷金刚石复合镀铬涂层，镀层厚度达0.03-0.30毫米，它由2-15层单元复合层组成，层状结构；金刚石微粒含量平均达0.5-5.0vt％，且金刚石微粒分布在铬层的微裂纹及其交叉形成的孔隙中，金刚石微粒平均粒度范围0.05-2.0微米；活塞环直径为φ60-φ300毫米。
金刚石复合镀铬涂层活塞环加工方法，其特征该方法包括如下工艺步骤：
一、镀液配制：计1000升，
铬酸酐CrO3 150-350克/升，硫酸H2SO4 1.5-3.5克/升，三价铬2-10克/升，氟硅酸钾1-3克/升，甲磺酸钾：1-5克/升，金刚石微粒5-20克/升，余量为去离子水；
二、搅拌镀液，
将镀液温度控制在45-75℃，然后机械搅拌均匀，使金刚石微粒悬浮在镀液中，并在电镀过程中适当时机嵌入活塞环铬层表面的网状裂纹中；
三、金刚石复合镀铬，将待镀活塞环放入上述镀液中，打开镀铬设备中的整流器，然后
1)：先在活塞环表面正向电镀一层硬铬底层，电流密度为30-100A/dm2，电镀时间为5-50分钟，硬铬镀层厚度为10-50微米。
2)：打开反向电流反刻硬铬底层形成网状裂纹，反向电流密度为30-60A/dm2，反刻时间为5-200秒钟，反刻所形成的网纹裂纹深度约0.006毫米、宽度约0.003-0.01毫米。
3)：将金刚石团簇微粒嵌入网状裂纹中，所述的微粒尺寸0.05-2.0微米。
4)：再在活塞环表面正向电镀一层硬铬层将已嵌入的金刚石微粒的网状裂纹封闭，
5)：再打开反向电流刻蚀硬铬层形成网状裂纹，
6)：将金刚石团簇微粒嵌入网状裂纹中，
1、7)：再在活塞环表面正向电镀一层硬铬层将已嵌入的金刚石微粒的网状裂纹封闭，封闭网纹电流密度为30-100A/dm2，电镀时间为5-35分钟，硬铬镀层厚度为0.005-0.035毫米。
8)：重复第四步-第七步，直到镀层厚度达到要求。
本发明的优点：铬基金刚石复合镀层由数层单元复合镀层组成，具有典型的层状结构；每单元复合镀层结构，从表面看：其铬层基体具有一定密度、深度及宽度、相互交叉的网纹，金刚石微粒镶嵌在这些网纹中；从断面看：由于上述网纹交叉形成断面孔隙，金刚石微粒分布在这些孔隙中。金刚石含量高，且不会产生异常脆性。因此，本专利的铬基金刚石复合镀层活塞环能够承受较大的热负荷和机械负荷，即使在活塞环与缸壁油膜处于边界状态下，也不会发生“拉缸”；同时由于嵌入了高硬度且润滑性好的金刚石微粒，耐磨性能和抗拉缸性能也得到极大提高，能够满足现代高性能发动机要求。附图1是铬基金刚石复合镀铬涂层活塞环的结构示意图。
图中的1是活塞环的的外圆面。
具体实施方式：
对照附图1，结构是活塞环外圆表面1涂敷金刚石复合镀铬涂层，镀层厚度达0.03-0.30毫米。
实施例1：
取直径φ60毫米活塞环，在1000升镀铬液中，其中铬酐250克/升，硫酸2.5克/升，三价铬3克/升，适量催化剂A，电流密度70A/平方分米，电镀时间15分钟，先镀一层25微米硬铬；物化法加工铬层网纹，密度120条/毫米、宽度2.5微米、深度11微米；将金刚石微粒嵌入网纹中固定，金刚石微粒粒度为0.05-8.0微米；在1000升镀铬液中(其中铬酐250克/升，硫酸2.5克/升，三价铬3克/升，氟硅酸钾1克/升，甲磺酸钾1克/升，电流密度70A/平方分米，电镀时间3分钟，进行封闭；再从头开始重复25次，铬基金刚石复合镀层厚度为400微米，由15个单元复合层组成，金刚石微粒含量外圆3.2％，断面3.5％。
实施例2：
取直径φ300毫米活塞环，在1000升镀铬液中，其中铬酐350克/升，硫酸4克/升，三价铬4克/升，氟硅酸钾2克/升，甲磺酸钾3克/升，电流密度40A/平方分米，电镀时间40分钟，先镀一层50微米硬铬；物化法加工铬层网纹，密度150条/毫米、宽度5微米、浓度20微米；将金刚石微粒嵌入网纹中固定，金刚石微粒粒度为0.05-2.0微米；在1000升镀铬液中(其中铬酐350克/升，硫酸4克/升，三价铬4克/升，氟硅酸钾2克/升，甲磺酸钾3克/升)电流密度100A/平方分米，电镀时间2分钟，进行封闭；再从头开始重复8次，铬基金刚石复合镀层厚度为200微米。活塞环经加工成成品后，铬基金刚石复合镀层厚度为130微米，由五个单元复合层组成，金刚石微粒含量外圆2.4％，断面2.6％。
Claims (5)
1.金刚石复合镀铬涂层活塞环，其特征是活塞环外圆表面涂敷金刚石复合镀铬涂层，镀层厚度达0.03-0.30毫米，所述的活塞环外圆表面涂敷金刚石复合镀铬涂层，由2-15层单元复合层组成，层状结构；金刚石微粒含量平均达0.5-5.0vt％，且金刚石微粒分布在铬层的微裂纹及其交叉形成的孔隙中，金刚石微粒平均粒度范围0.05-2.0微米；活塞环直径为60-300毫米；所述的活塞环外圆表面涂敷金刚石复合镀铬涂层的加工方法，包括如下工艺步骤：
一、镀液配制：计1000升，
铬酸酐CrO3 150-350克/升，硫酸H2SO4 1.5-3.5克/升，三价铬2-10克/升，氟硅酸钾1-3克/升，甲磺酸钾1-5克/升，金刚石微粒5-20克/升，余量为去离子水；
二、搅拌镀液，将镀液温度控制在45-75℃，然后机械搅拌均匀，使金刚石微粒悬浮在镀液中，并在电镀过程中适当时机嵌入活塞环铬层表面的网状裂纹中；
三、金刚石复合镀铬，将待镀活塞环放入上述镀液中，打开镀铬设备中的整流器，然后
1)：先在活塞环表面正向电镀一层硬铬底层；
2)：打开反向电流反刻硬铬底层形成网状裂纹；
3)：将金刚石团簇微粒嵌入网状裂纹中；
4)：再在活塞环表面正向电镀一层硬铬层将已嵌入的金刚石微粒的网状裂纹封闭；
5)：再打开反向电流刻蚀硬铬层形成网状裂纹；
6)：将金刚石团簇微粒嵌入网状裂纹中；
7)：再在活塞环表面正向电镀一层硬铬层将已嵌入的金刚石微粒的网状裂纹封闭；
8)：重复第四步-第七步，直到镀层厚度达到要求。
2.根据权利要求1所述的金刚石复合镀铬涂层活塞环，其特征是所述工艺步骤三中的先在活塞环表面正向电镀一层硬铬底层，其电流密度为30-100A/dm2，电镀时间为5-50分钟，硬铬镀层厚度为10-50微米。
3.根据权利要求1所述的金刚石复合镀铬涂层活塞环，其特征是所述工艺步骤三中的打开反向电流反刻硬铬底层形成网状裂纹，其反向电流密度为30-60A/dm2，反刻时间为5-200秒钟，反刻所形成的网纹裂纹深度约0.006毫米、宽度约0.003-0.01毫米。
4.根据权利要求1所述的金刚石复合镀铬涂层活塞环，其特征是所述工艺步骤三中的将金刚石团簇微粒嵌入网状裂纹中。
5.根据权利要求1所述的金刚石复合镀铬涂层活塞环，其特征是所述工艺步骤三中的再在活塞环表面正向电镀一层硬铬层将已嵌入的金刚石微粒的网状裂纹封闭，其封闭网纹电流密度为30-100A/dm2，电镀时间为5-35分钟，硬铬镀层厚度为0.005-0.035毫米。
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