CN101665940A - 活塞环表面类金刚石复合涂层的制备方法 - Google Patents

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王立平
薛群基
张广安
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Abstract

本发明涉及一种在活塞环表面获得具有高硬度、抗磨与自润滑特性的类金刚石复合涂层的制备方法。本发明通过低温等离子渗氮处理在活塞环表面生成一层具有结合强度高、高硬度、耐磨性好的氮化层，然后再采用磁过滤阴极弧-磁控溅射复合沉积一层具有固体润滑特性的无氢类金刚石表面层，最终在活塞环表面获得一种致密、平整光滑、具有优异抗磨损与自润滑性能的氮化/类金刚石复合涂层。该发明活塞环涂层比电镀硬铬活塞环或CrN镀层活塞环具有更好的综合性能。

Description

活塞环表面类金刚石复合涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种环保的活塞环表面加工方法，具体说是涉及一种用等离子渗氮/物理气相复合沉积相结合的方法在活塞环表面获得氮化/类金刚石复合涂层，属活塞环技术领域。
背景技术
活塞环是内燃机的主要运动件和易损件，在汽缸套中作往复运动时工作环境十分恶劣。活塞环在上、下止点之间其运动速度是循环变化的，同时变化不定的接触压力，较差的润滑状况，特别是首环还受高温燃气的腐蚀。燃气对油膜的烧损，常常使得活塞环处于一种半干摩擦或干摩擦状况下工作，所以磨损是活塞环的主要失效形式。为了提高活塞环的耐磨性和使用寿命，国内外活塞环专业厂家主要通过在活塞环表面电镀硬铬镀层、气体渗氮处理。其中镀硬铬的活塞环占到活塞环总数的50％～70％，但是电镀铬工艺严重危害人体健康和污染环境，因而世界各国都制定了响应的法规限制电镀铬工艺。而气体渗氮处理的活塞环，在其表面获得了较高的硬度和抗磨性能，但是摩擦系数很高，同时对配副缸套造成严重的磨损，严重降低缸套-活塞环摩擦副的运行寿命。
高速化、高功效、低排放是现代发动机的主要特点。高速、高载和热疲劳导致的润滑环境恶化，使得活塞环的运行环境(贫油或半干摩擦状态)更加苛刻。因此，发展绿色环保型的活塞环表面加工技术，在活塞环表面制备出高硬度、良好结合强度以及具有优异抗磨和固体润滑特性的高性能涂层是延长活塞环摩擦副寿命的有效方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高硬度、高耐磨和在干摩擦或贫油状态下具有减摩自润滑性能的活塞环及其表面加工方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明将活塞环表面低温等离子渗氮处理和气相沉积薄膜技术结合起来，具体是首先通过低温等离子渗氮处理在活塞环表面生成一层具有结合强度高、高硬度、耐磨性好的氮化层，然后再采用磁过滤阴极弧-磁控溅射复合沉积一层具有固体润滑特性的无氢类金刚石(Diamond Like Carbon，DLC)表面层，最终在活塞环表面获得一种致密、平整光滑、具有优异抗磨损与自润滑性能的氮化/DLC复合涂层。
一种活塞环表面类金刚石复合涂层的制备方法，其特征在于该方法包括：
A、低温等离子氮化处理：
将待处理的活塞环置于脉冲直流低温等离子子渗氮炉中，在真空度达到2Pa，通入氮气和氢气的混合气进行等离子渗氮处理，电流密度为1～3mA/cm2，升温至400～580℃，保温1～6小时，然后随炉冷却至150℃，完成对活塞环表面的氮化处理；
B、磁过滤阴极弧-磁控溅射复合沉积掺钛DLC涂层：
将等离子渗氮处理后的活塞环表面进行抛光、清洗处理，最后在磁过滤阴极弧-磁控溅射复合沉积设备中沉积掺钛类金刚石涂层；沉积过程中，真空室的本底真空为5×10-4Pa，放电气压为0.5Pa，氩气气氛，阴极为高纯碳靶和钛靶，活塞环样品上施加200～1000V的负偏压，沉积时间为120～300min，沉积厚度为2～5μm的含钛DLC薄膜；自然冷却，最后得到氮化/类金刚石复合涂层活塞环。
通过本发明的低温等离子氮化/无氢类金刚石复合涂层进行表面强化的活塞环，在完成上述表面加工后，在进行相应的机械加工等处理后，形成成品，成品活塞环表面复合涂层厚度为40～200μm，其中表层类金刚石涂层厚度为2～5μm。活塞环是直径为100～400mm的铸铁活塞环或不锈钢质活塞环。形成的活塞环表面氮化/DLC复合涂层表面致密，与基体结合良好，具有优异的自润滑和耐磨性能。活塞环表面复合涂层的性能评价方法及结果如下：
结构和成分：用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)观察表面微观形貌。用拉曼光谱仪对复合涂层表面结构进行测试。用PHI-5702型多功能X射线光电子(XPS)测定元素的结合状态。测试结果表明，活塞环表面复合涂层呈黑色，表面致密光亮。拉曼和XPS测试表明，表面沉积的掺钛DLC涂层呈典型的类金刚石结构特征。
摩擦磨损性能：采用UMT-2MT型摩擦试验机进行评价，干摩擦条件下采用往复滑动的方式，滑动速度为0.05m/s，载荷为10N，摩擦对偶为Φ3mm的GCr15钢球。测试结果表明，对于铸铁活塞环或不锈钢活塞环，其摩擦系数变化范围为0.4～0.7，伴随着较大幅度的波动。而氮化/掺钛DLC复合涂层的摩擦系数稳定保持在0.13～0.15间，显示出了良好的自润滑性能。活塞环表面氮化/掺钛DLC复合涂层的磨损率明显低于单一的活塞环表面DLC涂层：低载荷下(10N)，活塞环表面复合涂层的耐磨性是单一DLC涂层的3～5倍。高载荷下(50N)，复合涂层的耐磨性是单一DLC涂层的20～25倍。同时与目前工业上广泛采用的镀铬活塞环进行了对比，结果如表1所示。可以看出，活塞环表面氮化/DLC复合涂层具有较优异的综合性能。
表1
  工艺   硬化层厚度(μm)   表面硬度(HV25g)   耐热温度软化点℃   结合强度Lc(N)   特点
  镀硬铬   150～250   750～1000   300   25～30   耐磨
  氮化/DLC复合涂层   150～250   1500～2500   450   35～45   耐热、耐粘着磨损、贫油或干摩擦条件下具有优异的自润滑性能
本发明具有以下优点：
1、采用本发明制得的氮化/掺钛DLC复合涂层与活塞环牢固结合，具有优异的抗磨与自润滑性能。其特点在于厚度较大、高硬度的渗氮层在复合涂层中充当DLC薄膜的梯度层，提供良好的支撑和界面结合，克服了常规DLC薄膜内应力高、附着力差等缺点。而未氮化活塞环承载能力不足，在较高的载荷下，由于表面强烈的塑性变形和粘着导致表层DLC薄膜的快速失效。该活塞环比电镀硬铬活塞环或CrN镀层活塞环具有更好的综合性能，即使在活塞环和钢壁油膜处于边界状态或半干摩擦状态下，也具有良好的抗磨与润滑效果，能够满足现代发动机高速、高功效以及低排放的要求。
2、本发明的活塞环表面加工方法属于真空等离子范畴，绿色环保，不会对环境造成污染。所采用的两种复合工艺稳定，适于工业化生产。
具体实施方式
实施例1
取钒钛合金铸铁活塞环，其主要参数为：直径为120mm，径宽4mm，厚2.5mm的薄片开口环状零件。其化学成分(质量分数，％)为0.65～3.9C、2.3～2.9Si、0.6～1.0Mn、≤0.69S、0.18～0.25V、0.05～0.15Ti，其余为Fe。其具体操作步骤为：
1、低温等离子氮化处理：将待处理的活塞环置于LDM2-25型脉冲直流低温等离子渗氮炉中，离子氮化活塞环装炉采用自由叠放式、开口对齐，呈放射状朝炉体圆心方向。在真空度达到2Pa以下，通入氮气和氢气的混合气进行等离子渗氮处理，电流密度为1～3mA/cm2，升温至400～580℃，保温6～8小时，然后随炉冷却至150℃，即完成了对活塞环表面的氮化处理。氮化层厚度由保温温度和保温时间决定。
2、磁过滤阴极弧-磁控溅射复合沉积掺钛DLC涂层：
将等离子渗氮处理后的活塞环表面进行抛光、清洗等处理，最后在磁过滤阴极弧-磁控溅射复合沉积设备中沉积掺钛类金刚石涂层。沉积过程中，真空室的本底真空为5×10-4Pa，放电气压为0.5Pa，氩气气氛，阴极为高纯碳靶和钛靶，活塞环样品上施加200～1000V的负偏压，沉积时间为120～300min，沉积厚度约为2～5μm的含钛DLC薄膜。自然随真空腔冷却至100℃，取出样品，最后得到氮化/类金刚石复合涂层活塞环。

Claims (1)

1、一种活塞环表面类金刚石复合涂层的制备方法，其特征在于该方法包括：
A、低温等离子氮化处理：
将待处理的活塞环置于脉冲直流低温等离子子渗氮炉中，在真空度达到2Pa，通入氮气和氢气的混合气进行等离子渗氮处理，电流密度为1～3mA/cm2，升温至400～580℃，保温1～6小时，然后随炉冷却至150℃，完成对活塞环表面的氮化处理；
B、磁过滤阴极弧-磁控溅射复合沉积掺钛DLC涂层：
将等离子渗氮处理后的活塞环表面进行抛光、清洗处理，最后在磁过滤阴极弧-磁控溅射复合沉积设备中沉积掺钛类金刚石涂层；沉积过程中，真空室的本底真空为5×10-4Pa，放电气压为0.5Pa，氩气气氛，阴极为高纯碳靶和钛靶，活塞环样品上施加200～1000V的负偏压，沉积时间为120～300min，沉积厚度为2～5μm的含钛DLC薄膜；自然冷却，最后得到氮化/类金刚石复合涂层活塞环。
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