CN103089479B

CN103089479B - 带有硬软复合涂层与织构化表面的耐磨活塞环及制备方法

Info

Publication number: CN103089479B
Application number: CN201310021922.6A
Authority: CN
Inventors: 熊党生; 秦永坤; 李建亮
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: CN103089479A

Abstract

本发明公开了一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环及制备方法，在活塞环外圆面沉积硬质涂层如镀铬层或渗碳/氮层或镍基镀层，采用脉冲激光对硬质涂层面进行织构化处理，获得规则均匀的微孔阵列，并在织构化表面制备软质涂层如镀银层或镀锡层或磁控溅射MoS₂涂层。本发明中硬质涂层可以作为硬支撑层，提高活塞环外圆面的耐磨性；表面微孔阵列可以增强润滑油的流体动压效应，并能作为润滑油/剂的储池及收集磨屑颗粒；软质涂层可以作为润滑相，实现对摩擦表面的自润滑和自修复。

Description

带有硬软复合涂层与织构化表面的耐磨活塞环及制备方法

技术领域

本发明涉及一种活塞环，具体涉及一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环及制备方法。

背景技术

活塞环是内燃机关键零件之一，在内燃机中起到密封、润滑、导热和定位等作用。活塞环-缸套工作条件十分严峻，经常处于高温、高压、高冲击载荷状态。汽缸内燃料燃烧使温度最高可达2500 K以上，活塞环由于热膨胀而产生热应力；活塞环在上下止点之间进行高频率的往复运动，速度在0～30 m/s大幅度变化，承受较大的冲击；活塞上下往复运动时缸套对活塞环产生径向压力，以及压缩气体产生的反向压力加上热应力等使接触面压强高达5～10 MPa。由于工作环境严苛，润滑油膜难以形成，活塞环-缸套配副常处于边界润滑状态，局部甚至处于干摩擦状态，磨损严重，因此需要采用多种方法改善活塞环外圆面的耐磨性能。

目前，常采用氮化处理、镀铬处理或等离子喷涂陶瓷膜等方法在活塞环外圆面制备硬质涂层，以提高活塞环的表面硬度和耐磨性，基本可以满足其在正常工况下的耐磨需求。但是硬质涂层的硬度较高，造成涂层脆性的增加，与基体的匹配性和结合性较差，容易在摩擦过程中剥落。另外，这类涂层的摩擦系数偏高，对缸套的攻击性大，在润滑油膜失效或供油不足的情况下容易发生活塞环的严重磨损。中国专利201120483332.1公开了一种带有氮化层和铬-石墨复合层的活塞环，利用硬质涂层作为硬支撑，并结合石墨的自润滑性能解决了发动机工况恶劣情况下活塞环早期磨损的问题。中国专利201220002097.6公开了一种具有固体润滑涂层的活塞环，在渗层或镀铬层的基础上喷涂二硫化钼固体润滑剂，将摩擦系数降低到0.03～0.07。部分软金属如银等，剪切强度很低，能够发生晶间滑移，具有与高粘度流体相似的润滑行为，能通过自行修补润滑膜破裂部位而恢复其润滑性能。激光表面织构化技术可以实现活塞环表面的可控织构化加工，形成的表面微织构可以存储润滑油和收集磨屑，并能增强润滑油膜的流体动压效应，减小活塞环的磨损。本发明以硬质涂层如镀铬层或渗碳/氮层或镍基镀层作为硬支撑层，采用激光表面织构化技术对硬质涂层外圆摩擦面进行织构化处理，并在织构化表面制备软质涂层如镀银层或镀锡层或磁控溅射MoS₂涂层作为润滑相，从而改善活塞环的磨损状况。

发明内容

本发明针对现有活塞环表面耐磨处理技术的不足，提出了一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环及其制备方法，以可控织构化表面作为润滑油/剂和磨屑的储池，以硬质涂层（铬镀层、渗碳/氮层、镍基镀层等）提供硬支撑，以软质涂层（银镀层、锡镀层、磁控溅射MoS₂涂层等）作为润滑相，在油膜失效或供油不足的情况下实现配副界面的自润滑。

为了实现上述目标，本发明的具体技术方案如下：

一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环，包括基体材料、基体材料上的硬质镀层或渗层、激光织构化表面以及软质自润滑涂层。所述基体材料为合金铸铁或球墨铸铁活塞环；所述硬质涂层为铬基镀层或渗碳/氮层或镍基镀层；所述激光织构化表面为采用脉冲激光在硬质涂层表面加工的均匀分布的微孔阵列；所述软质自润滑涂层为银镀层或锡镀层或磁控溅射MoS₂涂层，复合在织构化硬质涂层的表面。

一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环的制备方法，具体步骤如下：

1）对活塞环外圆面进行去油处理和超声清洗；

2）在活塞环外圆面沉积硬质涂层；

3）采用Nd：YAG脉冲激光器对活塞环外圆面进行织构化处理，采用混合式步进电机控制活塞环线位移和角位移，通过该活塞环移动、激光束不动的加工方式可控制备微孔阵列，形成激光织构化表面；

4）在激光织构化表面沉积软质涂层。

与现有技术相比，本发明的优势：

以硬质涂层作为硬支撑，可以提高铸铁活塞环的表面耐磨性。采用脉冲激光在硬质涂层表面刻蚀规则的微孔阵列，通过调整激光参数实现表面织构的可控加工。规则的表面织构可以增强润滑油的流体动压效应，并能作为润滑油/剂的储池及收集磨屑颗粒，改善活塞环的磨损状况，并且激光加工可以对活塞环外圆面起到相变硬化的作用，改善硬质涂层与基底的结合强度，进一步提高涂层的耐磨性。软质涂层可以作为润滑相，降低了硬质涂层对缸套的攻击性，并在油膜失效或出现过度边界摩擦甚至干摩擦的状态下提供自润滑作用。当表面润滑涂层发生磨损脱落时，微孔内的润滑层可以补充到磨损表面，重新形成润滑膜，对磨损润滑膜进行修复，显著改善了活塞环的摩擦性能，提高了其使用寿命。

附图说明

附图为带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环的剖面结构示意图，图中1为软质涂层，2为激光织构化表面，3为硬质涂层，4为基体材料。

具体实施方式

结合附图和实施例，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如附图所示，一种带有软硬复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环，由软质涂层1、激光织构化表面2、硬质涂层3和基体材料4构成。其中软质涂层1沉积在激光织构化表面2上，涂层厚度为1～10 μm；硬质涂层3沉积在活塞环基体材料4的外圆面上，厚度为20～40 μm，硬度为800～1500 HV_0.05；在带有硬质涂层的基体材料4表面进行激光织构化处理，获得带有规则、均匀微孔阵列的激光织构化表面2，微孔直径D=50～200 μm，微孔深度h=6～55 μm，面积占有率S=1%～20%，微孔间距L=400～800 μm。

一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环，制备方法如下：

一种带有Cr-Ag复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环，具体制备步骤如下：

1）对活塞环外圆面进行镀前去油和超声清洗，其中去油试剂为氢氧化钠60 g/L、碳酸钠80 g/L的水溶液。

2）以水为溶剂，含铬酸酐（CrO₃）100～150 g/L、硫酸1 g/L，二者质量比为100:1～150:1，Cr³⁺含量控制在3～7 g/L，采用双向脉冲电镀电源进行电沉积，镀液温度为30～60 ℃，阴极电流密度为10～60 A/dm²，电镀时间4～6 h。

3）采用Nd：YAG脉冲激光器对活塞环外圆面进行织构化处理，采用混合式步进电机控制活塞环线位移和角位移，通过该活塞环移动、激光束不动的加工方式制备微孔阵列，调整同点重复激光脉冲次数2～8次，改变表面微孔的直径和深度；其中脉冲激光器的参数为激光波长1064 nm、输出最大单脉冲能量50 mJ、脉冲频率50 Hz、脉冲宽度50～100 ns，其微孔直径D=50～200 μm，微孔深度h=6～55 μm，面积占有率S=1%～20%，微孔间距L=400～800 μm。

4）以水为溶剂，含硝酸银40 g/L、硫代硫酸钠200 g/L、亚硫酸氢钠80 g/L、乙酸钠20 g/L、硫代氨基脲0.5 g/L，PH控制在5～6，对织构化活塞环进行化学镀银，镀液温度30～50 ℃，沉积时间1～5 h。

一种带有渗碳/氮-Ag复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环，具体制备步骤如下：

2）采用高压脉冲直流电源进行等离子电解渗碳/氮，沉积电压400～500 V，占空比30%～50%，频率10～20 kHz，沉积时间3～20 min，电解液主要成分为甘油或三乙醇胺或甲酰胺，含有10%～25%去离子水和0.8%～1%氯化钾或碳酸钠。

4）以水为溶剂，含硝酸银30～50 g/L、硫代硫酸钠200 g/L、亚硫酸氢钠80 g/L、乙酸钠20 g/L、硫代氨基脲0.5～1 g/L，PH控制在5～6，对织构化活塞环进行化学镀银，镀液温度30～50 ℃，沉积时间1～5 h。

实施例1：

1）对活塞环外圆面进行镀前去油和超声清洗；2）采用双向脉冲电镀电源进行电沉积，镀液含铬酸酐（CrO₃）100 g/L、硫酸1 g/L，二者重量比为100：1，Cr³⁺含量控制在3 g/L，镀液温度为30 ℃，阴极电流密度为10 A/dm²左右，电镀时间360 min；3）采用Nd：YAG脉冲激光器对活塞环外圆面进行织构化处理，微孔间距400 μm，同点重复激光脉冲次数1次，微孔直径50 μm和深度6 μm，微孔面积占有率1%；4）在织构化镀铬活塞环表面进行化学镀银，镀液含硝酸银30 g/L、硫代硫酸钠200 g/L、亚硫酸氢钠80 g/L、乙酸钠20 g/L、硫代氨基脲0.5 g/L，PH控制在5，温度30 ℃，沉积时间5 h。

实施例2：

1）对活塞环外圆面进行镀前去油和超声清洗；2）采用双向脉冲电镀电源进行电沉积，镀液含铬酸酐（CrO₃）125 g/L、硫酸1 g/L，二者重量比为125：1，Cr³⁺含量控制在5 g/L，镀液温度为50 ℃，阴极电流密度为40 A/dm²左右，电镀时间360 min；3）采用Nd：YAG脉冲激光器对活塞环外圆面进行织构化处理，微孔间距800 μm，同点重复激光脉冲次数4次，微孔直径150 μm和深度40 μm，微孔面积占有率2.8%；4）在织构化镀铬活塞环表面进行化学镀银，镀液含硝酸银40 g/L、硫代硫酸钠200 g/L、亚硫酸氢钠80 g/L、乙酸钠20 g/L、硫代氨基脲0.7 g/L，PH控制在5，温度40 ℃，沉积时间3 h。

实施例3：

1）对活塞环外圆面进行镀前去油和超声清洗；2）采用双向脉冲电镀电源进行电沉积，镀液含铬酸酐（CrO₃）150 g/L、硫酸1 g/L，二者重量比为150：1，Cr³⁺含量控制在7 g/L，镀液温度为60 ℃，阴极电流密度为60 A/dm²左右，电镀时间360 min；3）采用Nd：YAG脉冲激光器对活塞环外圆面进行织构化处理，微孔间距400 μm，同点重复激光脉冲次数8次，微孔直径200 μm和深度55 μm，微孔面积占有率20%；4）在织构化镀铬活塞环表面进行化学镀银，镀液含硝酸银50 g/L、硫代硫酸钠200 g/L、亚硫酸氢钠80 g/L、乙酸钠20 g/L、硫代氨基脲1 g/L，PH控制在6，温度50 ℃，沉积时间1 h。

实施例4：

1）对活塞环外圆面进行镀前去油和超声清洗；2）采用高压脉冲直流电源进行等离子电解渗碳，沉积电压400 V，占空比30%，脉冲频率10 kHz，沉积时间20 min，电解液主要成分为甘油，含有25%去离子水和0.8%氯化钾；3）采用Nd：YAG脉冲激光器对活塞环外圆面进行织构化处理，微孔间距600 μm，同点重复激光脉冲次数4次，微孔直径150 μm和深度40 μm，微孔面积占有率4.9%；4）在织构化镀铬活塞环表面进行化学镀银，镀液含硝酸银35 g/L、硫代硫酸钠200 g/L、亚硫酸氢钠80 g/L、乙酸钠20 g/L、硫代氨基脲0.6 g/L，PH控制在5，温度35 ℃，沉积时间4 h。

实施例5：

1）对活塞环外圆面进行镀前去油和超声清洗；2）采用高压脉冲直流电源进行等离子电解渗碳，沉积电压450 V，占空比50%，脉冲频率15 kHz，沉积时间15 min，电解液主要成分为甘油，含有10%去离子水和1%氯化钾；3）采用Nd：YAG脉冲激光器对活塞环外圆面进行织构化处理，微孔间距600 μm，同点重复激光脉冲次数8次，微孔直径200 μm和深度55 μm，微孔面积占有率8.5%；4）在织构化镀铬活塞环表面进行化学镀银，镀液含硝酸银40 g/L、硫代硫酸钠200 g/L、亚硫酸氢钠80 g/L、乙酸钠20 g/L、硫代氨基脲0.8 g/L，PH控制在6，温度45 ℃，沉积时间3 h。

实施例6：

1）对活塞环外圆面进行镀前去油和超声清洗；2）采用高压脉冲直流电源进行等离子电解渗碳，沉积电压500 V，占空比30%，脉冲频率20 kHz，沉积时间3 min，电解液主要成分为甘油，含有10%去离子水和1%氯化钾；3）采用Nd：YAG脉冲激光器对活塞环外圆面进行织构化处理，微孔间距400 μm，同点重复激光脉冲次数2次，微孔直径50 μm和深度10 μm，微孔面积占有率1%；4）在织构化镀铬活塞环表面进行化学镀银，镀液含硝酸银45 g/L、硫代硫酸钠200 g/L、亚硫酸氢钠80 g/L、乙酸钠20 g/L、硫代氨基脲0.9 g/L，PH控制在5，温度50 ℃，沉积时间2 h。

Claims

1.一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环，包括软质涂层（1）、硬质涂层（3）、活塞环基体材料（4），其特征在于，还包括激光织构化表面（2）；其中硬质涂层（3）沉积在活塞环基体材料（4）的外圆面上，形成带有硬质涂层的基体材料，在带有硬质涂层的基体材料表面进行激光织构化处理，获得带有规则、均匀微孔阵列的激光织构化表面（2），再将软质涂层（1）沉积在激光织构化表面（2）上，其中，所述基体材料为合金铸铁或球墨铸铁活塞环；所述硬质涂层为铬基镀层或渗碳/氮层或镍基镀层；所述激光织构化表面为采用脉冲激光在带有硬质涂层的基体材料表面加工的均匀分布的微孔阵列；所述软质自润滑涂层为银镀层。

2.根据权利要求1所述的减摩耐磨活塞环，其特征在于，软质涂层（1）厚度为1～10 μm；硬质涂层（3）厚度为20～40 μm，硬度为800～1500 HV_0.05；所述微孔阵列的微孔直径D=50～200 μm，微孔深度h=6～55 μm，面积占有率S=1%～20%，微孔间距L=400～800 μm。

3.一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）对活塞环基体材料外圆面进行去油处理和超声清洗；

2）在活塞环基体材料外圆面沉积硬质涂层；

4）在激光织构化表面沉积软质涂层。

4.根据权利要求3所述的一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环的制备方法，其特征在于，当硬质涂层为铬基镀层时，其电镀方法为，以水为溶剂，含铬酸酐（CrO₃）100～150 g/L、硫酸1 g/L，二者质量比为100:1～150:1，Cr³⁺含量控制在3～7 g/L，采用双向脉冲电镀电源进行电沉积，镀液温度为30～60 ℃，阴极电流密度为10～60 A/dm²，电镀时间4～6 h。

5.根据权利要求3所述的一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环的制备方法，其特征在于，当硬质涂层为渗碳/氮层时，其电镀方法为，采用高压脉冲直流电源进行等离子电解渗碳/氮，沉积电压400～500 V，占空比30%～50%，频率10～20 kHz，沉积时间3～20 min，电解液主要成分为甘油或三乙醇胺或甲酰胺，含有10%～25%去离子水和0.8%～1%氯化钾或碳酸钠。

6.根据权利要求3所述的一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环的制备方法，其特征在于，采用Nd：YAG脉冲激光器对活塞环外圆面进行织构化处理时，调整同点重复激光脉冲次数2～8次，改变表面微孔的直径和深度；其中脉冲激光器的参数为激光波长1064 nm、输出最大单脉冲能量50 mJ、脉冲频率50 Hz、脉冲宽度50～100 ns，其微孔直径D=50～200 μm，微孔深度h=6～55 μm，面积占有率S=1%～20%，微孔间距L=400～800 μm。

7.根据权利要求3所述的一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环的制备方法，其特征在于，当软质涂层为银镀层时，其电镀方法为，以水为溶剂，含硝酸银40 g/L、硫代硫酸钠200 g/L、亚硫酸氢钠80 g/L、乙酸钠20 g/L、硫代氨基脲0.5 g/L，PH控制在5～6，对织构化活塞环进行化学镀银，镀液温度30～50 ℃，沉积时间1～5 h。