CN103225064A

CN103225064A - 类金刚石涂层活塞环的制备方法

Info

Publication number: CN103225064A
Application number: CN2012104259590A
Authority: CN
Inventors: 王星; 张洪涛; 陈春; 程伟胜
Original assignee: Anqing TP Goetze Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Anqing TP Goetze Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-07-31

Abstract

本发明公开了一种类金刚石涂层活塞环的制备方法，将活塞环表面进行丙酮超声波清洗后低温烘干，装夹入磁过滤真空阴极弧炉，磁过滤真空阴极弧炉包括真空阴极弧装置，该真空阴极弧装置的入口设置L型磁过滤真空管道，将装有高纯石墨的阴极靶安装在L型磁过滤真空管道的入口处，L型磁过滤真空管道的外围安装偏向磁圈；磁过滤真空阴极弧炉抽真空后升温至160～220℃，再通入本底气体高纯氩气，通入电压电流，对活塞环外圆面镀膜后，排气，降温；经抛光、清洗、烘干得产品。本发明所得类金刚石膜的致密性高，表面光滑，耐磨性高，抗拉缸性高，摩擦系数很低，能够满足发动机朝着更高转速、更高扭矩、更高寿命、更低油耗和更低排放的方向发展需要。

Description

类金刚石涂层活塞环的制备方法

一、技术领域：

本发明涉及活塞环的制备方法，具体涉及一种类金刚石涂层活塞环的制备方法，属于活塞表面处理技术领域。

二、背景技术：

随着节能减排相关政策的出台，对汽车发动机的要求越来越严格，汽车发动机朝着高转速、高扭矩、高寿命、低油耗和低排放的方向发展。活塞环是发动机的最重要核心运动零部件和易损件，具有密封、导热、支承和控油四个方面重要作用，必须要具有以下特点：①优越的耐磨性能和低缸套磨损性能，可以延长发动机的使用寿命和减少维修成本；②优良的导热性能和耐高温、耐腐蚀性；③低摩擦系数，可以减少因环和缸套往复摩擦造成的磨损功损失，提升发动机的功率。所以如何提高活塞环的表面处理性能是对发动机性能改良的一个很重要的途径，但现行的活塞环表面处理存在以下几个方面的局限性：①耐磨性差，容易出现磨损大造成活塞环失效；②对气缸壁的攻击性大，容易造成拉缸和缸套的高磨损，尤其在初期磨合阶段，由于环与缸壁的润滑油膜还没有有效建立，常出现拉缸异常；③表面摩擦系数大，环在工作时造成了大量的摩擦功损失，影响了发动机的功率和油耗。由于存在以上缺陷现行的活塞环表面处理已经渐渐体现出不能满足发动机发展的需要，影响了发动机的性能提升。所以需要发明一种更好的活塞环表面处理技术替代现行的表面处理，使活塞环性能满足汽车发动机朝更加节能环保的方向发展需要。

类金刚石膜是一种含有大量sp3键的亚稳态非晶碳薄膜，碳原子间主要以sp3和sp2杂化键结合，性能接近于金刚石。类金刚石具有和金刚石几乎一样的特性：高硬度、耐磨损、高耐腐蚀、低摩擦系数。如果能将类金刚石应用到活塞的表面处理上将会使活塞环的性能得到很大的提升，是活塞环表面处理技术的一次重大突破。

目前制备类金刚石膜的主要方法有：离子束沉积法、磁控溅射沉积法、多弧离子镀等，但这些工艺方法都存在相应缺陷，主要表现在：沉积速度慢效率低下、工艺温度高对活塞环基体组织影响大、无法克服沉积过程中大颗粒，膜层质量差。

三、发明内容：

本发明的目的在于解决现有活塞环表面处理技术的不足，提供了一种能够满足发动机朝着更高转速、更高扭矩、更高寿命、更低油耗和更低排放的方向发展需要的类金刚石涂层活塞环的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明类金刚石涂层活塞环的制备方法，其步骤包括：

1)将活塞环表面进行丙酮超声波清洗，时间为10分钟，去除活塞环表面附着的油污和杂质；

2)将清洗后的活塞环进行低温烘干，烘干温度为55～60℃；

3)将烘干的活塞环装夹入磁过滤真空阴极弧炉，所述磁过滤真空阴极弧炉包括真空阴极弧装置，该真空阴极弧装置的入口设置L型磁过滤真空管道，将装有高纯石墨的阴极靶安装在L型磁过滤真空管道的入口处，L型磁过滤真空管道的外围安装偏向磁圈；

控制磁过滤真空阴极弧炉真空度6.0×10^-3Pa以下、温度控制在160～220℃；磁过滤真空阴极弧炉通入本底气体高纯氩气，流量控制在25～30sccm；磁过滤真空阴极弧炉通入电压电流，控制弧流35～55A，偏置电压100～160V，偏置电流0.55～0.85A，沉积压力6×10^-2～10×10^-2Pa，对活塞环外圆面镀膜；

4)完成镀膜后，将磁过滤真空阴极弧炉排气，降温；

5)将镀膜的活塞环取出，经抛光、清洗、烘干得产品。

本发明方法采用磁过滤真空阴极弧技术，并形成活塞环表面类金刚石处理层专用设备，磁过滤真空阴极弧炉是在真空阴极弧装置的基础上在加一个L型的磁过滤器，是传统真空阴极弧装置基础上的进一步发明创新。通过磁过滤器后，等离子体中的大颗粒及中性粒子将被滤除，从而克服了沉积过程中大颗粒对薄膜质量的损害。本发明所制备的薄膜致密，性能优异。等离子体通过这种磁过滤管道时，磁化的电子沿磁力线运动，而离子在等离子体内部电场作用下也将同电子一同沿磁力线运动，从而使等离子体通过过滤管道，其余的中性粒子及大颗粒将沉积到管道内壁上。

本发明方法对活塞环外圆进行类金刚石涂层处理工艺要求：

本发明的优点：(1)磁过滤真空阴极弧技术沉积温度低(150～220℃)，对活塞环基材的金相组织无影响，不改变材料原始特性。(2)真空阴极弧技术放电剧烈，碳离子离化率高，产生高密度等离子体，环表面沉积速度快。(3)通过L型磁过滤管，过滤掉等离子体中的大颗粒及中性粒子，使得在活塞环外圆面沉积的类金刚石膜的致密性高，而且薄膜表面光滑。能够满足发动机朝着更高转速、更高扭矩、更高寿命、更低油耗和更低排放的方向发展需要。

本发明的磁过滤真空阴极弧技术对活塞环基材和活塞环的表面可选择范围广泛，根据发动机的性能要求包括以下几种类型的活塞环：

第一种，包括活塞环基体和在活塞环基体的外圆面上设有类金刚石涂层。而且提高了安全性，可避免环境污染，为二氧化氯消毒剂的应用开阔了市场。

第二种，包括活塞环基体和在基体的外圆面上设有其他表面处理层(镀铬、复合陶瓷电镀、PVD即CrN涂层等)，再在外圆面的处理层上设有类金刚石涂层。

第三种，针对侧面磨损大的活塞环，包括活塞环基体和基体的表面上设有氮化处理层，再在外圆面的氮化处理层上设有类金刚石涂层。

由于类金刚石涂层硬度是普通表面处理环硬度的2～3倍，使得环具有更高的耐磨损性能。又类金刚石涂层的热承载和抗拉缸性能好，降低了环对缸套的攻击性，提高了环的抗拉缸性能，大大延长了环与缸套的使用寿命。另外，类金刚石涂层的摩擦系数极低(0.1以下)，只有其他表面处理层的1/5，对改善发动机摩擦功损失效果好，提升了发动机功率降低燃油耗，符合发动机发展的需要。

试验测试验证，本发明活塞环可以降低发动机摩擦功损失11％以上，减少二氧化碳排放15％以上。

四、说明附图：

图1是本发明方法中的磁过滤真空阴极弧炉示意图；

图2是本发明第一种方案所得活塞环部分截面示意图；

图3是本发明第二种方案所得活塞环部分截面示意图；

图4是本发明第三种方案所得活塞环部分截面示意图。

五、具体实施方式：

参见图1，本发明方法中的磁过滤真空阴极弧炉，包括真空阴极弧装置，该真空阴极弧装置的入口设置L型磁过滤真空管道2，将装有高纯石墨的阴极靶1安装在L型磁过滤真空管道2的入口处，L型磁过滤真空管道2的外围安装偏向磁圈4，等离子体大颗粒3被过滤，碳离子流5沉积到活塞环装夹工件7上的活塞环外圆面形成类金刚石涂层6。

具体实施方式一：参见图2，类金刚石涂层活塞环包括活塞环基体8和在基体8的外圆面上设有的类金刚石涂层11。实施步骤如下：

步骤1，将需要做类金刚石涂层处理的活塞环表面进行丙酮超声波清洗，时间为10分钟。

步骤2，将清洗后的活塞环进行低温烘干，烘干温度为55～60℃。

步骤3，将需要进行类金刚石涂层处理的活塞环装夹入炉；

步骤4，将磁过滤真空阴极弧炉抽真空，使得真空度达到6.0×10^-3Pa以下；

步骤5，升温，温度控制在160～220℃；

步骤6，通入本底气体高纯氩气，流量控制在25～30sccm，炉内气压控制在0.06～0.1Pa范围内

步骤7，通入电压电流，镀膜，弧流35～55A，偏置电压100～160V，偏置电流0.55～0.85A；

步骤8，排气，降温

步骤9，抛光、清洗并烘干。

具体实施方式二：参见图3，类金刚石涂层活塞环包括活塞环基体8和在基体8的外圆面上设有的其它PVD处理层9，再在外圆面其它处理层9上设有类金刚石涂层11。实施步骤如下：

步骤1，在基体的外圆上采用物理气相沉积方式生成的厚度为10～50μm的CrN涂层；

步骤2，将完成步骤1的活塞环外圆进行珩磨或抛光处理；

步骤3，将完成步骤2的活塞环表面进行丙酮超声波清洗，时间为10分钟；

步骤4，将清洗后的活塞环进行低温烘干，烘干温度为55～60℃

步骤5，将需要进行类金刚石涂层处理的活塞环装夹入炉；

步骤6，将磁过滤真空阴极弧炉抽真空，使得真空度达到6.0×10^-3Pa以下；

步骤7，升温，温度控制在160～220℃

步骤8，通入本底气体高纯氩气，流量控制在25～30sccm，炉内气压控制在0.06～0.1Pa范围内；

步骤9，通入电压电流，镀膜，弧流35～55A，偏置电压100～160V，偏置电流0.55～0.85A；

步骤10，排气，降温

步骤11，抛光、清洗并烘干。

具体实施方式三：参见图4，类金刚石涂层活塞环包括活塞环基体8和在基体8的表面上设有的气体氮化处理层10再在外圆面氮化层10上设有类金刚石涂层11。实施步骤如下：

步骤1，通过气体氮化方式在活塞的表面形成厚度为30～100μm的氮化层；

步骤2，将完成步骤1的活塞环外圆进行珩磨或抛光处理；

步骤3，将完成步骤2的活塞环端面进行磨削，使得粗糙度到达RZ4μm以下；

步骤4，将完成步骤2的活塞环表面进行丙酮超声波清洗，时间为10分钟；

步骤5，将清洗后的活塞环进行低温烘干，烘干温度为55～60℃

步骤6，将需要进行类金刚石涂层处理的活塞环装夹入炉；

步骤7，将磁过滤真空阴极弧炉抽真空，使得真空度达到6.0×10^-3Pa以下；

步骤8，升温，温度控制在160～220℃

步骤9，通入本底气体高纯氩气，流量控制在25～30sccm，炉内气压控制在0.06～0.1Pa范围内；

步骤10，通入电压电流，镀膜，弧流35～55A，偏置电压100～160V，偏置电流0.55～0.85A；

步骤11，排气，降温

步骤12，抛光、清洗并烘干。

Claims

1.一种类金刚石涂层活塞环的制备方法，其步骤包括：

2)将清洗后的活塞环进行低温烘干，烘干温度为55～60℃；

4)完成镀膜后，将磁过滤真空阴极弧炉排气，降温；

5)将镀膜的活塞环取出，经抛光、清洗、烘干得产品。

2.根据权利要求1所述的类金刚石涂层活塞环的制备方法，其特征是：所述步骤1)中的活塞环表面预先设有CrN涂层、氮化层中的一种，再进行珩磨或抛光处理。