CN105925939A - 一种氮化钛纳米双层涂层发动机气缸套的制备工艺 - Google Patents

一种氮化钛纳米双层涂层发动机气缸套的制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料涂层领域和汽车发动机制造技术领域，特别涉及一种超耐磨的氮化钛纳米双层涂层发动机缸套制备工艺。利用本发明的制备工艺制作的氮化钛纳米双层涂层发动机气缸套，含有高硬度氮化钛涂层和韧性金属钛，可以在保持较高硬度的同时提高涂层的韧性与气缸体间的结合强度，从而提高涂层的耐磨性，这种纳米双层涂层结构，可以有效弥补氮化钛单涂层韧性较差的不足，显著减小气缸体的磨损，延长发动机的使用寿命，该纳米双层涂层气缸套制备工艺容易掌握，生产过程稳定可靠。

Description

一种氮化钛纳米双层涂层发动机气缸套的制备工艺
技术领域
本发明属于材料涂层领域和汽车发动机制造技术领域，特别涉及一种超耐磨的氮化钛纳米双层涂层发动机缸套制备工艺。
背景技术
汽车发动机为汽车提供动力，是汽车的心脏，影响汽车的动力性、经济性和环保性。汽车发动机大多是热能动力装置，借助工质的状态变化将燃料燃烧产生的热能转变为机械能。汽车发动机气缸是组成燃烧室的重要零件，其工作环境恶劣，是发动机上较易损伤的零件之一。气缸套安装在气缸体的缸筒内，与活塞和缸盖共同组成燃烧室。气缸套内表面不但与高温高压燃气接触，还与进气过程的冷空气接触，工作过程温度变化剧烈，润滑条件很差，工作条件较为恶劣，活塞的往复运动又会造成缸壁的过度磨损、工作面易被拉伤等问题。气缸套的损伤既影响了发动机工作质量和效率，也决定着发动机的使用寿命。
发明内容
本发明的目的就是要解决发动机气缸套可靠性能差、不耐磨、寿命低等问题，提供一种超耐磨的氮化钛纳米双层涂层发动机缸套制备工艺，提高气缸套的可靠性、耐磨性。与现有技术相比，本案工艺具有制造工艺简单特点，使气缸套的硬度更高，韧性更好，经久耐磨，可有效地提升发动机的工作性能。
本发明通过以下方式实现：
一种氮化钛纳米双层涂层发动机气缸套的制备工艺，发动机气缸套材料为20钢，双层涂层分别为纳米钛和氮化钛，依次沉积在发动机气缸套的内表面上，具体工艺步骤如下：
（1）准备阶段：将发动机气缸套装入专用夹具1内，安装固定；
（2）前处理阶段：抛光发动机气缸套内表面，然后放入酒精中，超声波清洗25min，再放入丙酮中，超声波清洗25min，烘箱烘干后，放入镀膜机中，抽真空至5.5×10-3Pa，加热至300℃，保温15~25min；
（3）离子清洗阶段：通氩气，其压力为1.0~1.5Pa线性渐变，开启偏压电源，电压750V，占空比0.3，辉光放电清洗45min；降低偏压至500V，占空比0.3，开启离子源离子清洗30min，开启钛靶电弧源，偏压450V，靶电流60A，离子轰击钛靶7min；
（4）沉积厚度为500~700nm 的钛过渡层阶段：调整氩气气压0.4~0.5Pa，偏压降至300V，沉积温度300℃，钛靶电流70A，电弧镀钛过渡层20min；
（5）沉积厚度为600~700nm 的氮化钛阶段：氩气气压0.6Pa，偏压220V，沉积温度350℃，电弧镀氮化钛层35min；
（6）后处理阶段：关闭各电源，离子源，将炉体冷却至100℃后，关闭氩气，专用夹具1、发动机气缸套随炉冷却至室温出炉；将发动机气缸套从专用夹具1中取出，去毛刺，涂层结束；
（7）检测阶段：表面精度检查、硬度抽查及金相抽查分析。
通过上述工艺制备的氮化钛纳米双层涂层发动机气缸套，含有双层涂层：高硬度氮化钛涂层和韧性金属钛，从而达到提升气缸套内表面硬度、减小残余应力，增加涂层与气缸套间的结合强度目的。该纳米双层涂层气缸套制备工艺容易掌握，生产过程稳定可靠。
附图说明
图1——一种氮化钛纳米双层涂层发动机气缸套的制备工艺专用夹具示意图。
图2——氮化钛纳米双层涂层发动机气缸套示意图。
具体实施方式
下面给出本发明的实施例，用来进一步说明技术解决方案。
实施例1，参考图1、图2。一种氮化钛纳米双层涂层发动机气缸套的制备工艺，发动机气缸套2材料为20钢，涂层3为纳米钛和氮化钛，即发动机气缸套内表面2-1上为一层钛过渡层3-1，钛过渡层3-1上为氮化钛高硬度涂层3-2，具体工艺步骤如下：
（1）准备阶段：将发动机气缸套2装入专用夹具1内，安装固定。专用夹具1由上盖1-1、上垫片1-2、石棉垫1-3、夹紧机构1-4、下筒体1-5、下垫片1-6组成；其中夹紧机构1-4又由下夹紧杆1-4-1、铰链销1-4-2、上夹紧杆1-4-3、拉紧弹簧1-4-4组成。先将上垫片1-2安装在上盖1-1的圆孔内，将下垫片1-6安装在下筒体1-5的底部圆孔内，再将发动机气缸套2装入下筒体1-5，然后在下筒体1-5上部的环形槽内安放石棉垫1-3，盖上上盖1-1，用4~10个夹紧机构1-4夹紧上盖1-1和下筒体1-5；
（2）前处理阶段：抛光发动机气缸套2内表面，去除表面油污、锈迹等杂质，然后依次放入酒精和丙酮中，超声波清洗各25min，去除发动机气缸套2内表面上的油污和附着物，烘箱烘干后，迅速放入镀膜机，抽真空至5.5×10-3Pa，加热至300℃，保温15~25min；
（3）离子清洗阶段：通氩气，其压力为1.0~1.5Pa，开启偏压电源，电压750V，占空比0.3，辉光放电清洗45min；降低偏压至500V，占空比0.3，开启离子源离子清洗30min，开启钛靶电弧源，偏压450V，靶电流60A，离子轰击钛靶7min；
（4）沉积厚度为500~700nm 的钛过渡层阶段：调整氩气气压0.4~0.5Pa，偏压降至300V，沉积温度300℃，钛靶电流70A，电弧镀钛过渡层20min；
（5）沉积厚度为600~700nm 的氮化钛阶段：氩气气压0.6Pa，偏压220V，沉积温度350℃，电弧镀氮化钛层35min；
（6）后处理阶段：关闭各电源，离子源，将炉体冷却至100℃后，关闭氩气，专用夹具1、发动机气缸套2随炉冷却至室温出炉；将发动机气缸套2从专用夹具1取出，去毛刺，涂层结束；
（7）检测阶段：表面精度检查、硬度抽查及金相抽查分析。
通过上述工艺制备的氮化钛纳米双层涂层发动机气缸套，为保证只给气缸套内表面沉积上硬化层，特别设计了专用夹具1。专用夹具1使用一段时间后，为避免因夹具表面被沉积上过厚的涂层，进而影响到发动机气缸套2的涂层沉积效果，可以随时更换上新的垫片1-2、石棉垫1-3、下垫片1-6，以延长专用夹具1的使用寿命。

Claims (2)

1.一种氮化钛纳米双层涂层发动机气缸套的制备工艺，发动机气缸套材料为20钢，双层涂层分别为纳米钛和氮化钛，依次沉积在发动机气缸套的内表面上，其特征在于，具体工艺步骤如下：
（1）准备阶段：将发动机气缸套装入专用夹具（1）内，安装固定；
（2）前处理阶段：抛光发动机气缸套内表面，然后放入酒精中，超声波清洗25min，再放入丙酮中，超声波清洗25min，烘箱烘干后，放入镀膜机中，抽真空至5.5×10-3Pa，加热至300℃，保温15~25min；
（3）离子清洗阶段：通氩气，其压力为1.0~1.5Pa线性渐变，开启偏压电源，电压750V，占空比0.3，辉光放电清洗45min；降低偏压至500V，占空比0.3，开启离子源离子清洗30min，开启钛靶电弧源，偏压450V，靶电流60A，离子轰击钛靶7min；
（4）沉积厚度为500~700nm 的钛过渡层阶段：调整氩气气压0.4~0.5Pa，偏压降至300V，沉积温度300℃，钛靶电流70A，电弧镀钛过渡层20min；
（5）沉积厚度为600~700nm 的氮化钛阶段：氩气气压0.6Pa，偏压220V，沉积温度350℃，电弧镀氮化钛层35min；
（6）后处理阶段：关闭各电源，离子源，将炉体冷却至100℃后，关闭氩气，专用夹具（1）、发动机气缸套随炉冷却至室温出炉；将发动机气缸套从专用夹具（1）中取出，去毛刺，涂层结束；
（7）检测阶段：表面精度检查、硬度抽查及金相抽查分析。
2.根据权利要求1所述的一种氮化钛纳米双层涂层发动机气缸套的制备工艺，所述的专用夹具（1）由上盖（1-1）、上垫片（1-2）、石棉垫（1-3）、夹紧机构（1-4）、下筒体（1-5）、下垫片（1-6）组成；其中夹紧机构（1-4）又由下夹紧杆（1-4-1）、铰链销（1-4-2）、上夹紧杆（1-4-3）、拉紧弹簧（1-4-4）组成；其特征在于，先将上垫片（1-2）安装在上盖（1-1）的圆孔内，将下垫片（1-6）安装在下筒体（1-5）的底部圆孔内，再将发动机气缸套（2）装入下筒体（1-5），然后在下筒体（1-5）上部的环形槽内安放石棉垫（1-3），盖上上盖（1-1），用4~10个夹紧机构（1-4）夹紧上盖（1-1）和下筒体（1-5）。
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