CN107013359B - 一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞及制备方法，在清洗、预热后的活塞表面喷涂镍包石墨粉末，然后在活塞的裙部进行光刻加工，随后进行微电解加工，去除光刻胶后，得到带有凹坑状织构化镍包石墨涂层的活塞，最后对活塞的裙部进行二硫化钼微粒子喷丸处理，得到带有复合织构化掺杂涂层的活塞。本发明将涂层、织构和微粒子喷丸技术结合，微粒子喷丸所得的喷丸粗糙结构与凹坑状织构协同提高活塞裙部的润滑油存储性能和减摩抗磨性能；微粒子喷丸所得的涂层表层中二硫化钼掺杂与涂层中的石墨协同提高活塞裙部的自润滑性能。本发明较传统活塞改善了活塞裙部润滑膜的承载能力，提高了乏油情况下发动机活塞裙部自润滑的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞及制备方法，可应用于各类内燃机活塞，能有效的改善活塞的工作稳定性和耐久性。
背景技术
内燃机在启动瞬态或高温极端工作环境下，润滑油膜不易形成或容易被破坏，传统的润滑方式难以满足内燃机活塞在特殊工况下摩擦副表面的润滑要求。相比润滑油和润滑脂而言，在表面制造固体润滑涂层因具有使用温度范围宽、承载能力强、耐腐蚀等优势，是解决乏油和极端工况下实现活塞可靠润滑的有效途径之一。
活塞运动时，活塞裙部-缸套摩擦副具有最大的接触面积，承受活塞工作过程中的侧压力及摩擦力，合理设计活塞裙部可改善活塞的性能，减少内燃机的摩擦损耗。具有一定规则结构和排列的粗糙结构的表面，称为织构化表面。摩擦学研究发现，按一定规律排列粗糙结构的非光滑表面较光滑表面显示了更好的耐磨性能和减黏附性能。这是因为在摩擦副表面加工凹坑织构后，表面凹坑形貌会减小连续接触面积，具有一定的减阻和润滑作用，凹坑中存在的气泡和润滑油共同作用提高了承载能力，降低了摩擦力。
据相关研究表明，两种或两种以上的固体润滑剂混合使用会起到协同效果，一般认为是由于两种固体润滑剂对金属表面及周围气氛的活性不同，可以相互补充。采用几种或多种不同性质的固体润滑剂的组合，如石墨与CaCl2、MoS2与PbO的混合，可改善其最终润滑效果。
微粒子喷丸处理是用微米级颗粒, 以超过100m/s的高速对被处理材料进行的喷射处理。微粒子喷丸处理能有效地提高疲劳强度，常被使用在齿轮及弹簧等零件上。微粒子喷丸由于速度快，会产生瞬时高温，其温度可达到溶化金属结晶程度的温度，因此可以使表面细晶化，也可形成融附、掺杂；微粒子撞击表面后表面会形成非常细小的凹坑，可储存润滑油，提高润滑性能。
发明内容
一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞，其特征在于：在活塞的表面制备镍包石墨涂层，得到带有镍包石墨涂层的活塞，在带有镍包石墨涂层的活塞的裙部表面加工凹坑状织构，得到带有凹坑状织构化镍包石墨涂层的活塞，对带有凹坑状织构化镍包石墨涂层的活塞的裙部进行二硫化钼微粒子喷丸，得到带有复合织构化掺杂涂层的活塞；所述镍包石墨涂层是由镍包石墨粉末喷涂在活塞表面形成，分为预涂层和工作涂层；所述凹坑状织构是在镍包石墨涂层表面进行光刻加工和微电解加工，形成规则排布的凹坑状织构；所述复合织构是由凹坑状织构与喷丸粗糙结构复合而成，以减小摩擦接触面积、增强储油性能和自润滑性能；所述喷丸粗糙结构是采用微粒子喷丸的方法将不同粒径混合的二硫化钼颗粒以高速度喷射在镍包石墨涂层表面，一部分撞击在镍包石墨涂层表面，脱落后形成凹坑喷丸粗糙结构，另一部分粘附在镍包石墨涂层表面形成凸起喷丸粗糙结构；所述掺杂涂层是在微粒子喷丸过程中，一部分二硫化钼颗粒撞入镍包石墨涂层表层中形成掺杂，与镍包石墨涂层中的石墨协同增强高温下自润滑的稳定性。所述预涂层厚度为0.1~0.2mm，工作涂层厚度为0.8~1.5mm；所述凹坑状织构直径为200~250μm，深度为8~10μm，凹坑状织构覆盖面积为活塞裙部面积的10~24%；所述喷丸粗糙结构直径为0.25~9μm，深度或高度为3~5μm；所述不同粒径混合的二硫化钼颗粒是由粒径为10~18μm的大二硫化钼颗粒和粒径为0.5~1.3μm的小二硫化钼颗粒组成。
一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞的制备方法，其特征在于：制备方法包括如下步骤：
（1）将活塞置入丙酮、乙醇各超声清洗10min，对清洗后的活塞进行预热，预热温度为150~200℃，采用喷涂的方法将镍包石墨粉末喷涂在已预热的活塞表面，得到带有镍包石墨涂层的活塞；
（2）对带有镍包石墨涂层的活塞的裙部进行光刻加工，得到带有光刻胶的镍包石墨涂层的活塞，然后进行微电解加工，形成凹坑状织构，最后去除光刻胶，得到带有凹坑状织构化镍包石墨涂层的活塞；
（3）对带有凹坑状织构化镍包石墨涂层的活塞的裙部进行二硫化钼微粒子喷丸处理，得到带有复合织构化掺杂涂层的活塞。
所述步骤（1）中喷涂的方法是激光喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂中的一种方法或几种方法的组合。
所述步骤（1）中镍包石墨粉末是粒径为40~80μm的均匀粉末。
所述步骤（2）中光刻加工是对带有镍包石墨涂层的活塞表面进行清洗、干燥预处理，随后在带有镍包石墨涂层的活塞的裙部表面旋涂光刻胶，然后使用紫外光灯对光刻胶表面进行曝光，曝光时间为17~20s，然后置于显影液中漂洗2min，取出后在温度为120~125℃的保温箱中烘烤20~25min，进行坚膜。
所述步骤（2）中微电解加工，电源正极接带有光刻胶的镍包石墨涂层的活塞表面，作为阳极，电源负极接工具阴极，作为阴极，阳极与阴极的距离为110~120μm，电解液成分为19~21wt.%的NaNO3水溶液，电解液温度为24~27℃，电解液进口压力为0.4~0.6MPa，电流密度为15~25A/cm2。
所述步骤（3）中二硫化钼是大二硫化钼颗粒和小二硫化钼颗粒按质量分数为1:1的比例均匀混合而成。
附图说明
图1是本发明基底活塞。
图中，1、活塞顶部；2、活塞头部；3、活塞裙部。
图2是本发明带有镍包石墨涂层的活塞。
图中，1、基底活塞；2、镍包石墨预涂层；3、镍包石墨工作涂层。
图3是本发明一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞（截面图）。
图中，1、基底活塞；2、凹坑状织构；3、镍包石墨涂层；4、 二硫化钼掺杂；5、喷丸粗糙结构。
具体实施方式1
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
1.如图1所示，将基底活塞置入丙酮、乙醇各超声清洗10min，对清洗后的基底活塞进行预热，预热温度为150~200℃。如图2所示，采用火焰喷涂的的方法将粒径为40~80μm的镍包石墨均匀粉末喷涂在已预热的基底活塞（1）表面，所述火焰喷涂所用的气体为氧气、乙炔，其中氧气压力为0.4~0.49MPa，乙炔压力为0.49~0.64MPa，喷涂距离取为火焰长度的三分之二，喷涂时镍包石墨预涂层（2）的厚度为0.1~0.2mm，镍包石墨工作涂层（3）的厚度为1.0~1.2mm，喷涂后即得到带有镍包石墨涂层的活塞。
2.如图3所示，在基底活塞（1）上制备好镍包石墨涂层（3）（包含预涂层和工作涂层）后，对活塞裙部表面进行光刻加工处理，随后以活塞裙部表面为阳极进行微电解加工，电解时阳极与阴极的距离为110~120μm，其电解液成分为19~21wt.%的NaNO3水溶液，电解液温度为24~27℃，电解液进口压力为0.4~0.6MPa，电流密度为15~25A/cm2，形成直径为200~250μm，深度为8~10μm的凹坑状织构（2），凹坑状织构（2）覆盖面积为活塞裙部面积的10~24%，最后去除光刻胶，得到带有织构化镍包石墨涂层的活塞。
3.如图3所示，对带有凹坑状织构化的镍包石墨涂层（3）的活塞裙部进行均匀的二硫化钼微粒子喷丸处理，所述二硫化钼微粒子是大颗粒二硫化钼粉末和小颗粒二硫化钼粉末以质量分数1:1均匀混合而成，其中大颗粒二硫化钼颗粒直径为10~18μm，小颗粒二硫化钼颗粒粒径为0.5~1.3μm，得到的喷丸粗糙结构（5）粒径为0.25~9μm，深度为3~5μm，小颗粒二硫化钼融附、掺杂（4）在表面的深度为0.15~2.5μm，微粒子喷完后即得到带有复合织构化掺杂涂层的活塞。
具体实施方式2
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
1.如图1所示，将基底活塞置入丙酮、乙醇各超声清洗10min，对清洗后的基底活塞进行预热，预热温度为150~200℃。如图2所示，采用激光喷涂的的方法将粒径为40~80μm的镍包石墨均匀粉末喷涂在已预热的基底活塞（1）表面，所述激光喷涂采用CO2激光器，额定输出功率为1800W，光束发散角小于1.5毫弧度，涂层时光斑直径为4mm，扫描速度为5mm/s，喷涂时镍包石墨预涂层（2）的厚度为0.1~0.2mm，镍包石墨工作涂层（3）的厚度为0.8~1.5mm，喷涂后即得到带有镍包石墨涂层的活塞。
2.如图3所示，带有镍包石墨涂层的活塞由基底活塞（1）和镍包石墨涂层（3）（包含预涂层和工作涂层）组成，对带有镍包石墨涂层的活塞裙部表面进行光刻加工处理，并以其作为阳极进行微电解加工，电解时阳极与阴极的距离为110~120μm，其电解液成分为19~21wt.%的NaNO3水溶液，电解液温度为24~27℃，电解液进口压力为0.4~0.6MPa，电流密度为15~25A/cm2，形成直径为200~250μm，深度为8~10μm的凹坑状织构（2），凹坑状织构（2）覆盖面积为活塞裙部面积的10~24%，最后去除光刻胶，得到带有织构化镍包石墨涂层的活塞。
3.如图3所示，对带有凹坑状织构化镍包石墨涂层（3）的活塞裙部进行均匀的二硫化钼微粒子喷丸处理，所述二硫化钼微粒子是大颗粒二硫化钼粉末和小颗粒二硫化钼粉末以质量分数1:1均匀混合而成，其中大颗粒二硫化钼颗粒直径为10~18μm，小颗粒二硫化钼颗粒粒径为0.5~1.3μm，得到的喷丸粗糙结构（5）粒径为0.25~9μm，深度为3~5μm，小颗粒二硫化钼融附、掺杂（4）在表面的深度为0.15~2.5μm，微粒子喷完后即得到带有复合织构化掺杂涂层的活塞。
实施证明不同粒径混合的二硫化钼颗粒以高速度喷射在镍包石墨涂层表面，一部分撞击在镍包石墨涂层表面，脱落后形成凹坑喷丸粗糙结构，另一部分粘附在镍包石墨涂层表面形成凸起喷丸粗糙结构。并在微粒子喷丸过程中，一部分二硫化钼颗粒撞入镍包石墨涂层表层中形成掺杂。凹坑、凸起喷丸粗糙结构与凹坑状织构协同提高活塞裙部的润滑油存储性能和减摩抗磨性能，二硫化掺杂在镍包石墨涂层表层，与涂层中石墨协同提高活塞裙部的自润滑性能。本发明较传统活塞改善了活塞裙部润滑膜的承载能力，提高了乏油情况下发动机活塞裙部的自润滑，从而大大增强了活塞式内燃机运行的可靠性。
本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下做出的与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (8)
1.一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞，其特征在于：在活塞的表面制备镍包石墨涂层，得到带有镍包石墨涂层的活塞，在带有镍包石墨涂层的活塞的裙部表面加工凹坑状织构，得到带有凹坑状织构化镍包石墨涂层的活塞，对带有凹坑状织构化镍包石墨涂层的活塞的裙部进行二硫化钼微粒子喷丸，得到带有复合织构化掺杂涂层的活塞；所述镍包石墨涂层是由镍包石墨粉末喷涂在活塞表面形成，分为预涂层和工作涂层；所述凹坑状织构是在镍包石墨涂层表面进行光刻加工和微电解加工，形成规则排布的凹坑状织构；所述复合织构是由凹坑状织构与喷丸粗糙结构复合而成，以减小摩擦接触面积、增强储油性能和自润滑性能；所述喷丸粗糙结构是采用微粒子喷丸的方法将不同粒径混合的二硫化钼颗粒以高速度喷射在镍包石墨涂层表面，一部分撞击在镍包石墨涂层表面，脱落后形成凹坑喷丸粗糙结构，另一部分粘附在镍包石墨涂层表面形成凸起喷丸粗糙结构；所述掺杂涂层是在微粒子喷丸过程中，一部分二硫化钼颗粒撞入镍包石墨涂层表层中形成掺杂，与镍包石墨涂层中的石墨协同增强高温下自润滑的稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞，其特征在于：所述预涂层厚度为0.1~0.2mm，工作涂层厚度为0.8~1.5mm；所述凹坑状织构直径为200~250μm，深度为8~10μm，凹坑状织构覆盖面积为活塞裙部面积的10~24%；所述喷丸粗糙结构直径为0.25~9μm，深度或高度为3~5μm；所述不同粒径混合的二硫化钼颗粒是由粒径为10~18μm的大二硫化钼颗粒和粒径为0.5~1.3μm的小二硫化钼颗粒组成。
3.一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞的制备方法，其特征在于：制备方法包括如下步骤：
（1）将活塞置入丙酮、乙醇各超声清洗10min，对清洗后的活塞进行预热，预热温度为150~200℃，采用喷涂的方法将镍包石墨粉末喷涂在已预热的活塞表面，得到带有镍包石墨涂层的活塞；
（2）对带有镍包石墨涂层的活塞的裙部进行光刻加工，得到带有光刻胶的镍包石墨涂层的活塞，然后进行微电解加工，形成凹坑状织构，最后去除光刻胶，得到带有凹坑状织构化镍包石墨涂层的活塞；
（3）对带有凹坑状织构化镍包石墨涂层的活塞的裙部进行二硫化钼微粒子喷丸处理，得到带有复合织构化掺杂涂层的活塞。
4.根据权利要求3所述的一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中喷涂的方法是激光喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂中的一种方法或几种方法的组合。
5.根据权利要求3所述的一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中镍包石墨粉末是粒径为40~80μm的均匀粉末。
6.根据权利要求3所述的一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中光刻加工是对带有镍包石墨涂层的活塞表面进行清洗、干燥预处理，随后在带有镍包石墨涂层的活塞的裙部表面旋涂光刻胶，然后使用紫外光灯对光刻胶表面进行曝光，曝光时间为17~20s，然后置于显影液中漂洗2min，取出后在温度为120~125℃的保温箱中烘烤20~25min，进行坚膜。
7.根据权利要求3所述的一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中微电解加工，电源正极接带有光刻胶的镍包石墨涂层的活塞表面，作为阳极，电源负极接工具阴极，作为阴极，阳极与阴极的距离为110~120μm，电解液成分为19~21wt.%的NaNO3水溶液，电解液温度为24~27℃，电解液进口压力为0.4~0.6MPa，电流密度为15~25A/cm2。
8.根据权利要求3所述的一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中二硫化钼是大二硫化钼颗粒和小二硫化钼颗粒按质量分数为1:1的比例均匀混合而成。
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