CN108677152A - 一种活塞环表面铬、石墨混合涂层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种活塞环表面铬、石墨混合涂层制备方法,包括以下步骤:(1)活塞环脱脂喷砂,清洗,然后进行活塞环夹装,设置五组靶材;(2)装夹完成后,推入真空涂层设备中,密闭抽真空,然后加热;(3)轮流启动第三、第四组靶材进行刻蚀,每次启动一组,循环;(4)同时启动第三、第四组靶材进行铬涂层打底;(5)同时启动第一、第三、第四、第五组靶材,进行铬、石墨混合涂层的沉积;(6)降温,去真空,取出活塞环,即得。本发明方法一定程度上提高了混合涂层的硬度,提高了其的自润滑性,有利于降低涂层的摩擦系数、增加耐磨性,很大程度上降低了磨损率。
Description
技术领域
本发明涉及一种活塞环表面铬、石墨混合涂层制备方法,属于活塞环涂层制备技术领域。
背景技术
随着人们环保意识的不断提升,发动机技术的不断进步,现阶段活塞环镀铬技术已应用广泛,由于铬涂层具有较大的硬度、较好的耐磨损性能及较低的磨损速率,很大程度上改善了活塞环与缸套间的磨损,提高了其耐磨性能,可一定程度上提升活塞环的寿命;
但是,目前在一些重载或长时间高负荷运转等特殊工况下,涂层耐磨性会降低,有磨穿风险,因此,需要提升涂层的耐磨损性能及自润滑性能,以达到增加涂层寿命、降低磨穿风险的目的。
传统镀铬方式很难再对涂层性能做进一步提升,也无法达到铬涂层中添加石墨(C)成分的目的,且传统镀铬方式对环境的污染极大,在越来越高的环保要求下,也越来越不利于企业的发展。
发明内容
发明目的:针对上述技术问题,本发明的目的在于提出一种活塞环表面铬、石墨混合涂层制备方法。
技术方案:本发明采用如下技术方案:
一种活塞环表面铬、石墨混合涂层制备方法,包括以下步骤:
(1)活塞环脱脂喷砂,清洗,然后进行活塞环夹装,设置五组靶材,其中第二组靶材备用,第一、第五组靶材安装碳靶,第三、第四组靶材安装铬靶;
(2)装夹完成后,推入真空涂层设备中,密闭抽真空,然后加热;
(3)加热完成后,轮流启动第三、第四组靶材进行刻蚀,每次启动一组,循环;
(4)刻蚀完成后,同时启动第三、第四组靶材进行铬涂层打底;
(5)铬涂层打底完成后,同时启动第一、第三、第四、第五组靶材,进行铬、石墨混合涂层的沉积;
(6)涂层结束后,降温,去真空,取出活塞环,即得。
作为优选:
所述步骤(1)中第二组靶材设置4个靶位,第一、第三、第四、第五组靶材每组设置3个靶位。
所述步骤(2)中真空加热温度为350-450℃,持续时间为1-3小时。
所述步骤(3)中每次刻蚀1~2分钟,共循环刻蚀10~15次,刻蚀时在活塞环上加载800~1200V的高偏压,以100~200sccm的流量向真空室内通入氩气,靶材电流控制在50~100A。
所述步骤(4)中打底时间2小时,打底时在活塞环上加载0~35V的低偏压,以1000~1500sccm的流量向真空室内通入氩气,靶材电流控制在150~200A,真空度控制在1*10-1~1*10-3mbar。
所述步骤(5)中沉积时,在活塞环上加载0~35V的低偏压,以1000~1500sccm的流量向真空室内通入氩气,铬靶电流控制在150~200A左右,碳靶电流从30~50A逐步增加至80~100A,过程真空度控制在1*10-1~1*10-3mbar,涂层时间依据涂层要求厚度而定,最大可做到50μm以上。
更具体地,包括以下步骤:
一、活塞环脱脂喷砂,经专用纯水清洗线清洗烘干后,采用专用工装架装夹入炉,装夹过程佩戴专用橡胶手套,以防止环面污染;
二、设备共有5组靶材(其中第二组靶材备用,有4个靶位),其他每组靶材有3个靶位,采用第一、第五组靶材安装碳靶(共6片碳靶),第三、第四组靶材安装铬靶(共6片铬靶),通过同时激发靶材达到混合涂层制备的方法(靶材安装如附图1所示);
三、活塞环装夹完成后,推入真空涂层设备中,关闭炉门抽真空,并启动混合涂层工艺程序;
四、在真空度达到10-4mbar级后,开始真空加热,设定真空加热温度为350~450℃,持续时间为1~3小时,真空加热目的主要是为了去除活塞环表面多余的水分及其他可挥发杂质成分;
五、加热完成后,使用第三、第四组靶材对活塞环进行刻蚀,轮流启动第三、第四组靶材(每次启动一组),每次刻蚀1~2分钟,共循环刻蚀10~15次,刻蚀时在活塞环上加载800~1200V的高偏压,以100~200sccm的流量向真空室内通入氩气,靶材电流控制在50~100A左右,本工序主要通过离化的氩离子对活塞环表面进行轰击,以达到去除环表面杂质成分、提高涂层间结合力的目的;
六、刻蚀完成冷却两分钟后,进行铬涂层打底,打底时同时启动第三、第四组靶材,打底时间1~3小时,打底时在活塞环上加载0~35V的低偏压,以1000~1500sccm的流量向真空室内通入氩气,靶材电流控制在150~200A左右,过程真空度控制在1*10-1~1*10- 3mbar左右,本工序主要是在活塞环基体与混合涂层间增加一层过渡层,以达到提高涂层间结合力的目的;
七、打底涂层完成后,进行铬、石墨混合涂层的沉积,同时启动第一、第三、第四、第五组靶材,涂层时间依据涂层厚度而定,涂层时在活塞环上加载0~35V的低偏压,以1000~1500sccm的流量向真空室内通入氩气,铬靶电流控制在150~200A左右,碳靶电流从30~50A逐步增加至80~100A左右,过程真空度控制在1*10-1~1*10-3mbar左右,本工序沉积最终所需的铬、石墨混合涂层,涂层厚度通过调整涂层时间来控制,可以制备厚度10~50μm不等的混合涂层,满足各种不同厚度要求;
八、涂层结束,待活塞环温度降低至220℃以下,破真空打开炉门,取出活塞环并拆夹装车。
本发明采用真空涂层设备,可以达到铬涂层中添加石墨(C)成分的目的,从而改善涂层的自润滑性能,提升磨损性能,且涂层过程环保无污染,满足清洁生产的要求,是一种环保的涂层制备方式,能够满足企业未来的规划要求。
技术效果:本发明主要解决现有铬涂层不耐磨的问题,采用在铬涂层中添加石墨成分,从而达到降低涂层摩擦系数,提高耐磨性的目的。铬、石墨混合涂层中碳元素主要以sp2、sp3及碳铬化合物的形式存在,相对于纯铬涂层,一定程度上提高了混合涂层的硬度,提高了其的自润滑性,有利于降低涂层的摩擦系数、增加耐磨性,很大程度上降低了磨损率,从而表明铬、石墨混合涂层是一种低摩擦系数、高耐磨性的硬质减磨涂层。
附图说明
图1是本发明方法中靶材安装示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明所述的技术方案给予进一步详细的说明,但有必要指出以下实施例只用于对发明内容的描述,并不构成对本发明保护范围的限制。
实施例1
以下以φ90缸径钢质气环为例,涂层厚度20μm以上,使用Hauzer Flexicoat 1000型真空涂层设备进行,通过激发铬靶与碳靶同时在活塞环上沉积,以达到铬涂层中添加石墨成分的目的,具体方案如下:
一、φ90活塞环脱脂喷砂,经专用纯水清洗线清洗烘干后,采用专用22芯轴工装架装夹入炉,装夹过程佩戴专用橡胶手套,以防止环面污染;
二、设备共有5组靶材(其中第二组靶材备用,有4个靶位),其他每组靶材有3个靶位,采用第一、第五组靶材安装碳靶(共6片碳靶),第三、第四组靶材安装铬靶(共6片铬靶),通过同时激发靶材达到混合涂层制备的方法(靶材安装如附图1所示);
三、活塞环装夹完成后,推入真空涂层设备中,关闭炉门抽真空,并启动混合涂层工艺程序;
四、在真空度达到10-4mbar左右后,开始真空加热,设定真空加热温度为400℃,持续时间为2小时,真空加热目的主要是为了去除活塞环表面多余的水分及其他可挥发杂质成分;
五、加热完成后,使用第三、第四组靶材对活塞环进行刻蚀,轮流启动第三、第四组靶材(每次启动一组),每次刻蚀1分钟,共循环刻蚀13次,刻蚀时在活塞环上加载1200V的高偏压,以150sccm的流量向真空室内通入氩气,靶材电流控制在80A左右,本工序主要通过离化的氩离子对活塞环表面进行轰击,以达到去除环表面杂质成分、提高涂层间结合力的目的;
六、刻蚀完成冷却两分钟后,进行铬涂层打底,打底时同时启动第三、第四组靶材,打底时间2小时,打底时在活塞环上加载15V的低偏压,以1000sccm的流量向真空室内通入氩气,靶材电流控制在150A左右,过程真空度控制在1*10-2mbar左右,本工序主要是在活塞环基体与混合涂层间增加一层过渡层,以达到提高涂层间结合力的目的;
七、打底涂层完成后,进行铬、石墨混合涂层的沉积,同时启动第一、第三、第四、第五组靶材,涂层时间为6小时,涂层时在活塞环上加载25V的低偏压,以1400sccm的流量向真空室内通入氩气,铬靶电流控制在150A左右,碳靶电流从50A逐步增加至80A左右,过程真空度控制在4*10-2mbar左右,本工序沉积最终所需的铬、石墨混合涂层;
八、涂层结束,待活塞环温度降低至220℃以下,破真空打开炉门,取出活塞环并拆夹装车。
通过金相镶嵌方法,磨平镶嵌面并抛光后,再配合蔡司显微镜,调至200×或500×倍率,即可检测上述活塞环的铬、石墨混合涂层厚度,可达25μm左右。
实施例2
与实施例1基本相同,不同之处仅在于:
步骤七中涂层时间为4小时;
通过金相镶嵌方法,磨平镶嵌面并抛光后,再配合蔡司显微镜,调至200×或500×倍率,即可检测上述活塞环的铬、石墨混合涂层厚度,可达20μm左右。
实施例3
与实施例1基本相同,不同之处仅在于:
步骤七中涂层时间为8小时;
通过金相镶嵌方法,磨平镶嵌面并抛光后,再配合蔡司显微镜,调至200×或500×倍率,即可检测上述活塞环的铬、石墨混合涂层厚度,可达30μm左右。
Claims (6)
1.一种活塞环表面铬、石墨混合涂层制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)活塞环脱脂喷砂,清洗,然后进行活塞环夹装,设置五组靶材,其中第二组靶材备用,第一、第五组靶材安装碳靶,第三、第四组靶材安装铬靶;
(2)装夹完成后,推入真空涂层设备中,密闭抽真空,然后加热;
(3)加热完成后,轮流启动第三、第四组靶材进行刻蚀,每次启动一组,循环;
(4)刻蚀完成后,同时启动第三、第四组靶材进行铬涂层打底;
(5)铬涂层打底完成后,同时启动第一、第三、第四、第五组靶材,进行铬、石墨混合涂层的沉积;
(6)涂层结束后,降温,去真空,取出活塞环,即得。
2.根据权利要求1所述的活塞环表面铬、石墨混合涂层制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中第二组靶材设置4个靶位,第一、第三、第四、第五组靶材每组设置3个靶位。
3.根据权利要求1所述的活塞环表面铬、石墨混合涂层制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中真空加热温度为350-450℃,持续时间为1-3小时。
4.根据权利要求1所述的活塞环表面铬、石墨混合涂层制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中每次刻蚀1~2分钟,共循环刻蚀10~15次,刻蚀时在活塞环上加载800~1200V的高偏压,以100~200sccm的流量向真空室内通入氩气,靶材电流控制在50~100A。
5.根据权利要求1所述的活塞环表面铬、石墨混合涂层制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中打底时间1~3小时,打底时在活塞环上加载0~35V的低偏压,以1000~1500sccm的流量向真空室内通入氩气,靶材电流控制在150~200A,真空度控制在1*10-1~1*10-3mbar。
6.根据权利要求1所述的活塞环表面铬、石墨混合涂层制备方法,其特征在于,所述步骤(5)中沉积时,在活塞环上加载0~35V的低偏压,以1000~1500sccm的流量向真空室内通入氩气,铬靶电流控制在150~200A左右,碳靶电流从30~50A逐步增加至80~100A,过程真空度控制在1*10-1~1*10-3mbar。
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