CN114990477A - 气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术 - Google Patents

气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术 Download PDF

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Abstract

本发明涉及活塞涂层的技术领域，且公开了气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，基体选取，基体加工将活塞基体表面进行机械抛光，并使用金属清洗剂将活塞表面清洗干净，活塞烘干将活塞经由无水乙醇脱水，并烘干后装入真空室，纳米涂层，抗高温热腐蚀检测，通过将活塞表面进行CrTiAIN材料涂覆，在采用NA2SO4与质量分数为25％的K2SO4饱和水溶液的测试中，活塞表面的CrTiAIN复合涂层在测试后显示出的耐热腐蚀增重较小，且涂层表面在热腐蚀后表面生成的氧化物分布均匀，呈须状、条状以及块状，杂乱的混合在一起，同时涂层外层主要为Cr2O3，内层为Cr2O3、Al2O3以及TiO2的混合层，经由多种复合涂层有效的提高了在活塞表面涂层后的耐热腐蚀性能以及抗磨损性能。

Description

气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术
技术领域
本发明涉及活塞涂层的技术领域，具体为气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术。
背景技术
活塞是汽车发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分，活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度(8～12m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用，由于活塞在高温、高压、高速以及润滑恶劣的条件下担负着密封、传热的作用，且由于活塞处于恶劣的工作环境以及复杂的运动状态下，活塞的表面摩擦、磨损加剧以及摩擦损失巨大，因此活塞与缸套之间的摩擦损失严重，因此亟需一种可以提高活塞表面涂层，使活塞抗摩擦抗磨损能力提高的涂层技术。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，解决了由于活塞处于恶劣的工作环境以及复杂的运动状态下，活塞的表面摩擦、磨损加剧以及摩擦损失巨大，因此活塞与缸套之间的摩擦损失严重，因此亟需一种可以提高活塞表面涂层，使活塞抗摩擦抗磨损能力提高的涂层技术的问题。
(二)技术方案
本发明提供如下技术方案：气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，包括以下步骤：
(a)基体选取：选用活塞材料65Mn钢作为基体；
(c)基体加工：将活塞基体表面进行机械抛光，并使用金属清洗剂将活塞表面清洗干净，并采用1.5％的磷酸活化5s后在丙酮中超声波清洗2次，每次清洗设定15分钟；
(d)活塞烘干：将活塞经由无水乙醇脱水15分钟，并烘干后装入真空室；
(e)纳米涂层：将活塞放入真空室后，首先进行气体放电离子溅射清洗30分钟，在活塞的表面沉积厚度为0.2微米金属Cr层打底，沉积CrN渐变过渡层，沉积CrN-CrTiAIN过渡层，同时将CrTiAIN涂层制备完毕；
(f)抗高温热腐蚀检测：将活塞放置在箱式电阻炉中进行，并在检测前首先配置NA2SO4与质量分数为25％的K2SO4饱和水溶液，然后刷涂在表面温度为200℃的样品表面，此时水分快速气化，活塞表面形成一层均匀分布的白色盐膜，同时热腐蚀检测在高温氧化炉内进行，氧化炉内的温度设定为800℃。
优选的，所述纳米涂层的步骤中，活塞表面沉积涂层的条件为：真空优于2*10-3Pa，采用质量流量控制器控制N2与Ar气流量，保持工作真空度为0.5Pa，烘烤温度为300℃，Cr靶弧电流保持为60A，TiAl靶弧电流为60A，沉积时间均为2h，涂层厚度为2微米。
优选的，所述抗高温热腐蚀检测后，可以对活塞样品再进行SEM观察检测、XRD测试以及EDS分析，以此来进一步评定各涂层的抗热腐蚀性能。
优选的，所述基体加工步骤中磷酸采用范围在1.5-2.5％，活化时间5-10s，清洗次数2-5次，每次清洗时间设定15-25分钟。
优选的，所述纳米涂层步骤中，进行气体放电离子溅射清洗30-50分钟，在活塞的表面沉积厚度为0.2-0.5微米金属Cr层。
优选的，所述抗高温热腐蚀检测步骤中，采用NA2SO4与质量分数为25-35％的K2SO4饱和水溶液。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，具备以下有益效果：
1、该气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，通过将活塞表面进行CrTiAIN材料涂覆，在采用NA2SO4与质量分数为25％的K2SO4饱和水溶液的测试中，活塞表面的CrTiAIN复合涂层在测试后显示出的耐热腐蚀增重较小，且涂层表面在热腐蚀后表面生成的氧化物分布均匀，呈须状、条状以及块状，杂乱的混合在一起，同时涂层外层主要为Cr2O3，内层为Cr2O3、Al2O3以及TiO2的混合层，经由多种复合涂层有效的提高了在活塞表面涂层后的耐热腐蚀性能以及抗磨损性能。
2、该气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，通过在进行抗高温热腐蚀检测后，对活塞样品再进行SEM观察检测、XRD测试以及EDS分析，以此来进一步评定各涂层的抗热腐蚀性能，提高对活塞表面涂层后的检验精度，保证了活塞涂覆后的使用精度。
3、该气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，通过活塞表面进行CrTiAIN涂层加工后，CrTiAIN涂层于活塞上进行使用后，活塞在高温以及高磨损的状态下工作室，CrTiAIN涂层表面在进行高温磨损时会进行分解，并产生氧化层重新涂覆在活塞的表面上，此时可以增加活塞的抗摩擦磨损性能，从而延长活塞的使用寿命。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明-部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，包括以下步骤：
(a)基体选取：选用活塞材料65Mn钢作为基体；
(c)基体加工：将活塞基体表面进行机械抛光，并使用金属清洗剂将活塞表面清洗干净，并采用1.5％的磷酸活化5s后在丙酮中超声波清洗2次，每次清洗设定15分钟；
(d)活塞烘干：将活塞经由无水乙醇脱水15分钟，并烘干后装入真空室；
(e)纳米涂层：将活塞放入真空室后，首先进行气体放电离子溅射清洗30分钟，在活塞的表面沉积厚度为0.2微米金属Cr层打底，沉积CrN渐变过渡层，沉积CrN-CrTiAIN过渡层，同时将CrTiAIN涂层制备完毕，活塞表面沉积涂层的条件为：真空优于2*10-3Pa，采用质量流量控制器控制N2与Ar气流量，保持工作真空度为0.5Pa，烘烤温度为300℃，Cr靶弧电流保持为60A，TiAl靶弧电流为60A，沉积时间均为2h，涂层厚度为2微米；
(f)抗高温热腐蚀检测：将活塞放置在箱式电阻炉中进行，并在检测前首先配置NA2SO4与质量分数为25％的K2SO4饱和水溶液，然后刷涂在表面温度为200℃的样品表面，此时水分快速气化，活塞表面形成一层均匀分布的白色盐膜，同时热腐蚀检测在高温氧化炉内进行，氧化炉内的温度设定为800℃，抗高温热腐蚀检测后，可以对活塞样品再进行SEM观察检测、XRD测试以及EDS分析，以此来进一步评定各涂层的抗热腐蚀性能，在采用NA2SO4与质量分数为25％的K2SO4饱和水溶液的测试中，活塞表面的CrTiAIN复合涂层在测试后显示出的耐热腐蚀增重较小，且涂层表面在热腐蚀后表面生成的氧化物分布均匀，呈须状、条状以及块状，杂乱的混合在一起，同时涂层外层主要为Cr2O3，内层为Cr2O3、Al2O3以及TiO2的混合层，经由多种复合涂层有效的提高了在活塞表面涂层后的耐热腐蚀性能以及抗磨损性能。
实施例二
气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，包括以下步骤：
(a)基体选取：选用活塞材料65Mn钢作为基体；
(c)基体加工：将活塞基体表面进行机械抛光，并使用金属清洗剂将活塞表面清洗干净，并采用1.7％的磷酸活化6s后在丙酮中超声波清洗3次，每次清洗设定15分钟；
(d)活塞烘干：将活塞经由无水乙醇脱水15分钟，并烘干后装入真空室；
(e)纳米涂层：将活塞放入真空室后，首先进行气体放电离子溅射清洗30分钟，在活塞的表面沉积厚度为0.2微米金属Cr层打底，沉积CrN渐变过渡层，沉积CrN-CrTiAIN过渡层，同时将CrTiAIN涂层制备完毕，活塞表面沉积涂层的条件为：真空优于2*10-3Pa，采用质量流量控制器控制N2与Ar气流量，保持工作真空度为0.5Pa，烘烤温度为300℃，Cr靶弧电流保持为60A，TiAl靶弧电流为60A，沉积时间均为2h，涂层厚度为2微米；
(f)抗高温热腐蚀检测：将活塞放置在箱式电阻炉中进行，并在检测前首先配置NA2SO4与质量分数为25％的K2SO4饱和水溶液，然后刷涂在表面温度为200℃的样品表面，此时水分快速气化，活塞表面形成一层均匀分布的白色盐膜，同时热腐蚀检测在高温氧化炉内进行，氧化炉内的温度设定为800℃，抗高温热腐蚀检测后，可以对活塞样品再进行SEM观察检测、XRD测试以及EDS分析，以此来进一步评定各涂层的抗热腐蚀性能，在采用NA2SO4与质量分数为25％的K2SO4饱和水溶液的测试中，活塞表面的CrTiAIN复合涂层在测试后显示出的耐热腐蚀增重较小，且涂层表面在热腐蚀后表面生成的氧化物分布均匀，呈须状、条状以及块状，杂乱的混合在一起，同时涂层外层主要为Cr2O3，内层为Cr2O3、Al2O3以及TiO2的混合层，经由多种复合涂层有效的提高了在活塞表面涂层后的耐热腐蚀性能以及抗磨损性能。
实施例三
气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，包括以下步骤：
(a)基体选取：选用活塞材料65Mn钢作为基体；
(c)基体加工：将活塞基体表面进行机械抛光，并使用金属清洗剂将活塞表面清洗干净，并采用2.0％的磷酸活化7s后在丙酮中超声波清洗4次，每次清洗设定20分钟；
(d)活塞烘干：将活塞经由无水乙醇脱水15分钟，并烘干后装入真空室；
(e)纳米涂层：将活塞放入真空室后，首先进行气体放电离子溅射清洗30分钟，在活塞的表面沉积厚度为0.4微米金属Cr层打底，沉积CrN渐变过渡层，沉积CrN-CrTiAIN过渡层，同时将CrTiAIN涂层制备完毕，活塞表面沉积涂层的条件为：真空优于2*10-3Pa，采用质量流量控制器控制N2与Ar气流量，保持工作真空度为0.5Pa，烘烤温度为300℃，Cr靶弧电流保持为60A，TiAl靶弧电流为60A，沉积时间均为2h，涂层厚度为2微米；
(f)抗高温热腐蚀检测：将活塞放置在箱式电阻炉中进行，并在检测前首先配置NA2SO4与质量分数为30％的K2SO4饱和水溶液，然后刷涂在表面温度为200℃的样品表面，此时水分快速气化，活塞表面形成一层均匀分布的白色盐膜，同时热腐蚀检测在高温氧化炉内进行，氧化炉内的温度设定为800℃，抗高温热腐蚀检测后，可以对活塞样品再进行SEM观察检测、XRD测试以及EDS分析，以此来进一步评定各涂层的抗热腐蚀性能，在采用NA2SO4与质量分数为25％的K2SO4饱和水溶液的测试中，活塞表面的CrTiAIN复合涂层在测试后显示出的耐热腐蚀增重较小，且涂层表面在热腐蚀后表面生成的氧化物分布均匀，呈须状、条状以及块状，杂乱的混合在一起，同时涂层外层主要为Cr2O3，内层为Cr2O3、Al2O3以及TiO2的混合层，经由多种复合涂层有效的提高了在活塞表面涂层后的耐热腐蚀性能以及抗磨损性能。
实施例四
气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，包括以下步骤：
(a)基体选取：选用活塞材料65Mn钢作为基体；
(c)基体加工：将活塞基体表面进行机械抛光，并使用金属清洗剂将活塞表面清洗干净，并采用2.5％的磷酸活化10s后在丙酮中超声波清洗52次，每次清洗设定25分钟；
(d)活塞烘干：将活塞经由无水乙醇脱水15分钟，并烘干后装入真空室；
(e)纳米涂层：将活塞放入真空室后，首先进行气体放电离子溅射清洗50分钟，在活塞的表面沉积厚度为0.5微米金属Cr层打底，沉积CrN渐变过渡层，沉积CrN-CrTiAIN过渡层，同时将CrTiAIN涂层制备完毕，活塞表面沉积涂层的条件为：真空优于2*10-3Pa，采用质量流量控制器控制N2与Ar气流量，保持工作真空度为0.5Pa，烘烤温度为300℃，Cr靶弧电流保持为60A，TiAl靶弧电流为60A，沉积时间均为2h，涂层厚度为2微米；
(f)抗高温热腐蚀检测：将活塞放置在箱式电阻炉中进行，并在检测前首先配置NA2SO4与质量分数为35％的K2SO4饱和水溶液，然后刷涂在表面温度为200℃的样品表面，此时水分快速气化，活塞表面形成一层均匀分布的白色盐膜，同时热腐蚀检测在高温氧化炉内进行，氧化炉内的温度设定为800℃，抗高温热腐蚀检测后，可以对活塞样品再进行SEM观察检测、XRD测试以及EDS分析，以此来进一步评定各涂层的抗热腐蚀性能，在采用NA2SO4与质量分数为25％的K2SO4饱和水溶液的测试中，活塞表面的CrTiAIN复合涂层在测试后显示出的耐热腐蚀增重较小，且涂层表面在热腐蚀后表面生成的氧化物分布均匀，呈须状、条状以及块状，杂乱的混合在一起，同时涂层外层主要为Cr2O3，内层为Cr2O3、Al2O3以及TiO2的混合层，经由多种复合涂层有效的提高了在活塞表面涂层后的耐热腐蚀性能以及抗磨损性能。
实施例五
气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，包括以下步骤：
(a)基体选取：选用活塞材料65Mn钢作为基体；
(c)基体加工：将活塞基体表面进行机械抛光，并使用金属清洗剂将活塞表面清洗干净，并采用2.5％的磷酸活化10s后在丙酮中超声波清洗5次，每次清洗设定25分钟；
(d)活塞烘干：将活塞经由无水乙醇脱水15分钟，并烘干后装入真空室；
(e)纳米涂层：将活塞放入真空室后，首先进行气体放电离子溅射清洗40分钟，在活塞的表面沉积厚度为0.5微米金属Cr层打底，沉积CrN渐变过渡层，沉积CrN-CrTiAIN过渡层，同时将CrTiAIN涂层制备完毕，活塞表面沉积涂层的条件为：真空优于2*10-3Pa，采用质量流量控制器控制N2与Ar气流量，保持工作真空度为0.5Pa，烘烤温度为300℃，Cr靶弧电流保持为60A，TiAl靶弧电流为60A，沉积时间均为2h，涂层厚度为2微米；
(f)抗高温热腐蚀检测：将活塞放置在箱式电阻炉中进行，并在检测前首先配置NA2SO4与质量分数为35％的K2SO4饱和水溶液，然后刷涂在表面温度为200℃的样品表面，此时水分快速气化，活塞表面形成一层均匀分布的白色盐膜，同时热腐蚀检测在高温氧化炉内进行，氧化炉内的温度设定为800℃，抗高温热腐蚀检测后，可以对活塞样品再进行SEM观察检测、XRD测试以及EDS分析，以此来进一步评定各涂层的抗热腐蚀性能，在采用NA2SO4与质量分数为25％的K2SO4饱和水溶液的测试中，活塞表面的CrTiAIN复合涂层在测试后显示出的耐热腐蚀增重较小，且涂层表面在热腐蚀后表面生成的氧化物分布均匀，呈须状、条状以及块状，杂乱的混合在一起，同时涂层外层主要为Cr2O3，内层为Cr2O3、Al2O3以及TiO2的混合层，经由多种复合涂层有效的提高了在活塞表面涂层后的耐热腐蚀性能以及抗磨损性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，包括以下步骤：
(a)基体选取：选用活塞材料65Mn钢作为基体；
(c)基体加工：将活塞基体表面进行机械抛光，并使用金属清洗剂将活塞表面清洗干净，并采用1.5％的磷酸活化5s后在丙酮中超声波清洗2次，每次清洗设定15分钟；
(d)活塞烘干：将活塞经由无水乙醇脱水15分钟，并烘干后装入真空室；
(e)纳米涂层：将活塞放入真空室后，首先进行气体放电离子溅射清洗30分钟，在活塞的表面沉积厚度为0.2微米金属Cr层打底，沉积CrN渐变过渡层，沉积CrN-CrTiAIN过渡层，同时将CrTiAIN涂层制备完毕；
(f)抗高温热腐蚀检测：将活塞放置在箱式电阻炉中进行，并在检测前首先配置NA2SO4与质量分数为25％的K2SO4饱和水溶液，然后刷涂在表面温度为200℃的样品表面，此时水分快速气化，活塞表面形成一层均匀分布的白色盐膜，同时热腐蚀检测在高温氧化炉内进行，氧化炉内的温度设定为800℃。
2.根据权利要求1所述的气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，其特征在于：所述纳米涂层的步骤中，活塞表面沉积涂层的条件为：真空优于2*10-3Pa，采用质量流量控制器控制N2与Ar气流量，保持工作真空度为0.5Pa，烘烤温度为300℃，Cr靶弧电流保持为60A，TiAl靶弧电流为60A，沉积时间均为2h，涂层厚度为2微米。
3.根据权利要求1所述的气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，其特征在于：所述抗高温热腐蚀检测后，可以对活塞样品再进行SEM观察检测、XRD测试以及EDS分析，以此来进一步评定各涂层的抗热腐蚀性能。
4.根据权利要求1所述的气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，其特征在于：所述基体加工步骤中磷酸采用范围在1.5-2.5％，活化时间5-10s，清洗次数2-5次，每次清洗时间设定15-25分钟。
5.根据权利要求1所述的气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，其特征在于：所述纳米涂层步骤中，进行气体放电离子溅射清洗30-50分钟，在活塞的表面沉积厚度为0.2-0.5微米金属Cr层。
6.根据权利要求1所述的气动冲击器中活塞表面纳米梯度自润滑陶瓷涂层制备技术，其特征在于：所述抗高温热腐蚀检测步骤中，采用NA2SO4与质量分数为25-35％的K2SO4饱和水溶液。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109234694A (zh) * 2018-10-29 2019-01-18 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种抗高温水蒸气腐蚀的纳米梯度复合多层涂层及其制备方法和应用

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109234694A (zh) * 2018-10-29 2019-01-18 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种抗高温水蒸气腐蚀的纳米梯度复合多层涂层及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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蔡志海等: "活塞环表面CrAlN涂层的微观组织与抗高温氧化性能" *
蔡志海等: "活塞环表面CrTiAlN复合涂层的抗高温腐蚀性能研究" *

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