CN1170956C - 活塞环表面的钛基纳米陶瓷覆盖层及其覆盖加工方法 - Google Patents
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Abstract
活塞环表面的钛基纳米陶瓷覆盖层及其覆盖加工方法，其表面镀膜的靶材为纯Ti或TiAlZr或TiCrNi，采用PVD技术，在活塞环表面沉积TiCN或TiAlZr(CN)或TiCrNi(CN)钛基纳米陶瓷，形成镀膜，其方法是活塞环先经溶剂藉超声波清洗干净；抽真空、加温；通Ar气压加电压辉光清洗；降低Ar压力，施电压引弧使靶材蒸发钛基等离子轰击工件；关Ar、通N2及含碳气体、周期性施电压、使工件表面形成3-5μmTiCN或TiAlZr(CN)或TiCrNi(CN)钛基纳米陶瓷镀膜，本发明优点是镀膜与基体工件结合牢，硬度高，耐磨，可大幅度提高使用寿命2-8倍，加工方法无环境污染。
Description
技术领域：
本发明涉及一种活塞环表面覆盖层及其覆盖加工方法，特别是活塞环表面的钛基纳米陶瓷覆盖层及其覆盖加工方法。
背景技术：
活塞环是日常广泛使用的动力配件，现有的活塞环表面处理是采用电镀的方法使活塞表面形成镀铬层，由于受镀铬层硬度约为800HV的限制，并且表面镀铬层与活塞环基体结合不牢，耐磨性差是现有的表面镀铬的活塞环使用失效，使用寿命不长的主要原因，并且镀铬工艺方法对环境的严重污染也是一个急待解决的问题。
发明内容：
本发明的目的在于采用对环境无污染的物理气相沉积方法，即PVD方法，在活塞环表面沉积钛基纳米陶瓷覆盖层，使其与活塞环基体结合牢固，耐磨，提高使用寿命。从而克服现有技术镀铬覆盖层及其方法的弊病。
本发明的技术解决方案是活塞环表面的钛基纳米陶瓷覆盖层及其覆盖方法，活塞环表面沉积TiCN或TiAlZr(CN)或TiCrNi(CN)3种钛基纳米陶瓷覆盖层，可在镀铬或未镀铬的表面上形成沉积，形成三种表面覆盖层：(1)表面镀膜的靶材为纯Ti，渗涂层为TiCN，呈紫红色，硬度达2300-3000HV；(2)靶材或为TiAlZr，含Al30-50％，Zr为2-5％，渗涂层为TiAlZr(CN)，呈黑色，硬度为2500-4000HV；(3)靶材或为TiCrNi，含Cr40-60％，Ni5-10％，渗涂层为TiCrNi(CN)，呈浅黄色或紫黑色，硬度为3000-5000HV。活塞环表面的TiCN或TiAlZr(CN)或TiCrNi(CN)钛基纳米陶瓷覆盖层的覆盖加工方法是采用PVD真空多弧离子镀膜技术，在活塞环表面沉积TiCN或TiAlZr(CN)或TiCrNi(CN)钛基纳米陶瓷覆盖层，形成表面镀膜，其方法的是：依次进行下述工艺方法加工活塞环工件。
1)将待镀工件用溶剂或纯水并藉助超声波反复清洗，直至确认工件表面干净为止。
2)将清洗后的工件装入真空离子镀膜机内抽真空至6.7×10-3pa，再加温至200℃-400℃，然后保温0.5-1小时。
3)通氩气Ar至真空离子镀膜机炉内，使炉内压力维持在5-10Pa，在1000-1500V电压下辉光清洗30-60分钟。
4)然后，将炉内Ar压力降至1Pa左右，引弧使纯Ti或TiAlZr或TiCrNi靶材蒸发，在1000-1500V电压下对工件表面进行钛基混合等离子轰击约30-40分钟。
5)确认工件表面清洗干净后，关闭Ar气体，炉内通入N2及含碳的气体，压力为2Pa-3Pa，经下列程序：施800V电压15分钟→600V电压15分钟→400V电压15分钟→200V电压15分钟→100V电压15分钟→50V电压30分钟，然后待炉温降至60℃以下时，工件出炉，工件表面即可形成3-5μm的钛基纳米陶瓷薄膜覆盖层。
本发明的具体实施例1是：
实例1：摩托车活塞环镀膜及其工艺方法：
先将工件用溶剂或纯水清洗→烘干→进炉→抽真空到6×10-3pa或更高→加热至300℃→Ar气氛10Pa×1500V×20分钟→引弧纯钛靶Ar3Pa×1500V×30分钟→(N2+CH4)2Pa×1000V×15分钟→800V×15分钟→600V×15分钟→400V×15分钟→200V×15分钟→100V×15分钟→50V×30分钟→冷却至60℃：得到紫红色Ti(CN)厚度为5μm的薄膜，寿命提高2倍以上；适用于450℃以下环境工作。
实例2：汽车活塞环镀膜及其工艺方法：
工件清洗→烘干→进炉→抽真空到6×10-3pa或更高→加热至300℃→Ar气氛10Pa×1500V×30分钟→引弧TiAlZr靶材：Ar3Pa×1500V×30分钟→(N2+CH4)2Pa×1200V×30分钟→800V×15分钟→600V×15分钟→400V×15分钟→200V×15分钟→100V×15分钟→50V×30分钟→冷却至60℃以下，得到紫黑色TiAlZr(CN)薄膜：寿命提高3倍以上：可在800℃左右的工作环境中工作。
实例3：不镀铬的汽车活塞环直接镀TiCrNi(CN)镀膜及其工艺方法：
工件清洗→烘干→进炉→抽真空到6.67×10-3pa以上→加热至300℃以上400℃以下→Ar气氛10Pa×1500V×30分钟→引弧TiCrNi靶材：Ar3Pa×1200V×30分钟→(N2+CH4)3Pa×800V×15分钟→600V×15分钟→400V×15分钟→200V×15分钟→100V×30分钟→50V×60分钟→冷却至60℃以下，得到厚度为5μm-7μm的TiCrNi(CN)薄膜。表层的颜色可以调整。其硬度，寿命比镀铬层提高2倍以上。
本发明的优点是采用了素有绿色工程之称的PVD技术，即物理气相沉积方法来对活塞表面进行处理，在活塞环表面上沉积钛基纳米陶瓷，形成与基体冶金结合的薄层表面镀膜，其硬度高，与基体结合力强，且自润滑性能好，可大幅度提高活塞环使用寿命，与现有技术表面镀铬的活塞环相比，使用寿命可提高2-8倍，同时也提高了摩擦付的寿命，本发明的方法的最大好处是对环境无污染。
Claims (2)
1、活塞环表面的钛基纳米陶瓷覆盖层，其特征在于活塞环表面沉积TiCN或TiAlZr(CN)或TiCrNi(CN)三种钛基纳米陶瓷覆盖层，形成三种表面覆盖层：
(1)表面镀膜的靶材为纯Ti，渗涂层为TiCN，呈紫红色，硬度达2300-3000HV，
(2)表面镀膜靶材为TiAlZr，含Al为30-50％，Zr为2-5％，渗涂层为TiAlZr(CN)，呈黑色，
(3)表面镀膜的靶材为TiCrNi，含Cr40-60％，Ni5-10％，渗涂层为TiCrNi(CN)，呈浅黄色或紫黑色。
2、活塞环表面的TiCN或TiAlZr(CN)或TiCrNi(CN)三种钛基纳米陶瓷覆盖层的覆盖加工方法，是采用PVD真空多弧离子镀膜技术，在活塞环表面沉积TiCN或TiAlZr(CN)或TiCrNi(CN)钛基纳米陶瓷覆盖层，其方法的特征在于：依次进行下述工艺方法加工活塞环工件：
1)将待镀工件用溶剂或纯水并藉助超声波反复清洗，直至确认工件表面干净为止，
2)将清洗后的工件装入真空离子镀膜机内抽真空至6.7×10-3Pa，再加温至200-400℃，然后保温0.5-1小时，
3)通氩气Ar至真空离子镀膜机炉内，使炉内压力维持在5-10Pa，在1000-1500V电压下辉光清洗30-60分钟，
4)然后，将炉内Ar压力降至1Pa左右，引弧使纯Ti或TiAlZr或TiCrNi靶材蒸发，在1000-1500V电压下对工件表面进行等离子轰击约30-40分钟，
5)确认工件表面清洗干净后，关闭Ar气体，炉内通入N2及含碳的气体，压力为2Pa-3Pa，经下列程序：施800V电压15分钟→600V电压15分钟→400V电压15分钟→200V电压15分钟→100V电压15分钟→50V电压30分钟，然后待炉温降至60℃以下时，工件出炉，工件表面即可形成3-5μm的TiCN或TiAlZr(CN)或TiCrNi(CN)三种钛基纳米陶瓷薄膜覆盖层。
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