CN117488300B - 一种具有硬质镀层的活塞环及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于活塞环表面处理技术领域，公开了一种具有硬质镀层的活塞环及其制备方法。外圆面从下至上依次为打底层、梯度金属氮化物层、DLC重复单元层；DLC重复单元层中的一个DLC单元层依次为DLC层、金属掺杂DLC层；端面铬镀层在活塞环基体的端面为铬镀层。本发明重复循环的DLC层和金属掺杂DLC层为微米厚度层和纳米厚度层的结合，形成微纳的层状结构，增加各镀层之间的结合力，降低镀层内部的应力，同时DLC层中金属的掺杂也可有效减小镀层应力，解决镀层剥落的问题。

Description

一种具有硬质镀层的活塞环及其制备方法
技术领域
本发明涉及活塞环表面处理技术领域，尤其涉及一种具有硬质镀层的活塞环及其制备方法。
背景技术
活塞环作为发动机内部的核心部件，其与汽缸、活塞、汽缸壁等一起完成燃油气体的密封，早期的活塞环靠铸造形成，随着技术的进步，钢制的高功率活塞环诞生，且随着对发动机功能、环境要求的不断提高，各种先进的表面处理应用其中，例如热喷涂、电镀、镀铬、气体氮化、物理沉积、表面涂层、锌锰系磷化处理等，使活塞环的功能大大提高。
目前，由于低碳排放的要求越来越严格，提高发动机的燃油利用率是满足低碳排放的关键，研究发现在活塞环的外圆面设置低摩擦系数的类金刚石（DLC）镀层可以有效降低摩擦消耗，提高发动机的能源转化率，由此在活塞环外圆面设置DLC镀层是目前活塞环表面处理的研究重点。DLC镀层的结构介于金刚石和石墨之间，是一种非晶亚稳态结构，其具有较高的硬度、较高的弹性模量、低摩擦高耐磨特性、较高的热导率，可以满足活塞环的摩擦性能要求。
现有的DLC镀层的制备方法通常为气相沉积法，例如专利CN111133235A公开了一种活塞环，其外圆面为DLC层，通过物理气相沉积（PVD）工艺形成，然而该技术中并未公开DLC层的厚度以及相关的摩擦性能数据。研究发现，DLC镀层在沉积的过程中会产生较高的残余应力，DLC镀层厚度越大，应力也越高，容易降低DLC镀层与基体的结合强度，造成DLC镀层的剥离。这严重限制了活塞环性能的提升。因此，活塞环的表面处理工艺的改进是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有硬质镀层的活塞环及其制备方法，解决现有技术制备的活塞环表面镀层易脱落、摩擦性能受到限制的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种具有硬质镀层的活塞环，所述活塞环的外圆面和端面分别具有硬质镀层；
所述活塞环的外圆面硬质镀层在活塞环基体的外圆面从下至上依次为打底层、梯度金属氮化物层、DLC重复单元层；
所述DLC重复单元层中的一个DLC单元层从下至上依次为DLC层、金属掺杂DLC层；所述DLC单元层的重复次数为2~10次；
所述活塞环的端面硬质镀层在活塞环基体的端面为铬镀层。
优选的，在上述一种具有硬质镀层的活塞环中，所述打底层为铬层；所述梯度金属氮化物层为梯度氮化钛层；所述金属掺杂DLC层为钛掺杂DLC层。
优选的，在上述一种具有硬质镀层的活塞环中，所述打底层的厚度为1~4μm。
优选的，在上述一种具有硬质镀层的活塞环中，所述梯度金属氮化物层的厚度为0.1~2μm。
优选的，在上述一种具有硬质镀层的活塞环中，所述一个DLC单元层中DLC层的厚度为1~10μm；所述一个DLC单元层中金属掺杂DLC层的厚度为50~500nm。
优选的，在上述一种具有硬质镀层的活塞环中，所述DLC重复单元层的总厚度为20~40μm。
优选的，在上述一种具有硬质镀层的活塞环中，所述铬镀层的厚度为1~20μm。
本发明还提供了一种具有硬质镀层的活塞环的制备方法，包括以下步骤：
（1）将活塞环基体置于PVD设备中，通入氩气，打开铬靶材，在活塞环基体的外圆面沉积打底层；然后关闭铬靶材，打开钛靶材，通入氮气，逐渐提高氮气的流量，在打底层上沉积梯度金属氮化物层；
（2）关闭氮气、钛靶材，打开石墨靶材，在梯度金属氮化物层上沉积DLC层；然后打开钛靶材，在DLC层上沉积金属掺杂DLC层；
（3）重复步骤（2），得到DLC重复单元层；即得到具有外圆面硬质镀层的活塞环；
（4）将具有外圆面硬质镀层的活塞环置于电镀装置中，利用电镀液对端面进行电镀，得到铬镀层；即得到具有硬质镀层的活塞环。
优选的，在上述一种具有硬质镀层的活塞环的制备方法中，步骤（1）所述沉积打底层的条件为：氩气的流量为100~300sccm；真空度为1×10-3~5×10-3Pa；负偏压为-10~-30V；铬靶材的阴极电流为40~70A；沉积的时间为30~60min；
步骤（1）所述沉积梯度金属氮化物层的条件为：氩气的流量为50~60sccm；氮气的流量由0以5~20sccm/min的速度提高至100~150sccm；真空度为1×10-3~5×10-3Pa；负偏压为-20~-40V；钛靶材的阴极电流为50~100A；沉积的时间为5~30min；
步骤（2）所述沉积DLC层的条件为：氩气的流量为200~300sccm；真空度为2×10-3~5×10-3Pa；负偏压为-50~-80V；石墨靶材的阴极电流为80~200A；沉积的时间为10~30min；
步骤（2）所述沉积金属掺杂DLC层的条件为：氩气的流量为200~300sccm；真空度为2×10-3~5×10-3Pa；负偏压为-50~-80V；石墨靶材的阴极电流为80~200A；钛靶材的阴极电流为50~70A；沉积的时间为1~5min。
优选的，在上述一种具有硬质镀层的活塞环的制备方法中，步骤（4）所述电镀液的组成包括：硫酸铬20~40g/L，硫酸5~15g/L，柠檬酸1~7g/L，丙三醇1~5mL/L，十二烷基硫酸钠1~8g/L，氧化铝10~20g/L；
步骤（4）所述电镀的条件为：首先在电流密度为350~400A/dm2的条件下闪镀5~20s；然后在电流密度为100~200A/dm2的条件下电镀2~10min。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明的活塞环外圆面硬质镀层依次包括打底层、梯度金属氮化物层、重复循环的DLC层和金属掺杂DLC层，其中梯度金属氮化物层中氮含量逐渐升高，可以逐步提高金属氮化物层的硬度，由打底层到DLC层形成逐步提高的硬度梯度，缓解由于硬度大幅提高造成镀层易剥离的问题。而且重复循环的DLC层和金属掺杂DLC层为微米厚度层和纳米厚度层的结合，形成微纳的层状结构，增加各镀层之间的结合力，降低镀层内部的应力，同时DLC层中金属的掺杂也可有效减小镀层应力，解决镀层剥落的问题。本发明外圆面镀层的整体厚度可达到40μm，镀层硬度大于1500HV，摩擦系数小于0.12，具有优异的低摩擦高耐磨以及高抗拉缸特性。
（2）本发明采用物理气相沉积法在活塞环的外圆面沉积复合DLC镀层，采用电镀法在活塞环的端面沉积铬镀层，由此在活塞环的外圆面以及端面均形成硬质镀层，增加活塞环的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明活塞环的截面示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种具有硬质镀层的活塞环，所述活塞环的外圆面和端面分别具有硬质镀层；
所述活塞环的外圆面硬质镀层在活塞环基体的外圆面从下至上依次为打底层、梯度金属氮化物层、DLC重复单元层；
所述DLC重复单元层中的一个DLC单元层从下至上依次为DLC层、金属掺杂DLC层。
在本发明中，所述DLC单元层的重复次数优选为2~10次，进一步优选为3~7次，更优选为4~5次。本发明所述的重复次数的计算方法为：第一次沉积DLC单元层后，第二次沉积DLC单元层计为重复1次，第三次沉积DLC单元层计为重复2次，依次类推。
在本发明中，所述打底层优选为铬层；所述梯度金属氮化物层优选为梯度氮化钛层；所述金属掺杂DLC层优选为钛掺杂DLC层。
在本发明中，所述打底层的厚度优选为1~4μm，进一步优选为2~3μm，更优选为2μm。
在本发明中，所述梯度金属氮化物层的厚度优选为0.1~2μm，进一步优选为0.3~1.6μm，更优选为0.5~1μm。
在本发明中，所述一个DLC单元层中DLC层的厚度优选为1~10μm，进一步优选为2~8μm，更优选为7μm；所述一个DLC单元层中金属掺杂DLC层的厚度优选为50~500nm，进一步优选为100~400nm，更优选为300nm。
在本发明中，所述DLC重复单元层的总厚度优选为20~40μm，进一步优选为25~37μm，更优选为31μm。
在本发明中，所述活塞环的端面硬质镀层在活塞环基体的端面为铬镀层。
在本发明中，所述铬镀层的厚度优选为1~20μm，进一步优选为4~15μm，更优选为12μm。
在本发明中，所述活塞环的基体优选由钢或铸铁制得。
本发明还提供了一种具有硬质镀层的活塞环的制备方法，包括以下步骤：
（1）将活塞环基体置于PVD设备中，通入氩气，打开铬靶材，在活塞环基体的外圆面沉积打底层；然后关闭铬靶材，打开钛靶材，通入氮气，逐渐提高氮气的流量，在打底层上沉积梯度金属氮化物层；
（2）关闭氮气、钛靶材，打开石墨靶材，在梯度金属氮化物层上沉积DLC层；然后打开钛靶材，在DLC层上沉积金属掺杂DLC层；
（3）重复步骤（2），得到DLC重复单元层；即得到具有外圆面硬质镀层的活塞环；
（4）将具有外圆面硬质镀层的活塞环置于电镀装置中，利用电镀液对端面进行电镀，得到铬镀层；即得到具有硬质镀层的活塞环。
在本发明中，步骤（1）所述PVD设备为本领域的常规设备，具有真空电弧离子镀沉积功能即可，本发明不进行限定。
在本发明中，步骤（1）所述活塞环基体在使用前还包括前处理；所述前处理包括以下步骤：将活塞环基体依次使用丙酮和无水乙醇分别清洗3次，然后置于PVD设备中，设置真空度为5×10-3Pa，通入流量为50sccm的氩气，设置活塞环基体的负偏压为-800V，进行刻蚀清洗50min。
在本发明中，步骤（1）所述沉积打底层的条件为：氩气的流量优选为100~300sccm，进一步优选为130~260sccm，更优选为200sccm；真空度优选为1×10-3~5×10-3Pa，进一步优选为2×10-3~5×10-3Pa，更优选为5×10-3Pa；负偏压优选为-10~-30V，进一步优选为-12~-25V，更优选为-22V；铬靶材的阴极电流优选为40~70A，进一步优选为44~65A，更优选为50A；沉积的时间优选为30~60min，进一步优选为30~50min，更优选为40min。
在本发明中，步骤（1）所述沉积梯度金属氮化物层的条件为：氩气的流量优选为50~60sccm，进一步优选为52~58sccm，更优选为55ccm；氮气的流量优选由0以5~20sccm/min的速度提高至100~150sccm，进一步优选由0以7~16sccm/min的速度提高至120~150sccm，更优选由0以10sccm/min的速度提高至150sccm；真空度优选为1×10-3~5×10-3Pa，进一步优选为3×10-3~5×10-3Pa，更优选为5×10-3Pa；负偏压优选为-20~-40V，进一步优选为-25~-35V，更优选为-30V；钛靶材的阴极电流优选为50~100A，进一步优选为60~90A，更优选为80A；沉积的时间优选为5~30min，进一步优选为10~20min，更优选为15min。
在本发明中，步骤（2）所述沉积DLC层的条件为：氩气的流量优选为200~300sccm，进一步优选为250~300sccm，更优选为300sccm；真空度优选为2×10-3~5×10-3Pa，进一步优选为4×10-3~5×10-3Pa，更优选为5×10-3Pa；负偏压优选为-50~-80V，进一步优选为-60~-80V，更优选为-70V；石墨靶材的阴极电流优选为80~200A，进一步优选为90~160A，更优选为120A；沉积的时间优选为10~30min，进一步优选为12~25min，更优选为20min。
在本发明中，步骤（2）所述沉积金属掺杂DLC层的条件为：氩气的流量优选为200~300sccm，进一步优选为250~300sccm，更优选为300sccm；真空度优选为2×10-3~5×10-3Pa，进一步优选为4×10-3~5×10-3Pa，更优选为5×10-3Pa；负偏压优选为-50~-80V，进一步优选为-60~-80V，更优选为-80V；石墨靶材的阴极电流优选为80~200A，进一步优选为90~160A，更优选为120A；钛靶材的阴极电流优选为50~70A，进一步优选为54~60A，更优选为55A；沉积的时间优选为1~5min，进一步优选为2~5min，更优选为4.5min。
在本发明中，步骤（4）所述电镀装置为专利202210805055.4所述的活塞环端面电镀用夹具，活塞环装夹于夹具中的方法参见专利202210805055.4实施例1的步骤S1。
在本发明中，步骤（4）所述电镀液的组成包括：硫酸铬20~40g/L，硫酸5~15g/L，柠檬酸1~7g/L，丙三醇1~5mL/L，十二烷基硫酸钠1~8g/L，氧化铝10~20g/L。
在本发明中，硫酸铬优选为22~38g/L，进一步优选为25~35g/L，更优选为32g/L；硫酸优选为6~14g/L，进一步优选为8~12g/L，更优选为10g/L；柠檬酸优选为2~7g/L，进一步优选为3~6g/L，更优选为4g/L；丙三醇优选为2~5mL/L，进一步优选为3~4.5mL/L，更优选为4mL/L；十二烷基硫酸钠优选为2~8g/L，进一步优选为4~7g/L，更优选为6g/L；氧化铝优选为12~17g/L，进一步优选为14~16g/L，更优选为15g/L。
在本发明中，步骤（4）所述电镀的条件优选为：首先在电流密度为350~400A/dm2的条件下于30~50℃闪镀5~20s；然后在电流密度为100~200A/dm2的条件下于30~50℃电镀2~10min。电镀的条件进一步优选为：首先在电流密度为360~400A/dm2的条件下于35~50℃闪镀10~20s；然后在电流密度为120~180A/dm2的条件下于35~50℃电镀4~9min。电镀的条件更优选为：首先在电流密度为400A/dm2的条件下于40℃闪镀14s；然后在电流密度为150A/dm2的条件下于40℃电镀8min。
下面将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一部分实施例，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1
本实施例提供一种具有硬质镀层的活塞环，具体为具有外圆面DLC镀层和端面铬镀层的活塞环，所述外圆面DLC镀层在活塞环基体的外圆面从下至上依次为铬层、梯度氮化钛层、DLC重复单元层；所述DLC重复单元层中的一个DLC单元层从下至上依次为DLC层、钛掺杂DLC层；DLC单元层的重复次数为4次；
铬层的厚度为2μm；梯度氮化钛层的厚度为1μm；一个DLC单元层中DLC层的厚度为5μm，钛掺杂DLC层的厚度为100nm；DLC重复单元层的总厚度为25.5μm；
所述端面铬镀层在活塞环基体的端面为铬镀层，厚度为12μm。
上述具有外圆面DLC镀层和端面铬镀层的活塞环的制备方法，包括以下步骤：
（1）将钢制活塞环基体依次使用丙酮和无水乙醇分别清洗3次，烘干后置于PVD设备中，对PVD设备的腔体进行加热并抽真空处理，加热至100℃，真空度为5×10-3Pa，通入流量为50sccm的氩气，设置活塞环基体的负偏压为-800V，进行刻蚀清洗50min；
（2）然后调整氩气流量为200sccm，打开铬靶材，铬靶材的阴极电流设置为52A，设置负偏压为-15V，在活塞环基体的外圆面沉积铬层，沉积的时间为30min；
然后关闭铬靶材，调整氩气的流量为50sccm，通入氮气，打开钛靶材，钛靶材的阴极电流设置为60A，设置负偏压为-22V，氮气的流量由0以10sccm/min的速度提高至100sccm，在打底层上沉积梯度氮化钛层，沉积的时间为10min；
（3）关闭氮气、钛靶材，调整氩气的流量为200sccm，打开石墨靶材，石墨靶材的阴极电流设置为110A，负偏压设置为-60V，在梯度氮化钛层上沉积DLC层，沉积的时间为12min；然后打开钛靶材，钛靶材的阴极电流设置为50A，在DLC层上沉积钛掺杂DLC层，沉积的时间为2min；
（4）重复步骤（3）4次，得到DLC重复单元层；即得到具有外圆面DLC镀层的活塞环；
（5）将具有外圆面DLC镀层的活塞环置于电镀装置中，添加由硫酸铬24g/L、硫酸10g/L、柠檬酸2g/L、丙三醇4mL/L、十二烷基硫酸钠3g/L、氧化铝14g/L组成的电镀液，先在电流密度为350A/dm2的条件下于30℃闪镀10s，然后在电流密度为120A/dm2的条件下于30℃电镀6min，得到端面铬镀层；即得到具有外圆面DLC镀层和端面铬镀层的活塞环。
对上述制得的活塞环进行硬度、摩擦系数、耐热性能测试（在马弗炉内350℃保温2h，观察镀层是否剥落）、表面粗糙度测试。
外圆面DLC镀层的硬度为2060HV，摩擦系数为0.11，表面粗糙度为RZ1.6，活塞环在马弗炉内350℃保温2h后镀层不剥落。端面铬镀层的硬度为948HV。
实施例2
本实施例提供一种具有硬质镀层的活塞环，具体为具有外圆面DLC镀层和端面铬镀层的活塞环，所述外圆面DLC镀层在活塞环基体的外圆面从下至上依次为铬层、梯度氮化钛层、DLC重复单元层；所述DLC重复单元层中的一个DLC单元层从下至上依次为DLC层、钛掺杂DLC层；DLC单元层的重复次数为4次；
铬层的厚度为3μm；梯度氮化钛层的厚度为2μm；一个DLC单元层中DLC层的厚度为7μm，钛掺杂DLC层的厚度为300nm；DLC重复单元层的总厚度为36.5μm；
所述端面铬镀层在活塞环基体的端面为铬镀层，厚度为12μm。
上述具有外圆面DLC镀层和端面铬镀层的活塞环的制备方法，具体参见实施例1，不同之处在于步骤（2）中铬靶材的阴极电流设置为65A，铬层的沉积时间为43min；步骤（2）中钛靶材的阴极电流设置为50A，设置负偏压为-20V，氮气的流量由0以5sccm/min的速度提高至135sccm，梯度氮化钛层的沉积时间为27min；步骤（3）中氩气的流量为240sccm，石墨靶材的阴极电流设置为140A，负偏压设置为-70V，沉积DLC层的沉积时间为16min，钛靶材的阴极电流设置为58A，钛掺杂DLC层的沉积时间为3.5min。
对上述制得的活塞环进行硬度、摩擦系数、耐热性能测试（在马弗炉内350℃保温2h，观察镀层是否剥落）、表面粗糙度测试。
外圆面DLC镀层的硬度为2480HV，摩擦系数为0.095，表面粗糙度为RZ1.4，活塞环在马弗炉内350℃保温2h后镀层不剥落。端面铬镀层的硬度为952HV。
实施例3
本实施例提供一种具有硬质镀层的活塞环，具体为具有外圆面DLC镀层和端面铬镀层的活塞环，所述外圆面DLC镀层在活塞环基体的外圆面从下至上依次为铬层、梯度氮化钛层、DLC重复单元层；所述DLC重复单元层中的一个DLC单元层从下至上依次为DLC层、钛掺杂DLC层；DLC单元层的重复次数为6次；
铬层的厚度为3μm；梯度氮化钛层的厚度为2μm；一个DLC单元层中DLC层的厚度为4μm，钛掺杂DLC层的厚度为500nm；DLC重复单元层的总厚度为31.5μm；
所述端面铬镀层在活塞环基体的端面为铬镀层，厚度为12μm。
上述具有外圆面DLC镀层和端面铬镀层的活塞环的制备方法，具体参见实施例2，不同之处在于步骤（3）中石墨靶材的阴极电流设置为85A，负偏压设置为-50V，沉积DLC层的沉积时间为15min，钛靶材的阴极电流设置为70A，沉积钛掺杂DLC层的沉积时间为4min；步骤（4）中重复的次数为6次。
对上述制得的活塞环进行硬度、摩擦系数、耐热性能测试（在马弗炉内350℃保温2h，观察镀层是否剥落）、表面粗糙度测试。
外圆面DLC镀层的硬度为2290HV，摩擦系数为0.10，表面粗糙度为RZ1.6，活塞环在马弗炉内350℃保温2h后镀层不剥落。端面铬镀层的硬度为955HV。
实施例4
本实施例提供一种具有硬质镀层的活塞环，具体为具有外圆面DLC镀层和端面铬镀层的活塞环，所述外圆面DLC镀层在活塞环基体的外圆面从下至上依次为铬层、梯度氮化钛层、DLC重复单元层；所述DLC重复单元层中的一个DLC单元层从下至上依次为DLC层、钛掺杂DLC层；DLC单元层的重复次数为3次；
铬层的厚度为3μm；梯度氮化钛层的厚度为2μm；一个DLC单元层中DLC层的厚度为8μm，钛掺杂DLC层的厚度为420nm；DLC重复单元层的总厚度为33.68μm；
所述端面铬镀层在活塞环基体的端面为铬镀层，厚度为18μm。
上述具有外圆面DLC镀层和端面铬镀层的活塞环的制备方法，具体参见实施例2，不同之处在于步骤（3）中石墨靶材的阴极电流设置为180A，负偏压设置为-65V，沉积DLC层的沉积时间为24min，钛靶材的阴极电流设置为62A，沉积钛掺杂DLC层的沉积时间为4.5min；步骤（4）中重复的次数为3次；步骤（5）中先在电流密度为400A/dm2的条件下于45℃闪镀13s，然后在电流密度为160A/dm2的条件下于45℃电镀8min。
对上述制得的活塞环进行硬度、摩擦系数、耐热性能测试（在马弗炉内350℃保温2h，观察镀层是否剥落）、表面粗糙度测试。
外圆面DLC镀层的硬度为2340HV，摩擦系数为0.099，表面粗糙度为RZ1.7，活塞环在马弗炉内350℃保温2h后镀层不剥落。端面铬镀层的硬度为962HV。
对比例1
本对比例提供一种具有硬质镀层的活塞环，具体为具有外圆面DLC镀层和端面铬镀层的活塞环，所述外圆面DLC镀层在活塞环基体的外圆面从下至上依次为铬层、梯度氮化钛层、DLC层；
铬层的厚度为2μm；梯度氮化钛层的厚度为1μm；DLC层的厚度为25.5μm；
所述端面铬镀层在活塞环基体的端面为铬镀层，厚度为12μm。
上述具有外圆面DLC镀层和端面铬镀层的活塞环的制备方法，具体参见实施例1，不同之处在于步骤（3）中氩气的流量为300sccm，石墨靶材的阴极电流设置为110A，负偏压设置为-80V，沉积的时间为55min；不进行步骤（4）。
对上述制得的活塞环进行硬度、摩擦系数、耐热性能测试（在马弗炉内350℃保温2h，观察镀层是否剥落）、表面粗糙度测试。
外圆面DLC镀层的硬度为1780HV，摩擦系数为0.13，表面粗糙度为RZ1.8，活塞环在马弗炉内350℃保温2h后镀层发生剥落。端面铬镀层的硬度为945HV。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有硬质镀层的活塞环，其特征在于，所述活塞环的外圆面和端面分别具有硬质镀层；
所述活塞环的外圆面硬质镀层在活塞环基体的外圆面从下至上依次为打底层、梯度金属氮化物层、DLC重复单元层；
所述DLC重复单元层中的一个DLC单元层从下至上依次为DLC层、金属掺杂DLC层；所述DLC单元层的重复次数为2～10次；
所述打底层为铬层；所述梯度金属氮化物层为梯度氮化钛层；所述金属掺杂DLC层为钛掺杂DLC层；
所述打底层的厚度为1～4μm；所述梯度金属氮化物层的厚度为0.1～2μm；所述一个DLC单元层中DLC层的厚度为1～10μm；所述一个DLC单元层中金属掺杂DLC层的厚度为300～500nm；所述DLC重复单元层的总厚度为20～40μm；
所述活塞环的端面硬质镀层在活塞环基体的端面为铬镀层；所述铬镀层的厚度为1～20μm。
2.权利要求1所述的一种具有硬质镀层的活塞环的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将活塞环基体置于PVD设备中，通入氩气，打开铬靶材，在活塞环基体的外圆面沉积打底层；然后关闭铬靶材，打开钛靶材，通入氮气，逐渐提高氮气的流量，在打底层上沉积梯度金属氮化物层；
(2)关闭氮气、钛靶材，打开石墨靶材，在梯度金属氮化物层上沉积DLC层；然后打开钛靶材，在DLC层上沉积金属掺杂DLC层；
(3)重复步骤(2)，得到DLC重复单元层；即得到具有外圆面硬质镀层的活塞环；
(4)将具有外圆面硬质镀层的活塞环置于电镀装置中，利用电镀液对端面进行电镀，得到铬镀层；即得到具有硬质镀层的活塞环。
3.根据权利要求2所述的一种具有硬质镀层的活塞环的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述沉积打底层的条件为：氩气的流量为100～300sccm；真空度为1×10-3～5×10-3Pa；负偏压为-10～-30V；铬靶材的阴极电流为40～70A；沉积的时间为30～60min；
步骤(1)所述沉积梯度金属氮化物层的条件为：氩气的流量为50～60sccm；氮气的流量由0以5～20sccm/min的速度提高至100～150sccm；真空度为1×10-3～5×10-3Pa；负偏压为-20～-40V；钛靶材的阴极电流为50～100A；沉积的时间为5～30min；
步骤(2)所述沉积DLC层的条件为：氩气的流量为200～300sccm；真空度为2×10-3～5×10-3Pa；负偏压为-50～-80V；石墨靶材的阴极电流为80～200A；沉积的时间为10～30min；
步骤(2)所述沉积金属掺杂DLC层的条件为：氩气的流量为200～300sccm；真空度为2×10-3～5×10-3Pa；负偏压为-50～-80V；石墨靶材的阴极电流为80～200A；钛靶材的阴极电流为50～70A；沉积的时间为1～5min。
4.根据权利要求2或3所述的一种具有硬质镀层的活塞环的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述电镀液的组成包括：硫酸铬20～40g/L，硫酸5～15g/L，柠檬酸1～7g/L，丙三醇1～5mL/L，十二烷基硫酸钠1～8g/L，氧化铝10～20g/L；
步骤(4)所述电镀的条件为：首先在电流密度为350～400A/dm2的条件下闪镀5～20s；然后在电流密度为100～200A/dm2的条件下电镀2～10min。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103510046A (zh) * 2013-09-29 2014-01-15 星弧涂层新材料科技（苏州）股份有限公司 含金属掺杂的类金刚石厚膜及其制备方法
CN109372651A (zh) * 2018-09-25 2019-02-22 安庆帝伯格茨活塞环有限公司 一种类金刚石涂层活塞环及制备方法
CN115233281A (zh) * 2022-07-08 2022-10-25 仪征亚新科双环活塞环有限公司 活塞环、活塞环端面电镀用夹具及活塞环端面电镀方法
CN115803479A (zh) * 2020-12-11 2023-03-14 德国艾托特克有限两合公司 在衬底上电沉积深色铬层的方法和至少一侧完全覆盖有深色铬层的衬底

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6547232B2 (ja) * 2017-02-08 2019-07-24 テクノロール株式会社 めっき液ならびにめっき製品の製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103510046A (zh) * 2013-09-29 2014-01-15 星弧涂层新材料科技（苏州）股份有限公司 含金属掺杂的类金刚石厚膜及其制备方法
CN109372651A (zh) * 2018-09-25 2019-02-22 安庆帝伯格茨活塞环有限公司 一种类金刚石涂层活塞环及制备方法
CN115803479A (zh) * 2020-12-11 2023-03-14 德国艾托特克有限两合公司 在衬底上电沉积深色铬层的方法和至少一侧完全覆盖有深色铬层的衬底
CN115233281A (zh) * 2022-07-08 2022-10-25 仪征亚新科双环活塞环有限公司 活塞环、活塞环端面电镀用夹具及活塞环端面电镀方法

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