[发明专利]活塞环表面类金刚石复合涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种环保的活塞环表面加工方法，具体说是涉及一种用等离子渗氮/物理气相复合沉积相结合的方法在活塞环表面获得氮化/类金刚石复合涂层，属活塞环技术领域。

背景技术

活塞环是内燃机的主要运动件和易损件，在汽缸套中作往复运动时工作环境十分恶劣。活塞环在上、下止点之间其运动速度是循环变化的，同时变化不定的接触压力，较差的润滑状况，特别是首环还受高温燃气的腐蚀。燃气对油膜的烧损，常常使得活塞环处于一种半干摩擦或干摩擦状况下工作，所以磨损是活塞环的主要失效形式。为了提高活塞环的耐磨性和使用寿命，国内外活塞环专业厂家主要通过在活塞环表面电镀硬铬镀层、气体渗氮处理。其中镀硬铬的活塞环占到活塞环总数的50％～70％，但是电镀铬工艺严重危害人体健康和污染环境，因而世界各国都制定了响应的法规限制电镀铬工艺。而气体渗氮处理的活塞环，在其表面获得了较高的硬度和抗磨性能，但是摩擦系数很高，同时对配副缸套造成严重的磨损，严重降低缸套-活塞环摩擦副的运行寿命。

高速化、高功效、低排放是现代发动机的主要特点。高速、高载和热疲劳导致的润滑环境恶化，使得活塞环的运行环境(贫油或半干摩擦状态)更加苛刻。因此，发展绿色环保型的活塞环表面加工技术，在活塞环表面制备出高硬度、良好结合强度以及具有优异抗磨和固体润滑特性的高性能涂层是延长活塞环摩擦副寿命的有效方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种高硬度、高耐磨和在干摩擦或贫油状态下具有减摩自润滑性能的活塞环及其表面加工方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明将活塞环表面低温等离子渗氮处理和气相沉积薄膜技术结合起来，具体是首先通过低温等离子渗氮处理在活塞环表面生成一层具有结合强度高、高硬度、耐磨性好的氮化层，然后再采用磁过滤阴极弧-磁控溅射复合沉积一层具有固体润滑特性的无氢类金刚石(Diamond Like Carbon，DLC)表面层，最终在活塞环表面获得一种致密、平整光滑、具有优异抗磨损与自润滑性能的氮化/DLC复合涂层。

一种活塞环表面类金刚石复合涂层的制备方法，其特征在于该方法包括：

A、低温等离子氮化处理：

将待处理的活塞环置于脉冲直流低温等离子子渗氮炉中，在真空度达到2Pa，通入氮气和氢气的混合气进行等离子渗氮处理，电流密度为1～3mA/cm2，升温至400～580℃，保温1～6小时，然后随炉冷却至150℃，完成对活塞环表面的氮化处理；

B、磁过滤阴极弧-磁控溅射复合沉积掺钛DLC涂层：

将等离子渗氮处理后的活塞环表面进行抛光、清洗处理，最后在磁过滤阴极弧-磁控溅射复合沉积设备中沉积掺钛类金刚石涂层；沉积过程中，真空室的本底真空为5×10^-4Pa，放电气压为0.5Pa，氩气气氛，阴极为高纯碳靶和钛靶，活塞环样品上施加200～1000V的负偏压，沉积时间为120～300min，沉积厚度为2～5μm的含钛DLC薄膜；自然冷却，最后得到氮化/类金刚石复合涂层活塞环。

通过本发明的低温等离子氮化/无氢类金刚石复合涂层进行表面强化的活塞环，在完成上述表面加工后，在进行相应的机械加工等处理后，形成成品，成品活塞环表面复合涂层厚度为40～200μm，其中表层类金刚石涂层厚度为2～5μm。活塞环是直径为100～400mm的铸铁活塞环或不锈钢质活塞环。形成的活塞环表面氮化/DLC复合涂层表面致密，与基体结合良好，具有优异的自润滑和耐磨性能。活塞环表面复合涂层的性能评价方法及结果如下：

结构和成分：用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)观察表面微观形貌。用拉曼光谱仪对复合涂层表面结构进行测试。用PHI-5702型多功能X射线光电子(XPS)测定元素的结合状态。测试结果表明，活塞环表面复合涂层呈黑色，表面致密光亮。拉曼和XPS测试表明，表面沉积的掺钛DLC涂层呈典型的类金刚石结构特征。