CN102092166A - 铝合金活塞多层梯度类金刚石纳米复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金活塞多层梯度类金刚石纳米复合涂层及其制备方法。涂层依次由活塞基体、底层粘接层、中间过渡层和表层构成，底层为金属Ti或Cr粘接层，中间过渡层为金属氮化物和Si层，表层为金属掺杂类金刚石碳膜。涂层的磨损寿命比铝合金表面直接形成、相同厚度的单层类金刚石涂层提高40倍以上，油润滑条件下摩擦系数稳定在0.05。该类金刚石涂层活塞比裙部MoS2处理活塞具有更好的综合性能，能够满足现代发动机高速、高功效以及低排放的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金活塞表面新型固体润滑涂层及其制备方法，具体说是采用物理气相沉积技术在活塞裙部获得梯度多层类金刚石纳米复合涂层，属活塞表面处理技术。
背景技术
活塞是发动机连杆-活塞组中的关键零件。活塞的磨损一般表现在三个方面：活塞环槽磨损、顶部燃烧室烧毁、活塞裙部擦伤磨损。活塞裙部在气缸内起着导向、承受侧推力和传热等作用，活塞裙部润滑不良及其磨损是整体活塞拉缸以及失效的主要诱因之一。通常情况下，活塞裙部需要进行自润滑涂层如镀锡或铅、喷涂石墨、聚四氟乙烯、二硫化钼等表面涂层或薄膜处理技术来改善诸如初期磨合、经常有冷态启动引起的干摩擦、短期过载及发动机变工况导致的润滑不良等问题。
活塞裙部自润滑涂层的抗磨和抗疲劳性能是目前直接影响活塞运行可靠性的关键因素，尤其是对于大马力柴油机以及内燃机车柴油机活塞，该类活塞在工作中往往承受高温、高压和高速往复运动的摩擦和冲击。整体铝合金活塞以及钢顶铝裙组合活塞是目前大马力内燃机的主导活塞。类金刚石涂层(DLC)是最新发展起来的一种新型固体润滑涂层，具有光滑平整、高硬度(硬度高于20GPa)、低摩擦(干摩擦系数和油润滑摩擦系数小于0.1)和长寿命等优点，是活塞裙部表面表面改性的理想涂层材料。如果能够在铝合金活塞裙部镀覆类金刚石涂层，将会显著降低启动与运转时的功率消耗，并能改善磨合状况及减小拉缸故障，延长使用寿命。然后由于铝合金表面存在一层致密的氧化膜(去除后会很快继续生成一层氧化膜)，直接影响了表面涂层与底材的结合力。另外由于高硬度类金刚石涂层与底材铝合金在硬度、热膨胀系数以及结构方面存在很大差异，导致铝合金活塞表面形成的类金刚石薄膜与基体之间的残余应力大、结合力和承载能力非常差。涂层在高速重载条件下耐磨损性能低，很容易发生从铝合金基体上剥落而导致失效。
因此，如何提高类金刚石涂层与铝合金基体间的结合力和耐磨性能，在活塞表面获得高硬度、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类金刚石涂层是延长活塞摩擦副寿命和减小拉缸故障的有效方法。
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涂层及其表面加工方法，以此来改善活塞在初期磨合、经常有冷态启动引起的干摩擦、短期过载及发动机变工况导致的润滑不良等问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种铝合金活塞多层梯度类金刚石纳米复合涂层，其特征在于该涂层依次由活塞基体、底层粘接层、中间过渡层和表层构成，底层为金属Ti或Cr粘接层，中间过渡层为金属氮化物和Si层，表层为金属掺杂类金刚石碳膜；所述金属掺杂类金刚石碳膜为Ti或Cr掺杂类金刚石碳膜。
本发明所述的涂层，金属氮化物层为CrN或TiN。
上述铝合金活塞多层梯度类金刚石纳米复合涂层，底层粘接层厚度为0.2～0.4微米，中间过渡层厚度为2～3微米，表层厚度为2～3微米。
本发明还提供了上述涂层的制备方法，其特征在于将经过常规前处理后的铝合金活塞置于多弧离子镀-磁控溅射复合气相沉积真空***中，依次沉积以下多层梯度膜：(1)磁控溅射Ti粘接层，将工件置于磁控溅射真空***中，以金属Ti靶为阴极，工作气体为氩气，沉积时间5～10min；(2)多弧离子镀沉积TiN或CrN层，金属Ti靶或Cr靶为阴极，工作气体为氩气和氮气，处理时间为30～40min；(3)磁控溅射沉积Si层，控制射频电源功率为300～500W，偏压为-300V，处理时间为30～40min；(4)Ti或Cr金属掺杂类金刚石梯度复合涂层沉积，沉积过程中，真空室的本底真空为5×10-4Pa，放电气压为0.5Pa，氩气和甲烷混合气氛，活塞样品上施加800～1000V的负偏压，通过逐渐增加甲烷流量以及逐渐降低Ti靶或Cr靶工作电流来获得Ti含量或Cr含量梯度变化的金属掺杂类金刚石表层，处理时间为150～250min，自然冷却，最后在铝合金活塞表面获得多层梯度类金刚石复合涂层。
本发明铝合金活塞裙部多层梯度类金刚石复合涂层的磨损寿命比铝合金表面直接形成、相同厚度的单层类金刚石涂层提高40倍以上，干摩擦系数低于0.15，油润滑条件下摩擦系数稳定在0.05(摩擦磨损试验采用球-盘摩擦试验机进行评价，采用往复滑动的方式，载荷为10N，摩擦对偶为Φ3mm的GCr15钢球)。同时与目前发动机行业中最新一代的活塞裙部MoS2涂层进行了性能对比，结果如表1所示。可以看出，活塞表面多层梯度类金刚石纳米复合涂层具有较优异的综合性能。
表1
| 涂层种类 | 表面硬度(GPa) | 干摩擦条件下摩擦系数 | 油润滑条件下摩擦系数 | 耐磨性 | 特点 |
| MoS2涂层 | 3～5GPa | 0.06～0.08 | 0.05～0.06 | 优异 | 耐磨，适用于高强度、高负荷发动机活塞处理 |
| 多层梯度类金刚石复合涂层 | 18～25GPa | 0.10～0.13 | 0.05～0.06 | 优于MoS2涂层 | 耐粘着磨损、承载能力强，适用于高强度、高负荷发动机活塞 |
本发明具有以下优点：
1、采用本发明制得的多层梯度类金刚石纳米复合涂层与铝合金活塞牢固结合，具有优异的抗磨与自润滑性能。其特点在于多层梯度过渡层提供了良好的支撑和界面结合，克服了铝合金表面常规类金刚石薄膜内应力高、附着力差、承载能力弱等缺点。该活塞比裙部MoS2处理活塞具有更好的综合性能，即使在活塞和钢壁油膜处于初期磨合、冷启动引起的干摩擦状态下、短期过载以及发动机变工况导致润滑不良条件下，也具有良好的抗磨与润滑效果，能够满足现代发动机高速、高功效以及低排放的要求。
2、本发明的活塞表面加工方法属于真空等离子范畴，绿色环保，不会对环境造成污染。所采用的复合工艺稳定，可实现批量生产。受技术因素影响高端大马力发动机活塞大多依赖进口，估计到2010年高端发动机活塞需求量达到2000万只以上，因此该技术在高端大马力发动机领域具有很好的应用价值。
具体实施方式
实施例1
取外圆直径为65mm的汽油发动机铝合金活塞，铝合金活塞表面梯度多层类金刚石复合涂层结构为铝合金基体/Ti层/TiN层/Si层/掺Ti类金刚石表层，处理工艺按照以下步骤进行：(1)将铝合金活塞进行常规除油清洗，然后在丙酮和乙醇溶液中依次进行超声清洗；(2)将铝合金活塞置于多弧离子镀-磁控溅射复合气相沉积真空***中，进行氩等离子体溅射清洗，氩气气体流量为50～70sccm，偏压为800～1000V，处理时间为30～40min；(3)多弧离子镀Ti层，金属Ti靶为阴极，处理时间5～10min；(4)多弧离子镀沉积TiN层，金属Ti靶为阴极，工作气体为氩气和氮气，偏压为200～300V，占空比为70～90％，Ti靶弧流控制在70～90A，处理时间为30～40min；(5)磁控溅射沉积Si层，控制射频电源功率为300～500W，偏压为-300V，真空比为40～60％，处理时间为30～40min；(6)掺Ti类金刚石梯度复合涂层沉积，沉积过程中，真空室的本底真空为5×10-4Pa，放电气压为0.5Pa，氩气和甲烷混合气氛，活塞样品上施加800～1000V的负偏压，通过逐渐增加甲烷流量以及逐渐降低Ti靶工作电流来获得Ti含量梯度变化的掺钛类金刚石表层，处理时间为150～250min，自然冷却，最后在铝合金活塞表面获得多层梯度掺钛类金刚石复合涂层。
实施例2
取外圆直径为126mm的柴油机铝合金活塞，铝合金活塞表面梯度多层类金刚石复合涂层结构为铝合金基体/Cr层/CrN层/Si层//掺Cr类金刚石表层，处理工艺按照以下步骤进行：(1)将铝合金活塞进行常规除油清洗，然后在丙酮和乙醇溶液中依次进行超声清洗；(2)将铝合金活塞置于多弧离子镀-磁控溅射复合气相沉积真空***中，进行氩等离子体溅射清洗，氩气气体流量为50～70sccm，偏压为800～1000V，处理时间为30～40min；(3)多弧离子镀Cr层，金属Cr靶为阴极，处理时间5～10min；(3)多弧离子镀沉积CrN层，金属Cr靶为阴极，工作气体为氩气和氮气，偏压为300～500V，占空比为70～90％，Cr靶弧流控制在50～70A，处理时间为30～40min；(4)磁控溅射沉积Si层，控制射频电源功率为300～500W，偏压为-300V，真空比为40～60％，处理时间为30～40min；(5)掺Cr类金刚石梯度复合涂层沉积，沉积过程中，真空室的本底真空为5×10-4Pa，放电气压为0.5Pa，氩气和甲烷混合气氛，活塞样品上施加800～1000V的负偏压，通过逐渐增加甲烷流量以及逐渐降低Cr靶工作电流来获得Cr含量梯度变化的掺铬类金刚石表层，处理时间为150～250min，自然冷却，最后在铝合金活塞表面获得多层梯度掺铬类金刚石复合涂层。
Claims (4)
1.一种铝合金活塞多层梯度类金刚石纳米复合涂层，其特征在于该涂层依次由活塞基体、底层粘接层、中间过渡层和表层构成，底层为金属Ti或Cr粘接层，中间过渡层为金属氮化物和Si层，表层为金属掺杂类金刚石碳膜；所述金属掺杂类金刚石碳膜为Ti或Cr掺杂类金刚石碳膜。
2.如权利要求1所述的涂层，其特征在于金属氮化物层为CrN或TiN。
3.如权利要求1所述的涂层，其特征在于复合涂层的底层粘接层厚度为0.2～0.4微米，中间过渡层厚度为2～3微米，表层厚度为2～3微米。
4.如权利要求1所述的涂层的制备方法，其特征在于将经过常规前处理后的铝合金活塞置于多弧离子镀-磁控溅射复合气相沉积真空***中，依次沉积以下多层梯度膜：(1)磁控溅射Ti粘接层，将工件置于磁控溅射真空***中，以金属Ti靶为阴极，工作气体为氩气，沉积时间5～10min；(2)多弧离子镀沉积TiN或CrN层，金属Ti靶或Cr靶为阴极，工作气体为氩气和氮气，处理时间为30～40min；(3)磁控溅射沉积Si层，控制射频电源功率为300～500W，偏压为-300V，处理时间为30～40min；(4)Ti或Cr金属掺杂类金刚石梯度复合涂层沉积，沉积过程中，真空室的本底真空为5×10-4Pa，放电气压为0.5Pa，氩气和甲烷混合气氛，活塞样品上施加800～1000V的负偏压，通过逐渐增加甲烷流量以及逐渐降低Ti靶或Cr靶工作电流来获得Ti含量或Cr含量梯度变化的金属掺杂类金刚石表层，处理时间为150～250min，自然冷却，最后在铝合金活塞表面获得多层梯度类金刚石复合涂层。
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