CN109234676A - 一种含有过渡层的类金刚石涂层活塞环及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种含有过渡层的类金刚石涂层活塞环及制备方法，包括活塞环基体，所述活塞环基体外圆面由内至外设置有氮气含量递增的氮化钛层，所述氮化钛层外圆面设置有类金刚石涂层，本发明生产制作工艺简单，利用递增氮含量的氮化钛作为类金刚石涂层与活塞环之间的过渡层，通过氮化钛层的氮气量改变氮化钛层的硬度，使得氮化钛的硬度位于钛和类金刚石涂层中间，可有效形成从钛到类金刚石涂层中间的硬度梯度，进而增加活塞环上涂层的抗划痕和抗剥离能力，同时活塞环的总厚度不受影响，避免影响活塞环的规格，使得活塞环基体具备良好的使用寿命，增加活塞环的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及活塞环技术领域，具体涉及一种含有过渡层的类金刚石涂层活塞环及制备方法。
背景技术
2020年乘用车燃油耗国家标准百公里5L以下，这对发动机厂以及汽车厂提出了高要求，而降低发动机的摩擦功损失是降低汽车的燃油耗的重要手段之一。活塞环工作摩擦功率损失占发动机总摩擦功损失的25％以上，所以降低活塞环的摩擦损失对发动机降低燃油耗贡献大；
活塞环的降低摩擦功损失的最有效的方式是采用低摩擦系数涂层，类金刚石涂层具备低摩擦高耐磨特性正好满足活塞环的低摩擦要求，类金刚石涂层具备硬度高、内应力大、直接将类金刚石涂层做到活塞环表面，结合力很难保证，容易脱落；
为此，我们提出一种含有过渡层的类金刚石涂层活塞环及制备方法。
发明内容
本发明提供一种含有过渡层的类金刚石涂层活塞环及制备方法，利用逐渐递增氮含量的氮化钛作为类金刚石涂层与活塞环之间的过渡层，使得活塞环基体具备良好的使用寿命，增加活塞环的实用性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种含有过渡层的类金刚石涂层活塞环及制备方法，包括活塞环基体，所述活塞环基体外圆面由内至外设置有氮气含量递增的氮化钛层，所述氮化钛层外圆面设置有类金刚石涂层。
进一步的，所述活塞环基体和氮化钛层之间设置有钛层，且钛层的厚度小于等于氮化钛层厚度的5％～10％。
优选方案在活塞环上首先形成钛层沉积，可以使过渡层与活塞环基体具有非常相近的热变形量，进而继续沉积钛层并通入氮气形成氮化钛，在形成氮化钛的同时使氮气的含量逐步增加，进而改变钛层的硬度，方便与后期经磁过滤真空阴极电弧形成的类金刚石相结合，提高类金刚石、过渡层和活塞环之间的结合力。
进一步的，所述氮化钛层的厚度H1与类金刚石涂层的厚度H2存在如下关系：1/50≤H1/H2≤1/10。
进一步的，所述氮化钛层中由内至外递增的氮元素含量y与氮化钛层由内至外的厚度x呈存在如下函数比关系：y＝1.25x2～5x2。
在不影响类金刚石涂层后期的效果，以及类金刚石、过渡层和活塞环之间的结合力前提下，降低过渡层和类金刚石涂层的厚度，使活塞环适用于更多的环境。
含有过渡层的类金刚石涂层活塞环的制备方法，包括如下步骤：
S1：对活塞环基体进行粗糙度处理，并进行脱脂清洗和碳氢处理，对处理后的活塞环基体装夹、擦拭并装炉；
S2：进行氮化钛层沉积，步骤如下：
S21：第一次抽真空；
S22：炉内加热，进行第二次抽真空；
S23：对活塞环基体进行离子清洗；
S24：炉内温度不变，并向炉内通入氮气，氮气流量递增，钛靶通电运行进行氮化钛沉积；
S25：关闭氮气阀、氩气阀和钛靶电源，进行第三次抽真空；
S3：类金刚石涂层沉积。
进一步的，所述氮化钛层中由内至外递增的氮元素流量y与氮元素通入的时间x呈存在如下关系：y＝0.025x。
由以上技术方案可知，本发明具有如下有益效果：生产制作工艺简单，利用递增氮含量的氮化钛作为类金刚石涂层与活塞环之间的过渡层，通过氮化钛层的氮气量改变氮化钛层的硬度，使得氮化钛的硬度位于钛和类金刚石涂层中间，可有效形成从钛到类金刚石涂层中间的硬度梯度，进而增加活塞环上涂层的抗划痕和抗剥离能力，同时活塞环的总厚度不受影响，避免影响活塞环的规格，使得活塞环基体具备良好的使用寿命，增加活塞环的实用性。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为氮化钛层中氮含量与氮化钛层厚度关系的曲线图；
图3为通入氮元素的流量与通入时间的曲线图。
图中：1、活塞环基体，2、氮化钛层，3、类金刚石涂层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种含有过渡层的类金刚石涂层活塞环及制备方法优选实施方式作详细的说明。
如图1和图2所示，一种含有过渡层的类金刚石涂层活塞环，包括活塞环基体1，所述活塞环基体1外圆面由内至外设置有氮气含量递增的氮化钛层2，所述氮化钛层2外圆面设置有类金刚石涂层3，优选的活塞环基体1和氮化钛层2之间设置有钛层，且钛层的厚度小于等于氮化钛层厚度的5％～10％。
在活塞环上首先形成钛层沉积，可以使过渡层与活塞环基体1具有非常相近的热变形量，进而继续沉积钛层并通入氮气形成氮化钛，在形成氮化钛的同时使氮气的含量逐步增加，进而改变钛层的硬度，方便与后期经磁过滤真空阴极电弧形成的类金刚石相结合，提高类金刚石、过渡层和活塞环之间的结合力，进而使得类金刚是活塞环具备优异的性能。
同时，所述氮化钛层2的厚度H1与类金刚石涂层3的厚度H2存在如下关系：1/50≤H1/H2≤1/10，在不影响类金刚石涂层的使用效果，以及类金刚石、过渡层和活塞环之间的结合力前提下，降低过渡层和类金刚石涂层的厚度，使活塞环适用于更多的环境。
含有过渡层的类金刚石涂层活塞环的制备方法，包括如下步骤：
S1：将活塞环基体经过侧面磨削、修口、外面抛光珩磨加工，使得活塞环基体的侧面粗糙度达到Rz3.2um以下，外圆粗糙度达到Rz1.6um以下，将活塞环基体进行3槽脱脂清洗处理：
在第1槽中注入温度70～80℃的脱脂剂，其脱脂剂可选择为氢氧化钠15～25g/L、磷酸三钠3g/L、硅酸钠10g/L、碳酸钠5g/L的混合液，PH值12～13，将经过步骤一处理后的活塞环基体置于槽中15分钟；将第1槽中处理完成的活塞环基体取出，置入第2槽中，其第2槽中利用常温水源对活塞环进行浸泡5分钟；将第2槽中清洗后的活塞环基体置入第3槽中，利用水温60～70℃的热水再次清洗5分钟；
将活塞环基体进行碳氢清洗：首先对碳氢清洗进行加温至90～120℃，将步骤二中清洗完成的活塞环基体放入加温后的碳氢清洗剂中，其碳氢清洗剂的成分可选择为：C12H26，30～50％、C3H3F5，20～40％、C2H5OH，10～30％的混合剂，其浸泡时间为15分钟，步骤二和步骤三为对活塞环基体的清理步骤，在提高粗糙度后对活塞环基体进行清洁，避免表面的油污、杂质影响与过渡层的结合力；
将碳氢清洗后的活塞环基体进行镀膜前装夹，对装夹好的活塞环基体表面利用无水乙醇进行擦拭并装炉；
S2：氮化钛层沉积，具体的：
S21第一次抽真空，使炉内到达高真空，使真空度达到5×10-3Pa；
S22打开加热器，温度范围180～200℃并保持30分钟，进行第二次抽真空，使真空度达到5×10-5Pa；
S23离子清洗：利用氩离子轰击活化活塞环基体表面，氩气流量为70～100cc，偏压900HV，离子清洗温度150℃，在此条件下进行轰击80分钟；
S24炉内温度不变，钛靶通电运行进行氮化钛沉积，钛靶电流调节为25A，并向炉内通入氮气30分钟，氮气流量由0均匀增加到0.25CC；
S25关闭氮气阀、氩气阀和钛靶电源，加热器温度设置为120℃，进行第三次抽真空，使炉内真空度达到4×10-5Pa；
S3：类金刚石涂层沉积：打开石墨靶电源、高低偏压，使高偏压1500V，低偏压1000V，通入流量为100CC的氩气，工作时间为60分钟，使类金刚石涂层达到25um左右；
如图2和图3所示，其中，氮化钛层2中由内至外递增的氮元素含量y与氮化钛层2由内至外的厚度x呈存在如下函数比关系：y＝1.25x2～5x2，氮化钛层中由内至外递增的氮元素流量y与氮元素通入的时间x呈存在如下关系：y＝0.025x；
在步骤S2中的S24中，优选的先不同氮气，先沉积出钛层，因为现有活塞环基体材料主要为钢质和铸铁，在20～300℃条件下的热膨胀系数为11*10-6/K左右，使过渡层与活塞环具备优异的结合力，同时也可以通过通入氮气的时间以及流量的控制，使沉积出的钛层含有较少量或接近于零的氮元素，然后逐渐增加氮气的含量，使钛层转化为氮化钛层，逐渐提升硬度，使活塞环通过过渡层更好的与类金刚涂层结合，与钛层的结合力较好，当活塞环基体硬度大于钛层，则可直接进行氮化钛层的沉积，使得活塞环基体1与氮化钛层之间硬度接近，进而提高活塞环基体与氮化钛层的结合力；
利用剥离试验机，选取若干组带有过渡层的类金刚石涂层活塞环作为实施例，不具备过渡层的类金刚石涂层活塞环作为对比例，在相同时间、相同环境下，分别做涂层剥离实验，得出如下表格数据：
| 剥离力度(N) | 玻璃结果 | |
| 实施例1 | 50 | 未剥离 |
| 实施例2 | 55 | 未剥离 |
| 实施例3 | 65 | 未剥离 |
| 对比例1 | 48 | 剥离 |
| 对比例2 | 45 | 剥离 |
由实验数据得出：具备过渡层的类金刚石涂层活塞环的类金刚石涂层的抗剥离能力，相对于不具备过渡层的类金刚石涂层活塞环的抗剥离效果较好，可承受的剥离力度更大，进而使得后期的使用寿命更长，提高了活塞环使用的实用性。以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种含有过渡层的类金刚石涂层活塞环，包括活塞环基体（1），其特征在于：所述活塞环基体（1）外圆面由内至外设置有氮气含量递增的氮化钛层（2），所述氮化钛层（2）外圆面设置有类金刚石涂层（3）。
2.根据权利要求1所述的一种含有过渡层的类金刚石涂层活塞环，其特征在于：所述活塞环基体（1）和氮化钛层（2）之间设置有钛层，且钛层的厚度小于等于氮化钛层厚度的5%～10%。
3.根据权利要求1所述的一种含有过渡层的类金刚石涂层活塞环，其特征在于：所述氮化钛层（2）的厚度H1与类金刚石涂层（3）的厚度H2存在如下关系：1/50≤H1/H2≤1/10。
4.根据权利要求1所述的一种含有过渡层的类金刚石涂层活塞环，其特征在于：所述氮化钛层（2）中由内至外递增的氮元素含量 y与氮化钛层（2）由内至外的厚度x呈存在如下函数比关系：y=1.25x2～ 5x2。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种含有过渡层的类金刚石涂层活塞环的制备方法，包括如下步骤：
S1：对活塞环基体进行粗糙度处理，并进行脱脂清洗和碳氢处理，对处理后的活塞环基体装夹、擦拭并装炉；
S2：进行氮化钛层沉积，步骤如下：
S21：第一次抽真空；
S22：炉内加热，进行第二次抽真空；
S23：对活塞环基体进行离子清洗；
S24：炉内温度不变，并向炉内通入流量递增的氮气，钛靶通电运行进行氮化钛沉积；
S25：关闭氮气阀、氩气阀和钛靶电源，进行第三次抽真空；
S3：类金刚石涂层沉积。
6.根据权利要求5所述的一种含有过渡层的类金刚石涂层活塞环的制备方法，其特征在于：所述氮化钛层中由内至外递增的氮元素流量y与氮元素通入的时间x呈存在如下关系：y=0.025x。
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