CN109372651A - 一种类金刚石涂层活塞环及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种类金刚石涂层活塞环及制备方法，所述活塞环基体外圆面设置有含氮量递增的氮化钛过渡层，所述氮化钛过渡层上由内至外设置有一组或多组的类金刚石复合涂层，所述类金刚石复合涂层包括由内至外设置的软类金刚石涂层和硬类金刚石涂层，利用递增氮含量的氮化钛作为类金刚石复合涂层与活塞环基体之间的过渡结构，同时类金刚石复合涂层采用软硬相间的结构，可以降低类金刚石复合涂层的内应力，进而增加后期的使用寿命，同时具有软硬相间类金刚石涂层的活塞环生产工艺简单，可以根据实际需要进行厚度改变，增加活塞环的实用性。

Description

一种类金刚石涂层活塞环及制备方法

技术领域

本发明涉及活塞环技术领域，具体涉及一种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；

在有些专利中也采用了一些方法，在做类金刚涂层过程中掺入W、Si、H等元素降低涂层的内应力，提高一定程度的结合强度，但是添加元素影响了类金刚石的耐磨性、高温稳定性，不是最佳的选择；

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

本发明提供一种类金刚石涂层活塞环及制备方法，利用递增氮含量的氮化钛作为类金刚石复合涂层与活塞环基体之间的过渡结构，同时利用类金刚石复合涂层采用软硬相间的结构，可以降低类金刚石复合涂层的内应力，进而增加活塞环后期的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种类金刚石涂层活塞环，包括活塞环基体，所述活塞环基体外圆面设置有含氮量递增的氮化钛过渡层，所述氮化钛过渡层外表面由内至外设置的一组或多组的类金刚石复合涂层，该类金刚石复合涂层包括由内至外设置的软类金刚石涂层和硬类金刚石涂层。

进一步的，所述活塞环基体和氮化钛过渡层之间设置有钛层，且钛层的厚度小于等于氮化钛过渡层厚度的5%～10%。

进一步的，所述氮化钛过渡层的厚度H1与类金刚石复合涂层的厚度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。

进一步的，相邻的所述类金刚石复合涂层硬度由内至外随厚度递增。

进一步的，每组所述的类金刚石复合涂层中软类金刚石涂层和硬类金刚石涂层的厚度比为1:100～5:100。

一种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化处理，并进行脱脂清洗和碳氢清洗处理；

S2：对处理后的活塞环基体装夹、擦拭并装炉；

S3：进行氮化钛过渡层沉积，步骤如下：

S31：第一次抽真空；

S32：炉内加热，进行第二次抽真空；

S33：对活塞环基体进行离子清洗；

S34：保持炉内温度不变，采用流量递增的方式向炉内通入氮气，钛靶通电运行进行氮化钛沉积；

S35：关闭氮气阀、氩气阀和钛靶电源，进行第三次抽真空；

S4：进行类金刚石复合涂层沉积，步骤如下：

S41：打开圆柱石墨靶电源，进行软类金刚石涂层沉积，软类金刚石涂层的沉积厚度达到3～5nm;

S42：打开平面石墨靶电源，并向炉内通入氩气，进行硬类金刚石涂层沉积，硬类金刚石涂层的沉积厚度达到0.3～0.5um；

S5：循环操作步骤S4，使类金刚石复合涂层沉积厚度达到指定厚度。

进一步的，所述氮化钛过渡层中由内向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。

进一步的，所述类金刚石复合涂层最大厚度为35um。

由以上技术方案可知，本发明具有如下有益效果：利用递增氮含量的氮化钛作为类金刚石复合涂层与活塞环基体之间的过渡结构，通过氮化钛过渡层的氮气量改变氮化钛过渡层的硬度，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，同时类金刚石复合涂层采用软硬相间的结构，可以降低类金刚石复合涂层的内应力，进而增加后期的使用寿命，同时具有软硬相间类金刚石涂层的活塞环生产工艺简单，可以根据实际需要进行厚度改变，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为氮化钛过渡层示意图；

图3为类金刚石复合涂层硬度示意图；

图4为氮化钛过渡层中氮含量与氮化钛过渡层厚度关系的曲线图；

图5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、氮化钛过渡层，3、类金刚石复合涂层，4、软类金刚石涂层，5、硬类金刚石涂层。

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2所示，一种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外圆面设置有含氮量递增的氮化钛过渡层2，活塞环基体1和氮化钛过渡层2之间设置有钛层，且钛层的厚度小于等于氮化钛过渡层厚度的10%；

优选的在活塞环上设置有钛层，钛层与活塞环基体1具有非常相近的热变形量，在形成氮化钛的同时使氮气的含量逐步增加，进而改变氮化钛的硬度，同时可以对通入氮元素的初始时间以及初始流量进行控制，使刚进行沉积的钛层不含有或含有微量的氮元素，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，提高类金刚石涂层、过渡层和活塞环之间的结合力，进而使得类金刚石涂层活塞环具备优异的性能；

同时，所述氮化钛过渡层2的厚度H₁与类金刚石复合涂层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；

如图2和3所示，氮化钛过渡层2上由内至外设置的一组或多组的类金刚石复合涂层3，该类金刚石复合涂层3为由内至外设置有软类金刚石涂层4和硬类金刚石涂层5，相邻的类金刚石复合涂层3硬度由内至外随厚度递增，所述软类金刚石涂层4的硬度范围值为1800HV～2200HV，所述硬类金刚石涂层5的硬度范围值为2300HV～3500HV；

利用软硬相间的软类金刚石涂层4和硬类金刚石涂层5为一组，且由内到外硬度逐渐增加，使得最内侧的软类金刚石涂层4与氮化钛过渡层2的硬度相接近，且氮化钛过渡层2的硬度接近于活塞环基体1和软类金刚石涂层4之间，使得类金刚石复合涂层3能够较稳定的设置于氮化钛过渡层2上，进而提高各层之间的结合力；

每组所述的类金刚石复合涂层3中软类金刚石涂层4和硬类金刚石涂层5的厚度比为1:100～5:100，其软类金刚石涂层4作为两层相邻的硬类金刚石涂层5的过渡层，可以有效的降低涂层内应力。

一种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1的侧面及外圆粗糙度进行处理，并进行三槽脱脂清洗处理，具体包括如下：

在第1槽中注入温度70～80℃的脱脂剂，将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；

将第三槽处理后的活塞环基体1进行碳氢清洗，将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浸泡15分钟，其首先对活塞环基体1表面进行粗糙化处理，并进行活塞环基体1表面的清洁，以提高后期氮化钛过渡层2的沉积结合强度。

S2：将碳氢清洗后的活塞环进行镀膜前装夹，对装夹好的活塞环基体1表面利用无水乙醇进行擦拭并装炉；

S3：氮化钛过渡层沉积，具体的：

S31：第一次抽真空 ，使炉内到达高真空，使真空度达到5×10-3Pa；

S32：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；

S33：离子清洗：利用氩离子轰击活化活塞环基体表面，氩气流量：70～100cc，偏压：900HV，离子清洗温度150℃，在此条件下进行轰击80分钟；

S34：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；

S35：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；

如图4和5所示，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，氮化钛过渡层中由内向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S3中的具体实施S34中，优选的先不通氮气，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过渡层，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，当活塞环基体硬度大于钛层，则可直接进行氮化钛过渡层的沉积，使得活塞环基体1与氮化钛过渡层之间硬度接近，进而提高活塞环基体与氮化钛过渡层的结合力；

S4：类金刚石涂层沉积，具体包括以下步骤：

S41：打开圆柱石墨靶电源，进行软类金刚石涂层沉积，软类金刚石涂层的沉积厚度达到3～5nm;

S42：打开所有平面石墨靶电源，进行硬类金刚石涂层沉积，并向炉内通入氩气，氩气的流量为100CC，硬类金刚石涂层沉积厚度达到0.3～0.5um；

S5：循环操作步骤S4，使类金刚石复合涂层沉积厚度达到指定厚度。

在S4步骤中，进而利用一组或多组类金刚石复合涂层3沉积与氮化钛过渡层表面，可以根据实际需要对类金刚石复合涂层3的厚度进行调整，其生产工艺较为简单，生产的效率较高，可以有效的增加活塞环的实用性，并且利用软硬相间的排布方式，可以降低类金刚石复合涂层3的内应力，使其后期的可剥离力度较大，进而提高类金刚石复合涂层3的使用寿命，提高活塞环的耐久性。

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 (9)

1.一种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）外圆面设置有含氮量递增的氮化钛过渡层（2），所述氮化钛过渡层（2）外表面由内至外设置的一组或多组的类金刚石复合涂层（3），该类金刚石复合涂层（3）包括由内至外设置的软类金刚石涂层（4）和硬类金刚石涂层（5）。

2.根据权利要求1所述的一种类金刚石涂层活塞环，其特征在于：所述活塞环基体（1）和氮化钛过渡层（2）之间设置有钛层，且钛层的厚度小于等于氮化钛过渡层厚度的5%～10%。

3.根据权利要求1所述的一种类金刚石涂层活塞环，其特征在于：所述氮化钛过渡层（2）的厚度H₁与类金刚石复合涂层（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所述的一种类金刚石涂层活塞环，其特征在于：相邻的所述类金刚石复合涂层（3）硬度由内至外随厚度递增。

6.根据权利要求1所述的一种类金刚石涂层活塞环，其特征在于：每组所述的类金刚石复合涂层（3）中软类金刚石涂层（4）和硬类金刚石涂层（5）的厚度比为1:100～5:100。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种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化处理，并进行脱脂清洗和碳氢清洗处理；

S2：对处理后的活塞环基体装夹、擦拭并装炉；

S3：进行氮化钛过渡层沉积，步骤如下：

S31：第一次抽真空；

S32：炉内加热，进行第二次抽真空；

S33：对活塞环基体进行离子清洗；

S34：保持炉内温度不变，采用流量递增的方式向炉内通入氮气，钛靶通电运行进行氮化钛沉积；

S35：关闭氮气阀、氩气阀和钛靶电源，进行第三次抽真空；

S4：进行类金刚石复合涂层沉积，步骤如下：

S41：打开圆柱石墨靶电源，进行软类金刚石涂层沉积，软类金刚石涂层的沉积厚度达到3～5nm;

S42：打开平面石墨靶电源，并向炉内通入氩气，进行硬类金刚石涂层沉积，硬类金刚石涂层的沉积厚度达到0.3～0.5um；

S5：循环操作步骤S4，使类金刚石复合涂层沉积厚度达到指定厚度。

8.根据权利要求7所述的一种类金刚石涂层活塞环的制备方法，其特征在于：所述氮化钛过渡层中由内向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。

9.根据权利要求7所述的一种类金刚石涂层活塞环的制备方法，其特征在于：所述类金刚石复合涂层最大厚度为35um。