CN114540751A - 核电应急柴油发电机活塞环及活塞环上润滑主体层的沉积方法 - Google Patents
核电应急柴油发电机活塞环及活塞环上润滑主体层的沉积方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114540751A CN114540751A CN202210197190.5A CN202210197190A CN114540751A CN 114540751 A CN114540751 A CN 114540751A CN 202210197190 A CN202210197190 A CN 202210197190A CN 114540751 A CN114540751 A CN 114540751A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- piston ring
- lubricating
- cks
- diesel generator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 title claims abstract description 91
- 238000000151 deposition Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 228
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 50
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 41
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 41
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 20
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims abstract description 8
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 37
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 37
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 37
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 33
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 33
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 33
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims description 24
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 23
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 15
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 14
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 13
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 4
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 claims description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 3
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 claims description 3
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 claims description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 6
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 24
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 21
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 18
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 11
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 9
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 5
- 238000005477 sputtering target Methods 0.000 description 4
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 3
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 2
- 238000000635 electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001994 activation Methods 0.000 description 1
- -1 argon ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000003203 everyday effect Effects 0.000 description 1
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/0605—Carbon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
- C23C14/021—Cleaning or etching treatments
- C23C14/022—Cleaning or etching treatments by means of bombardment with energetic particles or radiation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/0623—Sulfides, selenides or tellurides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Abstract
本发明公开了一种核电应急柴油发电机活塞环及活塞环上润滑主体层的沉积方法，核电应急柴油发电机活塞环包括活塞环本体、设置在活塞环本体外圈表面上的CKS镀层、设置在CKS镀层上的润滑层；润滑层的总厚度≤3μm；润滑层包括过渡层以及通过过渡层结合在CKS镀层上的润滑主体层；润滑主体层为非晶碳基层或二硫化钼层。本发明的核电应急柴油发电机活塞环，在活塞环的CKS镀层上设置润滑层，不仅保证了应急柴油发电机启动瞬间活塞环/缸套摩擦副的可靠润滑，同时小于3微米厚度的润滑层不会完全遮盖CKS镀层的储油沟槽，不影响活塞环功能面的储油能力，保证应急柴油发电机运行过程中活塞环/缸套摩擦副的润滑，提升核电应急柴油发电机组的安全性与稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及活塞环防护技术领域，尤其涉及一种核电应急柴油发电机活塞环及活塞环上润滑主体层的沉积方法。
背景技术
核电应急柴油发电机组是核电厂能够独立且顺利运行的重要备用电源，是核电厂供电***的最后一道安全防线。核电应急柴油发电机组必须能在事故工况、全厂断电或地震等特殊情况下可靠启动，为核电厂安全停堆所需的中低压核辅助设备、应急设备提供应急电源。在后备电源失效后，核电应急柴油发电机组需要在10s后达到额定转速以及额定电压，且具备连续满功率运行168h的能力，为应急负荷正常供电，确保事故情况下能安全停堆。并且核电应急柴油机日常每月开展1次月度试验，每个换料循环为18个月，活塞环的更换周期为6个换料循环，即活塞环的更换周期内共需进行108次月度试验，每次稳定运行一段时间。而柴油发电机经较长的停机时间后再次启动，会出现由于活塞环表面无油膜覆盖而造成的缸套和活塞环异常磨损，将直接影响到应急柴油发电机的稳定可用性，存在直接导致柴油机整机报废的风险，可能引起灾难性事故，严重威胁到核电机组应急电源的安全性和可靠性。
铬基陶瓷复合镀(CKS)是一种镀覆陶瓷微粒至一定含量且分布于铬层中的一种新型层状铬基陶瓷复合镀层，其中层状结构可有效降低镀铬层内应力，提高其结合强度和耐磨性，条状孔隙镶嵌陶瓷颗粒可承受更高的热负荷和机械负荷，多网纹工艺使工件表面形成众多切角微米级的螺状网纹，形成了许多储油沟槽，增强了储油能力，可显著减小油膜中断的几率。然而核电应急柴油发电机由于使用频率较低，大多时候是停机状态，这就导致活塞环表面CKS镀层上非沟槽区域表面在应急启动时无油膜覆盖，造成活塞环/缸套摩擦副的异常磨损。目前，解决活塞环/缸套摩擦副启动时异常磨损的方法是沉积润滑涂层，这种设计虽然能够解决核电应急柴油发电机应急启动时活塞环/缸套摩擦副的问题，但是在核电应急柴油发电机连续满功率运行168h的过程中，仍然需要通过活塞环功能面沟槽的储油保证能力，保证应急柴油发电机可靠运行。
因此，亟需对活塞环表面润滑主体层改进设计，保证应急柴油发电机启动瞬间活塞环/缸套摩擦副的可靠润滑，同时要求润滑主体层不会完全遮盖CKS镀层的沟槽。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种保证核电应急柴油发电机可靠启动的核电应急柴油发电机活塞环及活塞环上润滑层的沉积方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种核电应急柴油发电机活塞环，包括活塞环本体、设置在所述活塞环本体外圈表面上的CKS镀层、设置在所述CKS镀层上的润滑层；所述润滑层的总厚度≤3μm；
所述润滑层包括过渡层以及通过所述过渡层结合在所述CKS镀层上的润滑主体层；所述润滑主体层为非晶碳基层或二硫化钼层。
优选地，所述润滑主体层中掺有亲油性元素。
优选地，所述亲油性元素包括钛和/或钨。
优选地，所述润滑层的硬度小于14GPa。
优选地，所述润滑层通过闭合场非平衡磁控溅射技术沉积形成。
优选地，所述过渡层的厚度为0.2μm～0.4μm。
优选地，所述过渡层为铬、钛和碳的混合层，或者为铬、钛与二硫化钼的混合层。
本发明还提供一种活塞环上润滑层的沉积方法，包括以下步骤：
S1、在带有CKS镀层的活塞环本体上沉积过渡层，所述过渡层形成在所述CKS镀层上；
S2、通过闭合场非平衡磁控溅射技术在所述过渡层上沉积润滑主体层，并使所述过渡层和润滑主体层的总厚度≤3μm；
其中，以石墨靶或二硫化钼靶为靶材，以氩气作为工作气体，在所述过渡层表面沉积润滑主体层，所述润滑主体层为非晶碳基层或二硫化钼层。
优选地，步骤S2中，所述靶材还包括钛靶和/或碳化钨靶，所述润滑主体层为掺钛和/或掺钨的非晶碳基层，或者为掺钛和/或掺钨的二硫化钼层。
优选地，步骤S1之前还包括以下步骤：
S0、除去所述活塞环本体及CKS镀层表面的污渍，利用等离子体轰击清洗以及刻蚀所述CKS镀层表面污染物和氧化层。
本发明的有益效果：在活塞环的CKS镀层上设置润滑层，不仅保证了应急柴油发电机启动瞬间活塞环/缸套摩擦副的可靠润滑，同时小于3微米厚度的润滑层不会完全遮盖CKS镀层的储油沟槽，不影响活塞环功能面的储油能力，保证应急柴油发电机运行过程中活塞环/缸套摩擦副的润滑，提升核电应急柴油发电机组的安全性与稳定性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一些实施例的核电应急柴油发电机活塞环的剖面结构示意图(局部)；
图2是本发明一些实施例的核电应急柴油发电机活塞环的表面结构示意图(局部)；
图3是本发明一些实施例的核电应急柴油发电机活塞环设置润滑层前后的电子显微结构图；
图4是本发明的实施例得到的活塞环与未设置润滑层的活塞环在无油润滑环境下的摩擦系数曲线对比图；
图5是本发明的实施例得到的活塞环与未设置润滑层的活塞环在贫油润滑环境下的摩擦系数曲线对比图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1、2所示，本发明的核电应急柴油发电机活塞环，包括活塞环本体10、设置在活塞环本体10外圈表面上的CKS镀层20、设置在CKS镀层20上的润滑层。
在活塞环本体10上，CKS镀层(铬基陶瓷复合镀层)20在其外圈表面的设置，形成活塞环的功能面。该功能面上具有螺状网纹，形成了活塞环的储油沟槽100，增强活塞环的储油能力。
润滑层覆盖结合在CKS镀层20上，其为具有优异磨合、润滑、抗磨性能的结构层，在活塞环上设置对应提高活塞环功能面的磨合、润滑、抗磨性能。考虑到CKS镀层20上储油沟槽100的深度等方面，润滑层的总厚度≤3μm，以保证润滑层的设置不会将储油沟槽100填充，保证储油沟槽100能具有有效的储油能力。
润滑层的硬度小于14GPa，以保证其在柴油发电机组启动瞬间具有优异的磨合性能。
本发明的活塞环的功能面的电子显微图像如图3所示。图3中，(a)为润滑层设置之前活塞环功能面的示意图，(b)为功能面上设置润滑层之后的示意图。从(a)、(b)对比可知，覆盖润滑层后，活塞环功能面上仍具有储油沟槽，因此仍具有储油能力。
具体地，又如图1、2所示，润滑层包括依次设置在CKS镀层20上的过渡层30和润滑主体层40。过渡层30起到提高结合力的作用，润滑主体层40通过该过渡层30结合在CKS镀层20上。其中，过渡层30的厚度优选为0.2μm～0.4μm。
在一些实施例中，润滑主体层40为非晶碳基层。对应地，处于润滑主体层40和CKS镀层20之间的过渡层30可以是铬、钛和碳的混合层。
在另一些实施例中，润滑主体层40为二硫化钼层。对应地，处于润滑主体层40和CKS镀层20之间的过渡层30可以是铬、钛与二硫化钼的混合层。
进一步地，为了增加润滑层的亲油特性，在润滑主体层40中还可以掺有亲油性元素；亲油性元素包括钛和/或钨等。亲油元素在润滑主体层40中所占质量百分比如下：对于钛可为4-8％，对于钨可为3-5％。通过增加润滑层的亲油特性，不影响活塞环功能面的储油能力，保证应急柴油发电机运行过程中活塞环/缸套摩擦副的润滑，提升核电应急柴油发电机组的安全性与稳定性。
本发明的核电应急柴油发电机活塞环中，过渡层30和润滑主体层40分别通过闭合场非平衡磁控溅射技术沉积形成。
进一步地，本发明的活塞环上润滑层的沉积方法，实现上述核电应急柴油发电机活塞环中润滑层的设置。结合图1-3，本发明的活塞环上润滑层的沉积方法在一些实施例中可包括以下步骤：
S0、预先制备获得具有CKS镀层20的活塞环本体10，CKS镀层20位于活塞环本体10的外圈表面上，作为活塞环的功能面。除去活塞环本体10及CKS镀层20表面的污渍，利用等离子体(如氩离子)轰击清洗以及刻蚀CKS镀层20表面污染物和氧化层。
完成上述清洗之后，还进行活化处理，例如在预定真空和气氛下施加偏压。
S1、在带有CKS镀层20的活塞环本体10上沉积过渡层30，过渡层30形成在CKS镀层20上。
其中，过渡层30通过闭合场非平衡磁控溅射技术沉积在CKS镀层20上。
根据过渡层30的材料选择对应的靶材，铬靶、钛靶、碳靶及二硫化钼靶等，各靶材纯度要求99％以上。
S2、通过闭合场非平衡磁控溅射技术在过渡层30上沉积润滑主体层40，并使过渡层30和润滑主体层40的总厚度≤3μm。
其中，以石墨靶或二硫化钼靶为靶材，以氩气作为工作气体，在过渡层30表面沉积润滑主体层40，润滑主体层40为非晶碳基层或二硫化钼层。
根据需要，其中靶材还包括钛靶和/或碳化钨靶，使得沉积形成的润滑主体层40为掺钛和/或掺钨的非晶碳基层，或者为掺钛和/或掺钨的二硫化钼层。各靶材纯度要求99％以上。
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
涂覆CKS镀层的活塞环本体，硬度HV1000±50。活塞环表面润滑层的总厚度控制在2.2μm～2.4μm，其中过渡层的厚度为0.4μm，润滑主体层为钛掺杂非晶碳层且厚度为1.8μm～2.0μm。
所采用的设备为真空腔体四周依次安装纯度99.9％的石墨靶、纯度99.5％的铬靶、纯度99.9％的石墨靶以及纯度99.5％的钛靶的闭合场非平衡磁控溅射沉积***，溅射靶材的尺寸为400mm×165mm×10mm。
活塞环表面润滑层的沉积方法包括如下步骤：
S1、等离子体轰击清洗与活化
将清洗之后的待镀活塞环本体置于闭合场非平衡磁控溅射沉积***的真空室中，预抽真空至2×10-3Pa以下，通入氩气使真空室内气压为0.6Pa～0.7Pa，施加-1000V的偏压在活塞环本体表面产生等离子体辉光进行表面清洗与活化处理1200秒。
S2、沉积过渡层
利用闭合场非平衡磁控溅射沉积***真空腔体四周安装的石墨靶、铬靶在活塞环本体的CKS镀层表面沉积过渡层：通入氩气使真空室内气压为0.3Pa，对活塞环本体施加偏压为-100V，铬靶的溅射电流4.0A，在CKS镀层表面首先沉积0.2μm的铬层；然后在800秒内逐渐增加石墨靶溅射电流至3.5A(两块同步开启)，逐渐增加钛靶溅射电流至0.5A，同时逐渐减小铬靶溅射电流至0A，沉积0.2μm的金属铬、钛与碳的混合层。
S3、沉积钛掺杂非晶碳层
利用闭合场非平衡磁控溅射沉积***真空腔体四周安装的石墨靶、钛靶沉积钛掺杂非晶碳层：通入氩气使得真空室内的气压为0.2Pa～0.3Pa，对活塞环本体施加-70V的偏压，钛靶溅射电流为0.5A，石墨靶的溅射电流为3.5A(两块同步开启)，在过渡层表面沉积厚度1.8μm～2.0μm的钛掺杂非晶碳层，其中钛掺杂非晶碳层中的钛含量控制在6％～8％之间。最终在活塞环表面获厚度在2.2μm～2.4μm的润滑层(Ti-DLC)。
实施例2
涂覆CKS镀层的活塞环本体，硬度HV1000±50。活塞环表面润滑层总厚度控制在2.6μm～2.8μm，其中过渡层的厚度为0.4μm，润滑主体层为钨掺杂非晶碳层且厚度为2.2μm～2.4μm。
所采用的设备为真空腔体四周依次安装纯度99.9％的石墨靶、纯度99.5％的铬靶、纯度99.9％的石墨靶以及纯度99.5％的碳化钨靶的闭合场非平衡磁控溅射沉积***，溅射靶材的尺寸为400mm×165mm×10mm。
活塞环表面润滑层的沉积方法包括如下步骤：
S1、等离子体轰击清洗与活化
将清洗之后的待镀活塞环本体置于闭合场非平衡磁控溅射沉积***真空室中，预抽真空至2×10-3Pa以下，通入氩气使真空室内气压为0.6Pa～0.7Pa，施加-1000V的偏压在活塞环本体表面产生等离子体辉光进行表面清洗与活化处理1200秒。
S2、沉积过渡层
利用闭合场非平衡磁控溅射沉积***真空腔体四周安装的石墨靶、铬靶在活塞环本体的CKS镀层表面沉积过渡层：通入氩气使真空室内气压为0.3Pa，对活塞环本体施加偏压为-100V，铬靶的溅射电流4.0A，在CKS镀层表面首先沉积0.2μm的铬层；然后在800秒内逐渐增加石墨靶溅射电流至3.5A(两块同步开启)，逐渐增加碳化钨靶溅射电流至0.4A，同时逐渐减小铬靶溅射电流至0A，沉积0.2μm的金属铬、钨与碳的混合层。
S3、沉积钨掺杂非晶碳层
利用闭合场非平衡磁控溅射沉积***真空腔体四周安装的石墨靶、碳化钨靶沉积钨掺杂非晶碳层：通入氩气使真空室内的气压为0.2Pa～0.3Pa，对活塞环本体施加-70V偏压，碳化钨靶溅射电流为0.4A，高纯石墨靶的溅射电流为3.5A(两块同步开启)，在过渡层表面沉积厚度为2.2μm～2.4μm的钨掺杂非晶碳层，其中钨掺杂非晶碳层中的钨含量控制在3％～5％之间。最终在活塞环表面获厚度为2.4μm～2.8μm的润滑层(W-DLC)。
实施例3
涂覆CKS镀层的活塞环本体，硬度HV1000±50。活塞环表面润滑层总厚度控制在1.6μm～1.8μm，其中过渡层的厚度为0.2μm，润滑主体层为钛掺杂二硫化钼层且厚度为1.4μm～1.6μm。
所采用的设备为真空腔体四周依次安装纯度99.8％的二硫化钼靶、纯度99.5％的铬靶、纯度99.8％的二硫化钼靶以及纯度99.8％的钛靶的闭合场非平衡磁控溅射沉积***，溅射靶材的尺寸为400mm×165mm×10mm。
活塞环表面润滑层的沉积方法包括如下步骤：
S1、等离子体轰击清洗与活化
将清洗之后的待镀活塞环本体置于闭合场非平衡磁控溅射沉积***真空室中，预抽真空至2×10-3Pa以下，通入氩气使真空室内气压为0.6Pa～0.7Pa，施加-1000V的偏压在活塞环本体表面产生等离子体辉光进行表面清洗与活化处理1200秒。
S2、沉积过渡层
利用闭合场非平衡磁控溅射沉积***真空腔体四周安装的二硫化钼靶、铬靶以及钛靶在活塞环本体表面沉积过渡层：通入氩气使得真空室内的气压为0.3Pa，对活塞环本体施加偏压为-70V，铬靶的溅射电流4.0A，在活塞环本体表面首先沉积0.1μm的铬层；然后在300秒内逐渐增加二硫化钼靶溅射电流至0.85A(两块同步开启)，逐渐增加钛靶溅射电流至0.3A，同时逐渐减小铬靶溅射电流至0A，对活塞环本体施加-50V偏压，沉积0.1μm的金属铬、钛与二硫化钼的混合层。
S3、沉积钛掺杂二硫化钼层
利用闭合场非平衡磁控溅射沉积***真空腔体四周安装的二硫化钼靶、钛靶沉积钛掺杂二硫化钼层：通入氩气使真空室内的气压为0.2Pa～0.3Pa，对活塞环本体施加-40V偏压，钛靶溅射电流为0.3A，二硫化钼靶的溅射电流为0.85A(两块同步开启)，在过渡层表面沉积厚度1.4μm～1.6μm的钛掺杂二硫化钼层，其中钛掺杂二硫化钼层中的钛含量控制在4％～5％之间。最终在活塞环表面获厚度在1.6μm～1.8μm的润滑层(Ti-MoS2)。
实施例4
涂覆CKS镀层的活塞环本体，硬度HV1000±50。活塞环表面润滑层总厚度控制在1.6μm～1.8μm，其中过渡层的厚度为0.2μm，润滑主体层为钨掺杂二硫化钼层且厚度为1.4μm～1.6μm。
所采用的设备为真空腔体四周依次安装纯度99.8％的二硫化钼靶、纯度99.5％的铬靶、纯度99.8％的二硫化钼靶以及纯度99.8％的碳化钨靶的闭合场非平衡磁控溅射沉积***，溅射靶材的尺寸为400mm×165mm×10mm。
活塞环表面润滑层的沉积方法包括如下步骤：
S1、等离子体轰击清洗与活化
将清洗之后的待镀活塞环本体置于闭合场非平衡磁控溅射沉积***真空室中，预抽真空至2×10-3Pa以下，通入氩气使得真空室内的气压为0.6Pa～0.7Pa，施加-1000V的偏压使活塞环本体表面产生等离子体辉光进行表面清洗与活化处理1200秒。
S2、沉积过渡层
利用闭合场非平衡磁控溅射沉积***真空腔体四周安装的二硫化钼靶、铬靶以及碳化钨靶在活塞环表面沉积过渡层：通入氩气使得真空室内的气压为0.3Pa，对活塞环本体施加-70V偏压，铬靶的溅射电流4.0A，在活塞环本体表面首先沉积0.1μm的铬层；然后在300秒内逐渐增加二硫化钼靶溅射电流至0.85A(两块同步开启)，逐渐增加碳化钨靶溅射电流至0.4A，同时逐渐减小铬靶溅射电流至0A，对活塞环本体施加-50V偏压，沉积0.1μm的铬、碳化钨与二硫化钼的混合层。
S3、沉积钨掺杂二硫化钼层
利用闭合场非平衡磁控溅射沉积***真空腔体四周安装的二硫化钼靶、碳化钨靶沉积钨掺杂二硫化钼层：通入氩气使得真空室内的气压为0.2～0.3Pa，对活塞环本体施加偏压为-40V，碳化钨靶溅射电流为0.4A，二硫化钼靶的溅射电流为0.85A(两块同步开启)，在过渡层表面沉积厚度1.4μm～1.6μm的钨掺杂二硫化钼层，其中钨掺杂二硫化钼层中的钨含量控制在3％～4％之间。最终在活塞环表面获厚度1.6μm～1.8μm的润滑层(W-MoS2)。
上述实施例1-4制备的活塞环表面润滑层表面光亮，结构致密。以未设置润滑层的活塞环(只具有CKS镀层)作为比较例，与实施例1-4具有润滑层的活塞环的润滑层的厚度、硬度以及摩擦系数测试结果如下表1所示。
表1
注：润滑层的厚度采用球坑法测试；润滑层的硬度按照GB/T 25898-2010测试。
摩擦系数测试采用活塞环与缸套的接触模式进行测试，其中缸套为硼铸铁。无油润滑环境下的摩擦系数测试，条件为：载荷100N，实验冲程2mm，频率30Hz，测试时间60min，测试温度25℃。贫油润滑环境下的摩擦系数测试，条件为：测试前滴加0.1ml润滑油，载荷300N，实验冲程2mm，频率30Hz，测试时间120min，测试温度170℃。
上述以只具有CKS镀层的活塞环作为比较例，比较例和实施例1-4具有润滑层的活塞环在无油润滑和贫油润滑环境下随时间变化的摩擦系数的曲线图分别如图4、5所示。
从图4中对比可知，在无油润滑环境下，比较例的活塞环的摩擦系数较于实施例1-4的摩擦系数高，且随着时间的增加，比较例的活塞环的摩擦系数增大且始终维持在较高的范围。实施例1-4的摩擦系数远较于比较例的低，且随着时间的增加，摩擦系数基本稳定，维持在较低的范围。
从图5中对比可知，在贫油润滑环境下，比较例的活塞环的摩擦系数较于实施例1-4的摩擦系数高，且随着时间的增加，比较例的活塞环的摩擦系数变化较大，基本处于上升形势。而实施例1-4的摩擦系数较于比较例的低，且随着时间的增加，摩擦系数基本稳定，维持在较低的范围。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种核电应急柴油发电机活塞环，其特征在于，包括活塞环本体、设置在所述活塞环本体外圈表面上的CKS镀层、设置在所述CKS镀层上的润滑层；所述润滑层的总厚度≤3μm；
所述润滑层包括过渡层以及通过所述过渡层结合在所述CKS镀层上的润滑主体层；所述润滑主体层为非晶碳基层或二硫化钼层。
2.根据权利要求1所述的核电应急柴油发电机活塞环，其特征在于，所述润滑主体层中掺有亲油性元素。
3.根据权利要求2所述的核电应急柴油发电机活塞环，其特征在于，所述亲油性元素包括钛和/或钨。
4.根据权利要求1所述的核电应急柴油发电机活塞环，其特征在于，所述润滑层的硬度小于14 GPa。
5.根据权利要求1所述的核电应急柴油发电机活塞环，其特征在于，所述润滑层通过闭合场非平衡磁控溅射技术沉积形成。
6.根据权利要求1所述的核电应急柴油发电机活塞环，其特征在于，所述过渡层的厚度为0.2μm～0.4μm。
7.根据权利要求1所述的核电应急柴油发电机活塞环，其特征在于，所述过渡层为铬、钛和碳的混合层，或者为铬、钛与二硫化钼的混合层。
8.一种活塞环上润滑层的沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在带有CKS镀层的活塞环本体上沉积过渡层，所述过渡层形成在所述CKS镀层上；
S2、通过闭合场非平衡磁控溅射技术在所述过渡层上沉积润滑主体层，并使所述过渡层和润滑主体层的总厚度≤3μm；
其中，以石墨靶或二硫化钼靶为靶材，以氩气作为工作气体，在所述过渡层表面沉积润滑主体层，所述润滑主体层为非晶碳基层或二硫化钼层。
9.根据权利要求8所述的活塞环上润滑层的沉积方法，其特征在于，步骤S2中，所述靶材还包括钛靶和/或碳化钨靶，所述润滑主体层为掺钛和/或掺钨的非晶碳基层，或者为掺钛和/或掺钨的二硫化钼层。
10.根据权利要求8所述的活塞环上润滑层的沉积方法，其特征在于，步骤S1之前还包括以下步骤：
S0、除去所述活塞环本体及CKS镀层表面的污渍，利用等离子体轰击清洗以及刻蚀所述CKS镀层表面污染物和氧化层。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210197190.5A CN114540751A (zh) | 2022-03-01 | 2022-03-01 | 核电应急柴油发电机活塞环及活塞环上润滑主体层的沉积方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210197190.5A CN114540751A (zh) | 2022-03-01 | 2022-03-01 | 核电应急柴油发电机活塞环及活塞环上润滑主体层的沉积方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114540751A true CN114540751A (zh) | 2022-05-27 |
Family
ID=81662062
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210197190.5A Pending CN114540751A (zh) | 2022-03-01 | 2022-03-01 | 核电应急柴油发电机活塞环及活塞环上润滑主体层的沉积方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114540751A (zh) |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101235761A (zh) * | 2008-02-20 | 2008-08-06 | 江苏爱吉斯海珠机械有限公司 | 远洋船舶发动机气缸套及其气缸套材质 |
| US20100095837A1 (en) * | 2006-10-30 | 2010-04-22 | Suman Andrew W | Abradable Dry Film Lubricant and the Method for Applying Same and Article Made Therefrom |
| CN101746101A (zh) * | 2009-12-23 | 2010-06-23 | 山东大学 | 软硬复合涂层刀具及其制备方法 |
| CN102039552A (zh) * | 2009-10-09 | 2011-05-04 | 韦星野 | 活塞环外表面平台网纹珩磨技术 |
| CN103089479A (zh) * | 2013-01-21 | 2013-05-08 | 南京理工大学 | 带有硬软复合涂层与织构化表面的耐磨活塞环及制备方法 |
| CN103195605A (zh) * | 2012-01-05 | 2013-07-10 | 仪征双环活塞环有限公司 | 具有固体润滑涂层的活塞环 |
| CN203756974U (zh) * | 2014-02-21 | 2014-08-06 | 四川金星压缩机制造有限公司 | 复合涂层活塞杆 |
| CN104002516A (zh) * | 2014-06-10 | 2014-08-27 | 上海理工大学 | 一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/MoS2多层涂层及其制备方法 |
| CN107740051A (zh) * | 2017-10-09 | 2018-02-27 | 江苏大学 | 一种带有织构化涂层表面的基体及制备方法 |
| CN211975191U (zh) * | 2020-10-28 | 2020-11-20 | 谭海朝 | 一种网纹活塞 |
-
2022
- 2022-03-01 CN CN202210197190.5A patent/CN114540751A/zh active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100095837A1 (en) * | 2006-10-30 | 2010-04-22 | Suman Andrew W | Abradable Dry Film Lubricant and the Method for Applying Same and Article Made Therefrom |
| CN101235761A (zh) * | 2008-02-20 | 2008-08-06 | 江苏爱吉斯海珠机械有限公司 | 远洋船舶发动机气缸套及其气缸套材质 |
| CN102039552A (zh) * | 2009-10-09 | 2011-05-04 | 韦星野 | 活塞环外表面平台网纹珩磨技术 |
| CN101746101A (zh) * | 2009-12-23 | 2010-06-23 | 山东大学 | 软硬复合涂层刀具及其制备方法 |
| CN103195605A (zh) * | 2012-01-05 | 2013-07-10 | 仪征双环活塞环有限公司 | 具有固体润滑涂层的活塞环 |
| CN103089479A (zh) * | 2013-01-21 | 2013-05-08 | 南京理工大学 | 带有硬软复合涂层与织构化表面的耐磨活塞环及制备方法 |
| CN203756974U (zh) * | 2014-02-21 | 2014-08-06 | 四川金星压缩机制造有限公司 | 复合涂层活塞杆 |
| CN104002516A (zh) * | 2014-06-10 | 2014-08-27 | 上海理工大学 | 一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/MoS2多层涂层及其制备方法 |
| CN107740051A (zh) * | 2017-10-09 | 2018-02-27 | 江苏大学 | 一种带有织构化涂层表面的基体及制备方法 |
| CN211975191U (zh) * | 2020-10-28 | 2020-11-20 | 谭海朝 | 一种网纹活塞 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2520245C2 (ru) | Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, имеющий покрытие, и способ получения скользящего элемента | |
| US4666318A (en) | Self-lubricating bearings | |
| EP0496503A1 (en) | Curable dry film lubricant for titanium alloys | |
| EP2907889A1 (en) | A multilayer multi-element composite hard PVD coating on the surface of a piston ring, a piston ring and a preparation process | |
| JPH01279119A (ja) | 機械部材 | |
| CN105839061B (zh) | γ-TiAl合金表面的NiCoCrAlY/ZrO2复合涂层及制备方法 | |
| CN109477575B (zh) | 用于内燃机的滑动元件 | |
| JPH09100882A (ja) | 被覆遊星歯車軸受及びその製造方法 | |
| CN107699859B (zh) | 轴瓦用全金属自润滑减摩涂层及其制备方法 | |
| CN113621912B (zh) | 一种梯度自润滑复合涂层及其制备方法 | |
| CN105793625B (zh) | 活塞环 | |
| Zhang et al. | Effect of TiN/Ti composite coating and shot peening on fretting fatigue behavior of TC17 alloy at 350 C | |
| CN114540751A (zh) | 核电应急柴油发电机活塞环及活塞环上润滑主体层的沉积方法 | |
| Li et al. | Fabrication and service of all-ceramic ball bearings for extreme conditions applications | |
| CN111621759A (zh) | 一种降低运动部件摩擦系数的固液复合润滑体系 | |
| CN109722637B (zh) | 润滑涂层及其制备方法 | |
| CN107035564A (zh) | 滑动元件 | |
| JP2739722B2 (ja) | ピストンリング | |
| CN108401546B (zh) | 氧化铬-氧化铝/镍铬双层结构耐磨复合涂层及其制备方法 | |
| Zhang et al. | Effect of Y2O3 content on the microstructure and wear performance of plasma-sprayed Cr2O3–Y2O3 composite coatings | |
| JP5132281B2 (ja) | 摺動部材 | |
| Cao et al. | A review of surface treatments for sliding bearings used at different temperature | |
| CN113667943B (zh) | 钛合金表面制备Ti/TiN复合涂层的方法及复合涂层 | |
| Cao et al. | Preparation of a Self‐Lubricating Cu/h‐BN Coating on Cemented Carbide | |
| Liu et al. | Oxidation, Mechanical and Tribological Behaviors of the Ni/cBN Abrasive Coating-Coated Titanium Alloys |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |