具有优异磨合性能和低摩擦系数的活塞环镀层及制备方法

摘要

本发明公开了一种具有优异磨合性能和低摩擦系数的活塞环镀层及制备方法，从内到外依次包括过渡层、硬度为1500～3500HV的硬DLC层和硬度为500～1500HV的软DLC层。采用FCVA设备通过调节偏压制备得到不同硬度的DLC层。本发明在DLC镀层的镀后抛光及珩磨时会更加方便，降低了操作难度以及加工成本，且在发动机中可以起到较好的磨合作用，保证了发动机性能稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及活塞环涂层及制备，具体涉及一种具有优异磨合性能和低摩擦系数的活塞环镀层及制备方法。

背景技术

随着环保法规越来越严格，对汽车尾气排放标准也越来越高，这无疑对汽车发动机零部件(活塞环、挺柱、活塞销)的耐磨减摩技术提出了新的挑战。近几年DLC镀层在汽车零部件领域的应用越来越广泛，一方面因为DLC镀层具有高硬度(≥1500HV)高耐磨性，能保证发动机生命周期内性能稳定，另一方面还因为DLC镀层具有极低的摩擦系数(干摩擦系数≤0.1)，相对于其它表面强化镀层能降低发动机工作中摩擦功损失，有效提高发动机燃油经济性。

目前在发动机零部件领域，为了保证产品的耐磨性，通常采用PVD或PACVD等方式在产品工作面沉积硬度HV1500-3000的DLC镀层并进行必要的加工，如活塞环在沉积DLC镀层后再通过使用外圆抛光、珩磨等方式达到产品粗糙度要求后并形成成品。一方面，由于DLC镀层硬度高，在加工过程中(抛光、珩磨)存在着较大加工难度；另外一个方面，即使达到了产品工作面粗糙度要求，但在活塞环使用的初期过程中，都不可避免的需要进行磨合；同样由于活塞环DLC镀层硬度比较高，其在发动机的磨合过程中，相对于其他材质的镀层需要更长的时间，甚至出现磨合期机油耗高、漏气量大的风险。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种适用更加苛刻工况且具有优异磨合性能和低摩擦系数的活塞环镀层及制备方法，解决现有DLC镀层后续加工难，与发动机磨合期长，油耗高，漏气量大的问题。

技术方案：本发明所述的具有优异磨合性能和低摩擦系数的活塞环镀层，其特征在于，从内到外依次包括过渡层、硬度为1500～3500HV的硬DLC层和硬度为500～1500HV的软DLC层。

优选的是，所述软DLC层的厚度为1～10μm。

所述过渡层为一层或多层金属或金属化合物层。

所述DLC为均匀致密的无定形非晶四面体类金刚石。

所述活塞环的镀层的干摩擦系数为小于0.1。

本发明所述的具有优异磨合性能和低摩擦系数的活塞环镀层的制备方法，制备过程在FCVA中进行，包括以下步骤：

(1)在活塞环外圆表面制备过渡层；

(2)调节FCVA设备的偏压电源，在过渡层上制备硬度为1500～3500HV的第一层DLC层和在第一层DLC层制备硬度为500～1500HV的第二层DLC层。

有益效果：本发明在硬度高的DLC层上沉积了一定厚度的硬度低的DLC膜层，且具备优良的结合力。由于外层硬度低，使得在珩磨抛光时更加容易，且膜层的粗糙度更低，可以达到更好的耐磨和减磨效果。非常适用于条件苛刻的工况，本发明在DLC镀层的镀后抛光及珩磨时会更加方便，降低了操作难度以及加工成本，且在发动机中可以起到较好的磨合作用，保证了发动机性能稳定。在某15L柴油发动机的台架测试中，相较于普通DLC，其平均预磨合时间可以降低1～2h，漏气量由225L/min降低至180L/min以下。

附图说明

图1是本发明制备得到的DLC镀层结构示意图；

图2是本发明制备DLC镀层表面SEM图片；

图3是压痕试验测试本发明结合力的试验结果；

图4是弯曲试验测试本发明结合强度的试验结果，左图为弯曲前，右图为弯曲后。

图5是测试本发明耐高温性的试验结果，左图为高温前，右图为高温后。

图6是DLC镀层珩磨时间对比图；

图7是DLC镀层粗糙度对比图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

本发明公开的具有优异磨合性能和低摩擦系数的活塞环镀层，如图1所示，从内到外依次包括过渡层、硬度为1500～3500HV的第一层DLC层和硬度为500～1500HV的第二层DLC层，软DLC层的厚度为1～10μm，过渡层为一层或多层金属或金属化合物层，DLC为均匀致密的无定形非晶四面体类金刚石，活塞环镀层的干摩擦系数为小于0.1，具有优异的附着力，DLC层均为无氢DLC层。

采用FCVA设备，设备弯管的过滤作用可得得到100％离化的带电碳离子，从而可以获得更加致密均匀的高质量DLC膜层；由于得到的碳离子完全离化，通过调节偏压可以对碳离子施加不同的能量，故可以在产品表面沉积得到不同硬度的DLC膜层；

制备本发明的镀层时，首先在活塞环镀一层或多层金属或金属化合物层，作为DLC层与活塞环之间的过渡层，作用是用来提高镀层和基底以及镀层与DLC之间的结合力、耐热性能，然后通过调节偏压电源的数值，在活塞环产品表面制备了硬度为1500～3500HV的第一层DCL层，同样调节偏压电源的数值在硬DLC层上制备硬度为500～1500HV的第二层DLC层，从而得到了一种内硬外软的高质量DLC膜层，第一层DLC层硬度较于第二层要稍高一些，保证了镀层的耐磨性、减摩性，第二层DLC层由于硬度较低，在DLC镀层的镀后抛光及珩磨时会更加方便，且可大大缩短发动机预磨合周期。

对本明的镀层采用性能测试，具体如下：

DLC镀层压痕附着力强度测试：

1)试验条件：采用洛氏硬度计对抽取的四个试样进行压痕附着力测试，测试载荷为-150kg。通过评价压痕周围膜层的是否剥离以及剥离程度进行评价。

2)试验标准：如下压痕附着力强度测试标准，标准借鉴于德国工业协会VDI-3198标准，根据压痕周边区域膜层剥离的程度，判定HF 1～HF 3为合格标准；HF 4～HF 6为不合格标准。

3)试验结果：本发明的活塞环镀层压痕附着力测试强度，测试结果如图3所示，根据测试结果判定附着力等级为HF 1。

DLC镀层弯曲附着力强度测试：

1)试验条件及标准：采用自制的扭曲结合力测试仪器；沿着环高方向异向弯曲≥90°，判定镀层是否剥离、脱落，若有膜层剥离、脱落问题则判定为不合格，若无剥离、脱落则判定合格；

2)试验结果：本发明的活塞环镀层弯曲附着力测试强度，测试结果如图4所示，从测试结果来看，膜层弯曲≥90°，镀层未剥离。

DLC镀层热稳定性测试：

1)试验条件及标准：采用马弗炉测试镀层的热稳定性性，测试时将产品置于马弗炉内，加热至350℃，恒温两小时，观察产品镀层是否剥离、脱落，若有膜层剥离、脱落则判定为不合格，若无剥离、脱落则判定合格；

2)试验结果：本发明的活塞环镀层热稳定性测试，测试结果如图5所示，从测试结果来看，高温后活塞环镀层未发生剥离、脱落问题。

珩磨测试：

1)试验条件及标准：采用半自动珩磨机，珩磨液选用的是粒径为6um的金刚石珩磨液。

2)试验结果如图6所示，从图6可以看出：普通DLC镀层珩磨时间约为20～30min，而本发明中的DLC镀层可以将珩磨时间缩短至6.5～8min，大大提高了珩磨效率。

粗糙度测试：

1)试验条件及标准：采用日本三丰(Mitutoyo)SJ-410型号表面粗糙度仪器，参照标准JIS2001。测试行程0.8mm，取两段；测量速度0.5mm/s。

2)试验结果如图7所示，从图7可以看出：普通DLC镀层珩磨后的粗糙度Rz约为1.6～1.8，而本发明制备得到的DLC镀层珩磨后的粗糙度Rz可以降低至0.9～0.95，说明本发明制备得到的DLC镀层更加光滑，能够起到更好的减摩、耐磨效果。