[发明专利]活塞环表面铝铬氮复合涂层及其工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及在塞环表面涂覆复合涂层及其工艺方法，特别是在钢质或铸铁活活塞环表面沉积铝铬氮复合涂层及其工艺方法。

背景技术

活塞环是内燃机中的极其重要零件之一，其工作状况复杂、维修时拆卸极不方便以及将面临更恶劣的使用条件。通过大量的失效活塞环研究分析，发现大多数活塞环的失效都是由于活塞环的过度磨损破坏而导致的。为提高活塞环的寿命及可靠性能，对活塞环表面进行处理，以提高硬度、耐磨损，耐高温及表面材料的附着力等特性。活塞环表面材料及其处理技术目前主要有电镀Cr、氮化处理、热喷涂陶瓷和气相沉积TiN涂层、CrN涂层或复合涂层等多种，在制备技术和表层材料性能方面仍有许多不足之处。在活塞环高硬度、热稳定性好、摩擦系数低、表面材料附着力等综合性能方面仍需提高。本发明涉及活塞环表面复合涂层方面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种活塞环表面铝铬氮复合涂层及其工艺方法，即用真空多弧离子镀方法在活塞环表面沉积纯Al过渡层和含有Al颗粒质点的AlCrN耐磨复合涂层，使其具有附着力强，高硬度，低摩擦系数，低涂层内应力，耐高温，克服现有技术的不足，从而提活塞环的使用寿命。

本发明的技术方案是活塞环表面铝铬氮复合涂层及其工艺方法，铝铬氮复合涂层由两层构成，即底层为约2μm的Al过渡层，表层为20-30μm的含有10vt.％左右Al粒子的AlCrN耐磨复合涂层，硬度为2100-2600HV，摩擦系数为0.14-0.22，呈深灰色。

活塞环表面铝铬氮复合涂层的工艺方法采用真空多弧离子镀气相沉积工艺，多弧离子镀膜机中至少有2个纯Al靶和2个纯Cr靶，纯Al靶含Al量为99.99％，纯Cr靶含Cr量为99.8％，按下列工艺步骤，在钢质或铸铁活塞环表面沉积铝铬氮复合涂层：

①将活塞环用溶剂去污除油，并经超声波清洗干净，干燥后装入真空多弧离子镀膜机中，抽真空至1.3×10^-3Pa，再加热至450-500℃，保温40min；

②向真空多弧离子镀膜机中通入99.99％的Ar气，在900V-1200V电压下，Ar离子轰击20min左右；

③将Ar气压力降至2-3Pa，引燃Cr靶电弧，在900V-1200V电压下，对活塞环表面进行Cr离子和Ar离子混合等离子轰击10min左右；

④关闭Ar气和Cr靶电弧，引燃Al靶电弧，在150-200V偏压下，沉积纯Al过渡层，20min；

⑤向真空多弧离子镀膜机通入N₂至0.8-3.5Pa，引燃Cr靶和Al靶电弧，Cr靶电弧电流为80-100A，一个Al靶电弧电流为70-80A，其余Al靶电弧电流为40-50A，在400V-500V偏压下沉积AlCrN耐磨涂层。

⑥随炉冷却至100℃以下出炉。

本发明的优点是：

(1)涂层具有好的综合性能：纯Al作为过渡层与活塞环本体及AlCrN涂层有优良的相容性，可使涂层与活塞环结合牢固，并且纯Al的塑性好，作过渡层和以细小颗粒状分布在AlCrN涂层中，可降低AlCrN涂层的内应力和摩擦系数，同时涂层又具有高的硬度和耐热性。

(2)本发明的工艺方法采用真空多弧离子镀工艺，Cr靶和Al靶为常见的金属材料，加工容易，成本低廉，同时对环境无污染。

具体实施方式

本发明结合具体实施例进一步说明如下：

实施例1：铬钼铜铸铁活塞环表面铝铬氮复合涂层及其工艺方法：

①将活塞环用溶剂去除油污，并经超声波清洗干净，干燥后用专用夹具装入六个弧靶(3个Al靶和3个Cr靶构成对靶)的真空多弧离子镀膜机中，抽真空至1.3×10^-3Pa，再加热至500℃，保温40min；

②通入99.99％的Ar气，在1200V偏压下，Ar离子轰击20min左右；

③将Ar气压力降至2-3Pa，引燃Cr靶电弧，在1200V偏压下，对活塞环表面进行Cr离子和Ar离子混合等离子轰击10min左右；

④关闭Ar气和Cr靶电弧，引燃Al靶电弧，电流50A，在150V偏压下，沉积纯Al过渡层，20min；

⑤通入N₂至0.8-3.5Pa，引燃Cr靶和Al靶电弧，Cr靶电弧电流为100A，一个Al靶电弧电流为80A，其余两个Al靶电弧电流均为50A，在450V偏压下沉积AlCrN耐磨涂层，2小时；

⑥随炉冷却至100℃以下出炉