[发明专利]一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞及制备方法

说明书

本发明公开了一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞及制备方法，在清洗、预热后的活塞表面喷涂镍包石墨粉末，然后在活塞的裙部进行光刻加工，随后进行微电解加工，去除光刻胶后，得到带有凹坑状织构化镍包石墨涂层的活塞，最后对活塞的裙部进行二硫化钼微粒子喷丸处理，得到带有复合织构化掺杂涂层的活塞。本发明将涂层、织构和微粒子喷丸技术结合，微粒子喷丸所得的喷丸粗糙结构与凹坑状织构协同提高活塞裙部的润滑油存储性能和减摩抗磨性能；微粒子喷丸所得的涂层表层中二硫化钼掺杂与涂层中的石墨协同提高活塞裙部的自润滑性能。本发明较传统活塞改善了活塞裙部润滑膜的承载能力，提高了乏油情况下发动机活塞裙部自润滑的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞及制备方法，可应用于各类内燃机活塞，能有效的改善活塞的工作稳定性和耐久性。

背景技术

内燃机在启动瞬态或高温极端工作环境下，润滑油膜不易形成或容易被破坏，传统的润滑方式难以满足内燃机活塞在特殊工况下摩擦副表面的润滑要求。相比润滑油和润滑脂而言，在表面制造固体润滑涂层因具有使用温度范围宽、承载能力强、耐腐蚀等优势，是解决乏油和极端工况下实现活塞可靠润滑的有效途径之一。

活塞运动时，活塞裙部-缸套摩擦副具有最大的接触面积，承受活塞工作过程中的侧压力及摩擦力，合理设计活塞裙部可改善活塞的性能，减少内燃机的摩擦损耗。具有一定规则结构和排列的粗糙结构的表面，称为织构化表面。摩擦学研究发现，按一定规律排列粗糙结构的非光滑表面较光滑表面显示了更好的耐磨性能和减黏附性能。这是因为在摩擦副表面加工凹坑织构后，表面凹坑形貌会减小连续接触面积，具有一定的减阻和润滑作用，凹坑中存在的气泡和润滑油共同作用提高了承载能力，降低了摩擦力。

据相关研究表明，两种或两种以上的固体润滑剂混合使用会起到协同效果，一般认为是由于两种固体润滑剂对金属表面及周围气氛的活性不同，可以相互补充。采用几种或多种不同性质的固体润滑剂的组合，如石墨与CaCl₂、MoS₂与PbO的混合，可改善其最终润滑效果。

微粒子喷丸处理是用微米级颗粒, 以超过100m/s的高速对被处理材料进行的喷射处理。微粒子喷丸处理能有效地提高疲劳强度，常被使用在齿轮及弹簧等零件上。微粒子喷丸由于速度快，会产生瞬时高温，其温度可达到溶化金属结晶程度的温度，因此可以使表面细晶化，也可形成融附、掺杂；微粒子撞击表面后表面会形成非常细小的凹坑，可储存润滑油，提高润滑性能。

发明内容

一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞，其特征在于：在活塞的表面制备镍包石墨涂层，得到带有镍包石墨涂层的活塞，在带有镍包石墨涂层的活塞的裙部表面加工凹坑状织构，得到带有凹坑状织构化镍包石墨涂层的活塞，对带有凹坑状织构化镍包石墨涂层的活塞的裙部进行二硫化钼微粒子喷丸，得到带有复合织构化掺杂涂层的活塞；所述镍包石墨涂层是由镍包石墨粉末喷涂在活塞表面形成，分为预涂层和工作涂层；所述凹坑状织构是在镍包石墨涂层表面进行光刻加工和微电解加工，形成规则排布的凹坑状织构；所述复合织构是由凹坑状织构与喷丸粗糙结构复合而成，以减小摩擦接触面积、增强储油性能和自润滑性能；所述喷丸粗糙结构是采用微粒子喷丸的方法将不同粒径混合的二硫化钼颗粒以高速度喷射在镍包石墨涂层表面，一部分撞击在镍包石墨涂层表面，脱落后形成凹坑喷丸粗糙结构，另一部分粘附在镍包石墨涂层表面形成凸起喷丸粗糙结构；所述掺杂涂层是在微粒子喷丸过程中，一部分二硫化钼颗粒撞入镍包石墨涂层表层中形成掺杂，与镍包石墨涂层中的石墨协同增强高温下自润滑的稳定性。所述预涂层厚度为0.1~0.2mm，工作涂层厚度为0.8~1.5mm；所述凹坑状织构直径为200~250μm，深度为8~10μm，凹坑状织构覆盖面积为活塞裙部面积的10~24%；所述喷丸粗糙结构直径为0.25~9μm，深度或高度为3~5μm；所述不同粒径混合的二硫化钼颗粒是由粒径为10~18μm的大二硫化钼颗粒和粒径为0.5~1.3μm的小二硫化钼颗粒组成。

一种带有复合织构化掺杂涂层的活塞的制备方法，其特征在于：制备方法包括如下步骤：