[发明专利]一种用于铝合金活塞顶面Cr/CrNx类隔热膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于铝合金活塞顶面Cr/CrN_x类隔热膜及其制备方法。所述Cr/CrN_x类隔热膜由附着铝合金活塞顶面上的纯金属Cr层以及均匀包覆在纯金属Cr层上的CrN_x层组成。其制备方法为：首先将清洁干燥的铝合金活塞置于磁过滤阴极真空弧沉积系统中，打开磁过滤钛电源弧，以纯金属Cr靶为阴极，沉积纯金属Cr层；得到顶面带有纯金属Cr层的铝合金活塞；然后以纯金属Cr靶为阴极，以氮气为工作气体，调节氮气通气量，在步骤一所得顶面带有纯金属Cr层的铝合金活塞的纯金属Cr层上生成CrN_X层。本发明所得产品的强度、耐磨性能、隔热性能均优于现有产品，能够满足现代发动机高功率、低排放的要求；便于大规模产业化应用。

技术领域

本发明涉及一种用于铝合金活塞顶面Cr/CrN_x类隔热膜及其制备方法，具体说是采用磁过滤阴极真空弧(FCVA)法在活塞顶部获得氮化铬类薄膜，属材料表面工程领域——活塞表面处理技术。

背景技术

活塞作为发动机传递能量的主要构件，是评价发动机质量、效用及寿命的重要标准，其质量好坏直接影响到发动机的使用性、经济性及寿命，因此对其材料具有特殊的要求：热膨胀系数小、密度小、热传导性好、耐蚀性、耐磨性等。铝合金材料具有低密度、高强度且易加工，可最大限度地回收和利用的优点，是国内外普遍使用的活塞材料。活塞顶面作为活塞的重要部分，其服役环境更加恶劣。一方面，活塞顶部承受交变的机械负荷和热冲击，从而导致活塞顶部的主要失效形式是热裂；另一方面活塞顶部承受高温燃气的周期性加热作用，燃气的最高瞬时温度一般可高达1600～1800℃，燃气平均温度也高达600～800℃左右，活塞的机械性能显著下降，甚至因为与高温燃气的直接接触发生烧蚀。除了改善活塞基体材料，以提高活塞整体性能之外，还有一个有效途径就是通过各种表面强化方式，提高活塞局部的抗高温氧化性能、耐腐蚀性能、耐磨性等。

随着汽车发动机向高速化、大功率的方向发展及国家环保排放标准的提高，内燃机活塞的性能要求也相应提高，传统的表面处理手段如电镀、微弧氧化等已不能满足发展要求，新型环保型的表面改性技术应运而生。真空电弧离子镀是一种理想的薄膜制备技术，沉积速率高、膜层附着力好、膜层致密、沉积温度低、可镀材料广泛、绕射线好、无污染等特点，是离化率最高的离子镀形式。磁过滤阴极弧等离子体沉积技术就是在真空阴极弧离子镀的基础之上，在弧源和真空腔体之间装备宏观离子磁过滤器，几乎可以完全过滤掉阴极弧放电产生的中性及大颗粒，使等离子体重仅存在具有高能量的等离子。

氮化铬类薄膜缺陷少同时它晶粒结构细小、结合力强、化学稳定性高、抗热扰动、耐磨性优异，在高温下表面会形成一层具有保护性的Cr₂O₃膜,更易厚膜化而且在体系中可以达到极高的沉积速率，工艺容易控制且比较成熟。虽然氮化铬薄膜已经应用到材料表面工程领域，但于活塞顶面部位的应用是没有的。

发明内容

为了应对铝合金活塞顶部服役的恶劣环境和克服上述现有技术的不足，本发明公开一种用于铝合金活塞顶面Cr/CrN_X类隔热膜及其制备方法，方法简单、工艺稳定。薄膜致密性高，缺陷少、结合力强，以此减少因恶劣服役环境铝合金活塞发生的失效行为。

本发明一种用于铝合金活塞顶面Cr/CrN_x类隔热膜，所述Cr/CrN_x类隔热膜由附着铝合金活塞顶面上的纯金属Cr层以及均匀包覆在纯金属Cr层上的CrN_x层组成。

本发明一种用于铝合金活塞顶面Cr/CrN_x类隔热膜，

所述CrN_x层由i层N氮含量不同的Cr-N层组成，所述i大于等于2；

或

所述CrN_x层由N含量为9-67wt％的单层Cr-N构成。