CN113551034B - 一种双过渡层类金刚石涂层活塞环 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，包括活塞环基体、过渡层与碳涂层；过渡层包括相互结合的铬涂层与钛涂层；碳涂层包括至少一组相互结合的软质碳涂层与硬质碳涂层，活塞环由内而外方向上的软质碳涂层的硬度递增，活塞环由内而外方向上的硬质碳涂层的硬度递增；本申请所述的活塞环采用铬－钛的复合涂层作为过渡层，有效改善涂层整体的硬度梯度，进而提升了碳涂层与过渡层之间的结合效果以及过渡层与活塞环基体之间的结合效果，缓解高温环境涂层剥落的问题。采用硬质碳涂层与软质碳涂层交替设置的复合结构，从而通过软质碳涂层吸收硬质碳涂层释放的部分应力，能够改善碳涂层内部应力释放不均导致的涂层崩脱问题。
Description
技术领域
本发明属于活塞环技术领域，具体涉及一种双过渡层类金刚石涂层活塞环。
背景技术
活塞环是用于嵌入活塞槽沟内部的金属环，活塞环分为两种：压缩环和机油环，压缩环可用来密封燃烧室内的可燃混合气体；机油环则用来刮除汽缸上多余的机油，活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹性环，它被装配到剖面与其相应的环形槽内，往复和旋转运动的活塞环，依靠气体或液体的压力差，在环外圆面和气缸以及环和环槽的一个侧面之间形成密封；
为了降低活塞环的摩擦损耗，最常用的方法是在活塞环的摩擦面上设置低摩擦系数的涂层，其中类金刚石涂层能够满足活塞环的低摩擦需要，目前存在的类金刚石涂层活塞环的涂层结构多为：基体－过渡层－碳涂层，其中，过渡层多为铬(Cr)层或钛(Ti)层等单一过渡层，这类单一过渡层与碳涂层及基体间的结合性不佳，容易出现涂层在高温下掉膜的现象，同时，碳涂层内部由于应力释放不均，易造成膜层崩脱，为了解决上述问题，本发明提供了以下技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，解决以下技术问题：
1、现有技术中活塞环表面涂层的过渡层多为单一过渡层，这类过渡层与碳涂层以及基体的结合性较差，在使用时容易出现高温条件下掉膜的情况，影响活塞环的有效使用周期；
2、现有技术中，活塞环表面的碳涂层由于应力释放不均匀，在使用过程中，碳涂层容易出现膜层崩脱的情况，导致表面涂层无法起到良好的降低摩擦损耗的效果。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，包括活塞环基体与结合在活塞环基体上的过渡层，还包括结合在过渡层表面的碳涂层；
过渡层包括相互结合的铬涂层与钛涂层；
碳涂层包括至少一组相互结合的软质碳涂层与硬质碳涂层，其中软质碳涂层的硬度为1300～1700HV，硬质碳涂层的硬度为1800～3000HV。
作为本发明的进一步方案，当碳涂层中包含多组软质碳涂层与硬质碳涂层时，活塞环由内而外方向上的软质碳涂层的硬度递增，活塞环由内而外方向上的硬质碳涂层的硬度递增；
作为本发明的进一步方案，碳涂层的总厚度为5～35μm；
铬涂层厚度与碳涂层的总厚度对应关系近似：ycr≈0.01xc+0.15；
钛涂层厚度与碳涂层的总厚度对应关系近似：yTi≈0.018xc+0.20；
其中碳涂层厚度表示为xc、铬涂层厚度表示为ycr、钛涂层厚度表示为yTi；
作为本发明的进一步方案，铬涂层与活塞环基体相结合，碳涂层中的硬质碳涂层与钛涂层相结合；
作为本发明的进一步方案，其中铬涂层的厚度为100～500nm，钛涂层的厚度300～800nm。
作为本发明的进一步方案，活塞环基体采用钢或铸铁制备而成。
作为本发明的进一步方案，该活塞环的制备方法包括如下步骤：
第一步，对活塞环基体进行粗糙化处理，并进行脱脂清洗和碳氢清洗处理；
第二步，将处理后的活塞环基体装夹、擦拭后装炉；
第三步，将第二步中处理过的活塞环基体加入真空涂层设备中，密封后抽真空至设定真空度，预热后对活塞环基体进行离子清洗，停止加热后静置冷却至90-100℃；
第四步，进行铬靶打底后再进行钛靶打底，然后再进行硬质碳涂层与软质碳涂层的交替镀膜；
第五步，第四步中碳涂层完成后，降温、卸压后得到完成镀膜的活塞环。
作为本发明的进一步方案，第三步中预热的条件为：温度120℃，预热时间为20min。
作为本发明的进一步方案，第四步中铬靶打底的条件为1～2h，110～130℃，钛靶打底的条件为1.5～3h，110～130℃。
作为本发明的进一步方案，第四步中在进行硬质碳涂层与软质碳涂层的镀膜时，硬质碳涂层在成型后冷却至90～110℃再进行软质碳涂层的镀膜，软质碳涂层在成型后冷却至90～110℃再进行硬质碳涂层的镀膜。
本发明的有益效果：
(1)本申请所述的活塞环采用铬－钛的复合涂层作为过渡层，从而有效改善涂层整体的硬度梯度，进而提升了碳涂层与过渡层之间的结合效果以及过渡层与活塞环基体之间的结合效果，缓解高温环境涂层剥落的问题。
(2)本申请中的碳涂层采用硬质碳涂层与软质碳涂层交替设置的复合结构，且多层硬质碳涂层由内而外硬度递增，多层软质碳涂层由内而外硬度递减，从而通过软质碳涂层吸收硬质碳涂层释放的部分应力，从而改善碳涂层内部应力释放不均导致的涂层崩脱问题，提升了碳涂层的有效使用时间。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明所述的双过渡层类金刚石涂层活塞环的局部剖视图；
图2为实施例1中碳涂层样品放大50倍后的示意图；
图3为实施例2中活塞环的过渡层与碳涂层的电镜图；
图4为实施例2中DLC涂层的SEM结构谱图；
图5为实施例2中双过渡层的热稳定测试结果图；
图6为对比例1中活塞环的过渡层与碳涂层的电镜图；
图7为对比例1中DLC涂层的SEM结构谱图；
图8为对比例1中双过渡层的热稳定测试结果图；
图9为对比例2中活塞环的过渡层与碳涂层的电镜图；
图10为对比例2中DLC涂层的SEM结构谱图；
图11为对比例2中双过渡层的热稳定测试结果图。
图中：1、活塞环基体；2、铬涂层；3、钛涂层；4、碳涂层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，包括活塞环基体1与结合在活塞环基体1上的过渡层，还包括结合在过渡层表面的碳涂层4；
活塞基体1采用钢或者铸铁制成，具体要求可根据活塞环的使用场景进行合理改变，过渡层包括相互结合的铬涂层2与钛涂层3，其中铬涂层2的厚度为100～500nm，钛涂层3的厚度300～800nm；
碳涂层4包括至少一组相互结合的软质碳涂层与硬质碳涂层，其中软质碳涂层的硬度为1300～1700HV，硬质碳涂层的硬度为1800～3000HV。
其中铬涂层2与活塞环基体1相结合，碳涂层4中的硬质碳涂层与钛涂层3相结合，碳涂层4的总厚度为5～35μm；
铬涂层2厚度与碳涂层4的厚度对应关系近似：ycr≈0.01xc+0.15；
钛涂层3厚度与碳涂层4的厚度对应关系近似：yTi≈0.018xc+0.20；
其中碳涂层4厚度表示为xc、铬涂层2厚度表示为ycr、钛涂层3厚度表示为yTi；
这种双过渡层能够改善涂层整体的硬度梯度，从而提高碳涂层4与过渡层及活塞环基体1间的结合强度，而碳涂层4采用软质碳涂层与硬质碳涂层交替的结构，软质碳涂层可吸收硬质碳涂层释放的部分应力，能够改善碳涂层4内部应力释放不均导致的涂层崩脱问题；
当碳涂层4中包含多组软质碳涂层与硬质碳涂层时，活塞环由内而外方向上的软质碳涂层的硬度递增，活塞环由内而外方向上的硬质碳涂层的硬度递增；
上述活塞环的制备方法包括如下步骤：
第一步，对活塞环基体1进行粗糙化处理，并进行脱脂清洗和碳氢清洗处理；
第二步，将处理后的活塞环基体1装夹、擦拭后装炉；
第三步，将第二步中处理过的活塞环基体1加入真空涂层设备中，密封后抽真空至设定真空度，预热后对活塞环基体1进行离子清洗，停止加热后静置0.5h至温度为90-100℃；
其中预热时间为20min，预热温度为120℃；
第四步，进行铬靶打底后再进行钛靶打底，铬靶打靶的条件为1～2h，110～130℃，钛靶打靶的条件为1.5～3h，110～130℃，然后再进行硬质碳涂层与软质碳涂层的交替镀膜，在进行硬质碳涂层与软质碳涂层的镀膜时，硬质碳涂层在成型后冷却至90～110℃后再进行软质碳涂层的镀膜，软质碳涂层在成型后冷却至90～110℃以下再进行硬质碳涂层的镀膜。
第五步，第四步中碳涂层4完成后，降温、卸压后得到完成镀膜的活塞环。
实施例1
在本申请的一个具体实施例中，碳涂层4中包含有十组相互结合的软质碳涂层与硬质碳涂层，其中硬质碳涂层沿活塞环由内而外方向上的硬度分别为1800、1920、2040、2160、2280、2400、2520、2640、2760、2880；其中软质碳涂层沿活塞环由内而外方向上的硬度分别为1300、1350、1400、1450、1500、1550、1600、1650、1700；
对上述成型的碳涂层进行球磨测试，测试结果见图2；
球磨测试的条件为：以1～2微米粗细的金刚石粉末研磨剂对涂层进行10min研磨，再以0.25～0.5微米粗细的金刚石粉末研磨剂研磨20min，研磨角度：与水平线成45°～60°。
实施例2
一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，包括活塞环基体1与结合在活塞环基体1上的过渡层，还包括结合在过渡层表面的碳涂层4；
过渡层包括相互结合的铬涂层2与钛涂层3，其中铬涂层2的厚度为150nm，钛涂层3的厚度350nm；
碳涂层4的分布与实施例1中相同
其中铬涂层2与活塞环基体1相结合，碳涂层4中的硬质碳涂层与钛涂层3相结合，碳涂层4的总厚度为8μm；
对成型的活塞环进行测试：
成型活塞环的过渡层与碳涂层4的电镜图如图3所示；
成型活塞环的DLC涂层的SEM结构谱图，如图4所示；
对成型活塞环的涂层热稳定性进行测试(测试条件为300℃下烘烤2h)，其测试图如图5所示，高温处理后的涂层没有出现明显的剥落现象；
对成型活塞环的涂层结合力进行测试(划痕仪的金刚石针头对其涂层表面逐渐施加载荷进行滑动，直至涂层崩落，对应载荷即为涂层最大结合力)，结果为：59N。
对比例1
一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，包括活塞环基体1与结合在活塞环基体1上的过渡层，还包括结合在过渡层表面的碳涂层4；
过渡层为铬涂层2，其中铬涂层2的厚度为500nm；
碳涂层4的分布与实施例1中相同
碳涂层4中的硬质碳涂层与铬涂层2相结合，碳涂层4的总厚度为8μm；
对成型的活塞环进行测试：
成型活塞环的过渡层与碳涂层的电镜图如图6所示；
成型活塞环的DLC涂层的SEM结构谱图，如图7所示；
对成型活塞环的涂层热稳定性进行测试(测试条件为300℃下烘烤2h)，其测试结果如图8所示，涂层出现轻微崩脱落；
对成型活塞环的涂层结合力进行测试(划痕仪的金刚石针头对其涂层表面逐渐施加载荷进行滑动，直至涂层崩落，对应载荷即为涂层最大结合力)，结果为：48N。
对比例2
一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，包括活塞环基体1与结合在活塞环基体1上的过渡层，还包括结合在过渡层表面的碳涂层4；
过渡层为钛涂层3，其中钛涂层3的厚度为500nm；
碳涂层4的分布与实施例1中相同
碳涂层4中的硬质碳涂层与钛涂层3相结合，碳涂层3的总厚度为8μm；
对成型的活塞环进行测试：
成型活塞环的过渡层与碳涂层4的电镜图如图9所示；
成型活塞环的DLC涂层的SEM结构谱图，如图10所示；
对成型活塞环的涂层热稳定性进行测试(测试条件为300℃下烘烤2h)，其测试结果如图11所示，涂层出现轻微崩脱落；
对成型活塞环的涂层结合力进行测试(划痕仪的金刚石针头对其涂层表面逐渐施加载荷进行滑动，直至涂层崩落，对应载荷即为涂层最大结合力)，结果为：41N。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，包括活塞环基体(1)与结合在活塞环基体(1)上的过渡层，还包括结合在过渡层表面的碳涂层(4)，其特征在于：
过渡层包括相互结合的铬涂层(2)与钛涂层(3)；
碳涂层(4)中包含多组软质碳涂层与硬质碳涂层，碳涂层(4)采用硬质碳涂层与软质碳涂层交替设置的复合结构，活塞环由内而外方向上的软质碳涂层的硬度递增，活塞环由内而外方向上的硬质碳涂层的硬度递增，其中软质碳涂层的硬度为1300～1700HV，硬质碳涂层的硬度为1800～3000HV；
铬涂层(2)与活塞环基体(1)相结合，碳涂层(4)中的硬质碳涂层与钛涂层(3)相结合。
2.根据权利要求1所述的一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，其特征在于，碳涂层(4)的总厚度为5～35μm；
铬涂层(2)厚度与碳涂层(4)的厚度对应关系近似：ycr ≈0.01xc+0.15；
钛涂层(3)厚度与碳涂层(4)的厚度对应关系近似：yTi ≈0.018xc+0.20；
其中碳涂层(4)厚度表示为xc、铬涂层(2)厚度表示为ycr、钛涂层(3)厚度表示为yTi。
3.根据权利要求1所述的一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，其特征在于，其中铬涂层(2)的厚度为100～500nm，钛涂层(3)的厚度300～800nm。
4.根据权利要求1所述的一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，其特征在于，活塞环基体(1)采用钢或铸铁制备而成。
5.根据权利要求1所述的一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，其特征在于，该活塞环的制备方法包括如下步骤：
第一步，对活塞环基体(1)进行粗糙化处理，并进行脱脂清洗和碳氢清洗处理；
第二步，将处理后的活塞环基体(1)装夹、擦拭后装炉；
第三步，将第二步中处理过的活塞环基体(1)加入真空涂层设备中，密封后抽真空至设定真空度，预热后对活塞环基体(1)进行离子清洗，停止加热后静置冷却至90-100℃；
第四步，进行铬靶打底后再进行钛靶打底，然后再进行硬质碳涂层与软质碳涂层的交替镀膜；
第五步，第四步中碳涂层(4)完成后，降温、卸压后得到完成镀膜的活塞环。
6.根据权利要求5所述的一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，其特征在于，第三步中预热的条件为：温度120℃，预热时间为20min。
7.根据权利要求5所述的一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，其特征在于，第四步中铬靶打底的条件为1～2h，110～130℃，钛靶打底的条件为1.5～3h，110～130℃。
8.根据权利要求5所述的一种双过渡层类金刚石涂层活塞环，其特征在于，第四步中在进行硬质碳涂层与软质碳涂层的镀膜时，硬质碳涂层在成型后冷却至90～110℃再进行软质碳涂层的镀膜，软质碳涂层在成型后冷却至90～110℃再进行硬质碳涂层的镀膜。
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