专利名称：活塞环表面铝铬氮复合涂层及其工艺方法
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2 μ m的Al过渡层，表层为20-30 μ m的含有IOvt. %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 X 10_3Pa，再加热至450-500°C，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IOmin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°C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。
具体实施例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 X 10_3Pa， 再加热至500°C，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IOmin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°C以下出炉得到的深灰色AlCrN复合涂层，厚度约23 μ m,经微观分析，涂层中分布平均粒度 为0. 9 μ m的Al颗粒(约IOvt. % )，摩擦系数测定值为0. 17，硬度为2400HV。实施例2 :60Si2Mn钢质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，3个Cr靶)的真空多弧离子镀膜机中，抽真空至1.3 X10_3Pa，再加热至 450°C，保温 40min ；②通入99. 99%的Ar气，在1000V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1000V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IOmin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1. 5-3. 5Pa，引燃Cr靶和Al靶电弧，Cr靶电弧电流为80A，一个Al革巴 电弧电流为70A，两个Al靶电弧电流为40A，在400V偏压下沉积AlCrN耐磨涂层，3小时。⑥随炉冷却至100°C以下出炉。得到约28 μ m的深灰色AlCrN复合涂层，经微观分析，涂层中分布平均粒度为0.6μπι的Al颗粒(约8vt% )， 摩擦系数测定值为0.21，硬度为2200HV。
权利要求
活塞环表面铝铬氮复合涂层，其特征在于复合涂层有两层构成，底层约2μm的纯Al过渡层，表层为AlCrN耐磨涂层，并在其中分布10vt.％左右的纯Al颗粒质点。
2.根据权利要求1所述的活塞环表面铝铬氮复合涂层，其特征在于表层为AlCrN耐磨 涂层，厚度为10-30 μ m,并在其中分布纯Al颗粒质点，颗粒的平均粒度小于1 μ m。
3.根据权利要求1所述的活塞环表面铝铬氮复合涂层，其特征在于表层AlCrN耐磨涂 层呈深灰色，硬度达2100-2600HV，摩擦系数为0. 14-0. 22。
4.根据权利要求1所述的活塞环表面铝铬氮复合涂层的工艺方法，其特征在于是采用 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，构成 对靶，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-节3，再加热至450-5001，保温40111土11 ；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IOmin左右；④关闭Ar气和Cr靶电弧，引燃Al靶电弧，弧靶电流40-50A，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1.5-3. 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70A，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°C以下出炉。
全文摘要
本发明是活塞环表面铝铬氮复合涂层及其工艺方法。采用真空多弧离子镀气相沉积法，在钢质或铸铁活塞环表面沉积AlCrN复合涂层，该复合涂层由两层构成，底层约2μm的纯Al过渡层，表层为AlCrN耐磨涂层，并在其中均匀分布10vt.％左右的纯Al颗粒质点，耐磨涂层厚度为10-30μm。该复合涂层与活塞环结合牢固，硬度高，摩擦系数低，耐高温，成本低，无环境污染。
文档编号C23C14/22GK101818321SQ201010136750
公开日2010年9月1日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者严茂源, 曾明, 蹇毅, 魏晓伟, 魏稔峻 申请人:西华大学