本发明涉及发动机配件相关技术领域，尤其涉及一种气门座圈及其制备方法。
背景技术：
气门座圈是气缸盖或气缸体的进、排气道与气门锥面相结合的部位，其有相应的锥面。气门座圈是靠其内锥面与气门锥面的紧密贴合实现气缸密封的。
随着发动机功率和爆发压力的不断提高，气门座圈的工作条件更加恶劣，需要在满足高温环境下承受更大的冲击、磨损以及可燃气体燃烧后产生的冲蚀、氧化作用。鉴于此，发动机的不断发展对气门座圈的耐高温、耐磨损与抗氧化等特性提出了更高的要求。
目前，普遍采用铸铁或粉末冶金工艺制备气门座圈，其通过在基体中加入固溶强化的元素或加入硬质相粒子来提高气门座圈的性能。采用上述方法相对简单，但是加入较多的合金元素，成本较高，且在高温下导热性差，摩擦系数高，容易发生粘着磨损，同时气门的冲击力较大，导致气门座圈易出现冲击磨损。
授权公布号为CN20300898U的中国专利公开了一种气门座圈，其中间具有通气孔，通气孔的孔壁表面涂覆耐磨粘结层DLC涂层，该方案得到了一种摩擦磨损系数较小、不易高温烧结和减少积碳的气门座圈。但是该专利对气门座圈的疲劳寿命提高的仍有限。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题在于提供一种气门座圈与制备方法，本申请提供的气门座圈综合性能较好，具体的，本申请提供的气门座圈具有高硬度、高热稳定性和低的导热系数与摩擦系数，可显著提高气门座圈的疲劳寿命。
有鉴于此，本申请提供了一种气门座圈，包括：气门座圈基体、复合于所述气门座圈基体表面的铬过渡层与复合于所述铬过渡层表面的Al2O3镀层。
优选的，所述铬过渡层的厚度为10～20μm，所述Al2O3镀层的厚度为5～20μm。
优选的，所述铬过渡层的厚度为15～20μm，所述Al2O3镀层的厚度为8～15μm。
本申请还提供了一种气门座圈的制备方法，包括以下步骤：
A)，将气门座圈基体的表面进行预处理；
B)，采用电子束蒸发的方法，在步骤A)得到的气门座圈基体的表面镀铬层；
C)，采用磁控溅射的方法，在步骤B)得到的气门座圈的镀铬层表面沉积Al2O3镀层；
D)，将步骤C)得到的气门座圈进行退火处理。
优选的，所述预处理的过程具体为：
将气门座圈基体在水中加热清洗，再在丙酮溶液中超声清洗，然后在无水乙醇中超声清洗。
优选的，所述电子束蒸发的过程中，真空度为3×10-4Pa～5×10-4Pa，电压为8～10kv，电子束流为100～150mA，所述电子束蒸发的时间为2～4h。
优选的，所述磁控溅射的过程中，真空室的压强为0.1～5Pa，电压为2～5kV，电子束流为300～500mA，所述磁控溅射的时间为60～120min，靶心距为60～100mm，所述磁控溅射的靶材为铝靶，所述磁控溅射的气氛为氧气。
优选的，所述退火处理的温度为600～800℃，所述退火处理的时间为1～2h，所述退火处理的保护气氛为氩气。
优选的，所述镀铬层采用的原料为纯度99.99％的铬粉。
优选的，所述气门座圈基体的材质为铸铁。
本申请提供了一种气门座圈，其是在气门座圈基体表面依次复合有铬过渡层与Al2O3镀层。本申请采用铬作为过渡层，可以提高Al2O3镀层与基体之间的结合力，且铬属于一种硬质相粒子，同样可以提高基体的强度和硬度；Al2O3镀层是一种以Al2O3为主体的陶瓷镀层，具有优良的耐热、耐磨、润滑性、抗氧化性能及高温强度和硬度，且Al2O3镀层具有较低的导热系数，良好的隔热性对于发动机的隔热、提高发动机的热效率是有利的；同时随着温度的变化，Al2O3的膨胀系数不容易发生突变，进一步保证了气门座圈的热稳定性。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种气门座圈，其包括：气门座圈基体、复合于所述气门座圈基体的铬过渡层与复合于所述铬过渡层表面的Al2O3镀层。
本申请提供了一种新型的气门座圈，其由依次设置了的气门座圈基体、铬过渡层与Al2O3镀层组成。本申请通过采用铬作为过渡层，可以提高Al2O3镀层与基体之间的结合力，再在所述过渡层表面复合Al2O3镀层，可使气门座圈具有良好的耐热、耐磨、润滑性、抗氧化性、高温强度与高温硬度，保证了发动机气门运行的稳定性。
本发明中，所述铬过渡层的厚度优选为10～20μm，更优选为15～20μm，所述Al2O3镀层的厚度优选为5～20μm，更优选为8～15μm；所述Al2O3镀层的厚度太薄对气门座圈的耐磨性改善作用不显著，镀层厚度太厚容易造成镀膜与基体之间结合力弱。
本发明所述气门座圈由于在膜层与基体之间形成了原子混合的过渡层与伪扩散层，从而有利于改善镀膜的结合力。
本申请还提供了一种气门座圈的制备方法，包括以下步骤：
A)，将气门座圈基体的表面进行预处理；
B)，采用电子束蒸发的方法，在步骤A)得到的气门座圈基体的表面镀铬层；
C)，采用磁控溅射的方法，在步骤B)得到的气门座圈的镀铬层表面沉积Al2O3镀层；
D)，将步骤C)得到的气门座圈进行退火处理。
本申请在制备气门座圈的过程中，通过采用电子束蒸发与磁控溅射结合的方式依次在气门座圈基体表面沉积铬过渡层与Al2O3镀层，最终使气门座圈具有高强度、高热稳定性和低的导热系数和摩擦系数，显著提高了气门座圈的疲劳寿命与发动机的可靠性。
按照本发明，首先对气门座圈进行预处理，所述预处理为本领域技术人员熟知的技术手段，此处不进行特别的限制，示例的，所述预处理的过程具体为：
将气门座圈基体在水中加热清洗，再在丙酮溶液中超声清洗，然后在无水乙醇中超声清洗。
在上述过程中，通过将气门座圈基体进行表面清洗，保证了气门座圈表面光洁，提高了镀膜的结合力。所述在丙酮溶液中超声清洗的时间优选为10～20min，在无水乙醇中超声清洗的时间优选为10～20min。本申请对所述气门座圈基体的材质没有特别的限制，为本领域技术人员熟知的材质，示例的，所述气门座圈基体的材质为铸铁。
本申请然后将表面清洗后的气门座圈采用电子束蒸发的方法在其表面沉积铬过渡层。所述电子束蒸发为本领域技术人员熟知的技术手段，此处不进行特别的限制。在电子束蒸发的过程中，参数的设置是十分重要的，其会影响铬过渡层的性能。所述电子束蒸发的过程中，真空度优选为3×10-4Pa～5×10-4Pa，更优选为3.5×10-4Pa～4.5×10-4Pa，电压优选为8～10kv，更优选为8.5～9.5kv，电子束流优选为100～150mA，更优选为120～140mA，所述电子束蒸发的时间优选为2～4h。本申请所述铬过渡层采用的原料为纯度为99.99％的铬粉，铬属于一种硬质相粒子，同样可以提高基体的强度和硬度。
按照本发明，然后进行Al2O3镀层的制备；所述Al2O3镀层的制备采用磁控溅射的方法进行，所述磁控溅射的靶材为铝靶，所述磁控溅射的气氛为氧气。磁控溅射是在普通的溅射中增加了一个磁场，磁场一方面可以增加靶材附近区域更多的粒子发生电离，另一方面可以约束电离后的粒子按照一定的轨迹运动。磁控溅射镀膜具有沉积温度低、沉积速率较高、沉积薄膜光滑、致密、均匀，结合力好，薄膜质量较高的优点。本申请采用磁控溅射技术，提高了涂层的沉积速率，使得在磁场的作用下在基体表面沉积尽可能厚的铬-Al2O3复合镀层；采用磁控溅射技术，细化了晶粒，解决了离子镀大颗粒的问题，使得物质之间的结合力大幅提高，镀层更加牢固。本申请所述磁控溅射为本领域技术人员熟知的技术手段，此处不进行特别的说明。在制备Al2O3镀层过程中，将气门座圈放入磁控溅射设备的工装中，抽真空，将基体预热，利用电场的作用，使基体表面活化，再进行镀膜。
所述磁控溅射的过程中，真空室的压强优选为0.1～5Pa，更优选为1～3Pa；电压优选为2～5kV，更优选为3～4kv；电子束流优选为300～500mA，更优选为350mA～450mA；所述磁控溅射的时间优选为60～120min，更优选为90～110min；所述靶心距优选为60～100mm，更优选为80～90mm。在磁控溅射过程中，电子束流、电压、时间、靶心距均会对镀膜的厚度有影响；镀膜的电子束流、电压越大，溅射需要的时间越短，靶心距越短需要的时间也越短，但是靶心距不能太小，否则容易造成镀膜不均匀。
本申请最后将气门座圈进行退火处理，以提高镀膜与基体的结合力，所述退火处理的温度优选为600～800℃，更优选为650～750℃，所述退火处理的时间为1～2h，所述退火处理的保护气氛优选为氩气。所述退火的温度和时间可以确保镀膜的结合力强弱。
本发明提供了一种气门座圈及其制备方法，在制备气门座圈的过程中，本申请依次通过电子束蒸发与磁控溅射的方法获得了铬过渡层与Al2O3涂层的复合镀层，其中铬作为硬质相粒子、Al2O3陶瓷具有优良的耐热、耐磨、润滑性、抗氧化性能及高温强度和硬度，使气门座圈具有上述性质，且镀层具有较低的导热系数，对气门座圈的冲击磨损和粘着磨损起到良好的改善作用。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的气门座圈及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
步骤1：首先选用去离子水加热清洗气门座圈，然后在丙酮溶液中超声波清洗10min，再采用无水乙醇在超声波中清洗10min，洗净的气门座圈放入干燥箱中备用；
步骤2：采用电子束蒸发的方法，在步骤1得到的气门座圈表面镀Cr层；镀膜时真空度为5×10-4Pa，镀膜料为纯度99.99％的Cr粉，工作参数为高压8～8.5kv、电子束流100～120mA、时间2小时；
步骤3：将步骤2制备的气门座圈采用磁控溅射的方法，靶材选用Al靶，通入氧气，在座圈表面镀Al2O3涂层；镀膜时真空室内的压强达到为0.1～1Pa，电压3kv、电子束流300mA，对步骤2得到的气门座圈表面进行活化；在制备工艺中沉积60min，靶心距为100mm；
步骤4：在真空管式炉中对步骤3得到的气门座圈进行退火，退火温度600℃，保温时间1h，保护气氛为氩气。
将制备的气门座圈进行测试，表面硬度可以达到1000HV1，硬度较高，可以起到支撑抗冲击的作用；采用扫描电镜对其镀层的厚度进行分析，表面镀层的厚度大约8μm，过渡层的厚度20μm；用显微维氏硬度计对硬度梯度进行分析，过渡层和表面镀层的梯度变化不明显。采用金钢石划针测试薄膜的附着强度，发现镀层和基体的结合强度很高，临界载荷30N，说明采用该工艺获得的镀层的结合强度较高。采用摩擦磨损试验机对气门座圈表面的铬+Al2O3陶瓷镀层进行试验评估，采用感应淬火的气门和上述工艺制备的座圈配合进行摩擦磨损试验，试验次数为100万次，试验结果表明，相同试验条件下，本申请制备的气门座圈的磨损量为20μm，而普通座圈(粉末冶金制备的气门座圈)的磨损量为100μm，由此说明，本发明制备的气门座圈具有较好的耐磨性与润滑性。
实施例2
步骤1：首先选用去离子水加热清洗气门座圈，然后在丙酮溶液中超声波清洗10min，再采用无水乙醇在超声波中清洗10min，洗净的气门座圈放入干燥箱中备用；
步骤2：采用电子束蒸发的方法，在步骤1得到的气门座圈表面镀Cr层；镀膜时真空度为4×10-4Pa，镀膜料为纯度99.99％的Cr粉，工作参数为高压8～9kv、电子束流100～120mA、时间2h；
步骤3：将步骤2制备的气门座圈采用磁控溅射的方法，靶材选用Al靶，通入氧气，在座圈表面镀Al2O3涂层；镀膜时真空室内的压强达到为0.1～3Pa，电压2kv、电子束流500mA，对步骤2得到的气门座圈表面进行活化；在制备工艺中沉积90min，靶心距80mm；
步骤4：在真空管式炉中对步骤3得到的气门座圈进行退火，退火温度750℃，保温时间2h，保护气氛为氩气。
将制备的气门座圈进行测试，表面硬度可以达到1150HV1，硬度较高，可以起到支撑抗冲击的作用；采用扫描电镜对其镀层的厚度进行分析，表面镀层的厚度大约15μm，过渡层的厚度20μm；用显微维氏硬度计对硬度梯度进行分析，过渡层和表面镀层的梯度变化不明显。采用金钢石划针测试薄膜的附着强度，发现镀层和基体的结合强度很高，临界载荷50N，说明采用该工艺获得的镀层的结合强度较高。采用摩擦磨损试验机对气门座圈表面的铬+Al2O3陶瓷镀层进行试验评估，采用感应淬火的气门和上述工艺制备的座圈配合进行摩擦磨损试验，试验次数为100万次，试验结果表明，相同试验条件下，本申请制备的气门座圈的磨损量为10μm，而普通座圈(粉末冶金制备的气门座圈)的磨损量为100μm，由此说明，本发明制备的气门座圈具有较好的耐磨性与润滑性。
实施例3
步骤1：首先选用去离子水加热清洗气门座圈，然后在丙酮溶液中超声波清洗10min，再采用无水乙醇在超声波中清洗10min，洗净的气门座圈放入干燥箱中备用；
步骤2：采用电子束蒸发的方法，在步骤1得到的气门座圈表面镀Cr层；镀膜时真空度为3.5×10-4Pa，镀膜料为纯度99.99％的Cr粉；工作参数为高压8～8.5kv、电子束流100mA、时间8h；
步骤3：将步骤2制备的气门座圈采用磁控溅射的方法，靶材选用Al靶，通入氧气，在座圈表面镀Al2O3涂层，镀膜时真空室内的压强达到为0.1～3Pa，电压2kv、电子束流400mA，对步骤2得到的气门座圈表面进行活化；在制备工艺中沉积120min，靶心距80mm；
步骤4：在真空管式炉中对步骤3得到的气门座圈进行退火，退火温度800℃，保温时间1.5h，保护气氛为氩气。
将制备的气门座圈进行测试，表面硬度可以达到1100HV1，硬度较高，可以起到支撑抗冲击的作用；采用扫描电镜对其镀层的厚度进行分析，表面镀层的厚度大约10μm，过渡层的厚度20μm；用显微维氏硬度计对硬度梯度进行分析，过渡层和表面镀层的梯度变化不明显。采用金钢石划针测试薄膜的附着强度，发现镀层和基体的结合强度很高，临界载荷35N，说明采用该工艺获得的镀层的结合强度较高。采用摩擦磨损试验机对气门座圈表面的铬+Al2O3陶瓷镀层进行试验评估，采用感应淬火的气门和上述工艺制备的座圈配合进行摩擦磨损试验，试验次数为100万次，试验结果表明，相同试验条件下，采用镀层的气门座圈的磨损量为25μm，而普通座圈(粉末冶金制备的气门座圈)的磨损量为100μm，由此说明，本发明制备的气门座圈具有较好的耐磨性与润滑性。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。