一种发动机活塞复合减摩涂层的制作方法

本发明涉及一种发动机活塞复合减摩涂层。

背景技术：

随着汽车工业的飞速发展，能源与环保问题越来越突出，节能减排成为汽车工业发展和竞争的最重要的课题。据研究，对于汽油发动机来讲，其机械磨损占整个能量的约17%，而活塞约占机械磨损的18%，因此，降低活塞机械磨损对节能减排至关重要。据研究，降低活塞机械磨损8%，可以降低燃油消耗约0.6%，实现发动机节能减排。

技术实现要素：

为降低活塞的摩擦磨损，降低燃油消耗，提高发动机热效率，本发明提出一种活塞复合减摩涂层。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种发动机活塞复合减摩涂层，其特征在于：该复合减摩涂层由底层和面层两层构成，底层为石墨涂层、底层的厚度约10～20微米，面层为二硫化钼涂层、面层的厚度约5～10微米。

对上述技术方案进一步地限定，所述底层厚度是面层厚度的2倍。优点：在保证面层能承受很大载荷的情况下，有利于底层降低摩擦磨损，从而使底层不受载荷的影响。

有益效果：1.由石墨涂层和二硫化钼涂层构成的复合减摩涂层具有以下优点：复合减摩涂层的摩擦系数小，有利于降低摩擦磨损，在发动机活塞上应用可降低活塞与发动机缸套或缸体之间的摩擦磨损，从而实现降低发动机燃油消耗，有利于节能减排，也是发动机节能减排技术发展路线之一；2.底层和面层的数值范围是降低摩擦系数的最优值；3.对复合减摩涂层的摩擦性能进行研究表明，其摩擦系数相对于单一的石墨涂层或二硫化钼涂层在同等条件下可降低10～20%，同时对活塞及其配对的摩擦副发动机缸套的磨损也相对有所降低，从而可延长活塞的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2是图1的左视图。

图3是图2的剖视图。

图4是图3中A的局部放大图。

图5是复合减摩涂层与现有技术涂层对比的数据表。

图6是复合减摩涂层、石墨涂层及二硫化钼涂层的磨损量(体积)比较图。

图7是复合减摩涂层与石墨涂层或二硫化钼涂层的摩擦机理比较图。

图中：1是活塞基体，2是复合减摩涂层，201是石墨涂层，202是二硫化钼涂层。

具体实施方式

一种发动机活塞复合减摩涂层，一种发动机活塞复合减摩涂层，该复合减摩涂层由底层和面层两层构成，底层为石墨涂层、底层的厚度约10～20微米，面层为二硫化钼涂层、面层的厚度约5～10微米。

该复合减摩涂层用于活塞裙部区域，也可以用于活塞环岸区域。下面例举复合减摩涂层在活塞裙部区域的应用：如图1、图2、图3和图4所示，包括活塞基体1，在活塞基体1的裙部外周面上涂覆有复合减摩涂层2，复合减摩涂层2由底层201和面层202组成，底层201为石墨涂层、底层201的厚度约10微米，面层202为二硫化钼涂层、面层202的厚度约5微米；所述底层厚度是面层厚度的2倍，在保证面层能承受很大载荷的情况下，有利于底层降低摩擦磨损，从而使底层不受载荷的影响。

本发明的特点是：因复合减摩涂层的摩擦系数较小，涂有利于降低摩擦磨损，在发动机活塞上应用可降低活塞与发动机缸套或缸体之间的摩擦磨损，从而实现降低发动机燃油消耗，有利于节能减排，也是发动机节能减排技术发展路线之一。

摩擦系数说明：在影响表面涂层摩擦特性的众多因素中，涂层与基体的硬度搭配关系是比较重要的，涂层一般可分为软、硬涂层两种：1）二硫化钼涂层为软涂层，软涂层主要用于要求降低摩擦系数、减小摩擦力的场合。因为摩擦力可近似材料剪切强度与接触面积之积。软涂层在与对摩件发生摩擦并受到一定的压应力时，虽然它与对摩件的接触面积较之硬涂层要大一些，但其材料剪切强度比硬涂层要小得多，因此使用软涂层可以起到降低摩擦力的效果。2）石墨涂层为硬涂层，硬涂层则应用于摩擦环境比较恶劣、零件表面须承受很大载荷的工况中。硬涂层由于材料剪切强度很大，即使在其表面上受到一定的摩擦力，涂层表面上的材料也不容易从其表面上剥落下来，因此使用硬涂层可以降低零件表面的磨损。3）从涂层发展趋势来讲，新涂层的开发已朝着软硬搭配的方向发展。

摩擦性能测试条件说明：1）采用德国OPTIMOL油脂公司生产的SRV-IV微动摩擦磨损试验机测试表面处理的活塞/缸套的摩擦性能。活塞表面涂覆不同涂层，研究对比不同涂层的摩擦性能及其摩擦机理。2）试验机往复摩擦运动的频率为30 Hz，试验冲程为2 mm。摩擦测试的起始负荷为10 N，进行5 min磨合后，将载荷增加到20 N并保持恒定，摩擦测试时间为30 min。摩擦中使用的润滑油为中石化长城润滑油公司CF-4 15W/40柴油机油，每次摩擦测试前在擦表面滴加0.5 ml润滑油。工作温度为120℃。配磨材料为BCu缸套材料。

本发明活塞复合减摩涂层与现有技术涂层对比的数据表，摩擦系数对比如图5所示；从机理上论述活塞复合减摩涂层的摩擦系数更小的原因。

复合减摩涂层、石墨涂层及二硫化钼涂层的磨损量(体积)比较：有润滑油条件下，如图6所示。

从摩擦机理来看：复合减摩涂层的摩擦机理为磨粒磨损，单一二硫化钼涂层的摩擦机理为磨粒磨损和轻微粘着磨损，单一石墨涂层的摩擦机理为粘着磨损和磨粒磨损。

复合减摩涂层与石墨涂层或二硫化钼涂层的摩擦机理比较：如图7所示，1）涂覆在活塞基体上的单一涂层（石墨涂层或二硫化钼涂层）经过短时间运转后，单一涂层（石墨涂层或二硫化钼涂层）仍然与发动机缸套或缸体产生磨损；2）因二硫化钼涂层的厚度只有石墨涂层的二分之一，加快了二硫化钼涂层磨损速度；二硫化钼涂层经过短时间磨损后，二硫化钼磨有规律地分布在石墨涂层上，分散的二硫化钼与石墨涂层结合后实现活塞裙部平滑化，使得活塞与缸孔之间达到流体润滑的效果，实现提高活塞的减摩、耐磨性能。

复合减摩涂层涂覆工艺流程1：活塞喷淋清洗除油——超声波清洗除油——喷淋清洗除油——水洗——水洗——水洗——热纯水喷淋清洗——烘干——冷却——活塞裙部丝网印刷底层——底层表面干燥——活塞裙部丝网印刷面层——固化——冷却。

复合减摩涂层涂覆工艺流程2：活塞喷淋清洗除油——超声波清洗除油——喷淋清洗除油——水洗——水洗——水洗——热纯水喷淋清洗——烘干——冷却——活塞裙部丝网印刷底层——底层固化——活塞裙部丝网印刷面层——面层固化——冷却。

喷淋清洗除油：采用碱性清洗剂，清洗剂浓度为3～6g/l，温度为55～65℃，清洗时间为15～60s。喷淋清洗作业方式是将活塞放置在工位上，含清洗剂的溶液通过高压泵泵入并高速喷淋到活塞表面，实现对活塞的除油和清洗。清洗剂除了具有除油功能外，还有对活塞表面产生轻微腐蚀以达到使活塞表面变得较粗糙的功效，从而提高涂层的结合强度。

超声波除油：采用碱性清洗剂，清洗剂浓度为3～6g/l，温度为50～60℃，清洗时间为15～60s。超声波除油作业方式是将活塞放置在超声波清洗槽中，活塞浸泡在含清洗剂的槽液中，启动超声波对活塞进行除油清洗。

水洗：将活塞放置在水洗槽中，采用自来水对活塞进行清洗，清洗时间为15～60s，温度：室温。水洗采用三级逆流清洗，以提高清洗效果并有利于节约用水。

热纯水喷淋清洗：纯水电导率≤10μs/cm，温度55～70℃，清洗时间为15～60s。将活塞放置在喷淋工位上，纯水由高压泵泵入并高速喷淋到活塞表面上，实现活塞的纯水清洗。活塞采用纯水清洗有利于避免活塞清洗后表面残留盐分而导致的活塞的腐蚀和涂层结合强度的下降。清洗的纯水收集起来通过泵泵入三级逆流水洗的三级水洗槽中，以充分利用纯水，节约用水。同时，对纯水进行加温，可以使水快速挥发，有利于烘干。

烘干：采用热风对活塞进行加热烘干处理，烘干温度70～80℃，烘干时间15～20min。

冷却：将烘干的活塞冷却到30～40℃，以便下道工序进行丝网印刷涂层。

活塞丝网印刷底层或面层：采用丝网印刷方式在活塞裙部表面涂覆印刷上涂层，丝网印刷环境温度20～25℃，湿度在40%以下。

底层表面干燥：活塞在丝网印刷底层后对涂层进行干燥处理，使其涂层表面干燥，以进行丝网印刷面层。干燥温度80～100℃，时间10～30min。

固化：在活塞丝网印刷完成面层后对涂层进行固化处理，使涂层彻底干燥。固化温度200～210℃，时间20～40min。

底层固化：活塞在丝网印刷底层后对涂层进行固化处理，使涂层彻底干燥。固化温度200～210℃，时间20～40min。

面层固化：活塞在丝网印刷底层后对涂层进行固化处理，使涂层彻底干燥。固化温度180～200℃，时间30～40min。

冷却：将固化后的活塞冷却到室温。冷却采用自然冷却方式进行，将固化后的活塞取下放置在自然环境中自然冷却到室温即可。