[发明专利]带有硬软复合涂层与织构化表面的耐磨活塞环及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种活塞环，具体涉及一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环及制备方法。 

背景技术

活塞环是内燃机关键零件之一，在内燃机中起到密封、润滑、导热和定位等作用。活塞环-缸套工作条件十分严峻，经常处于高温、高压、高冲击载荷状态。汽缸内燃料燃烧使温度最高可达2500 K以上，活塞环由于热膨胀而产生热应力；活塞环在上下止点之间进行高频率的往复运动，速度在0～30 m/s大幅度变化，承受较大的冲击；活塞上下往复运动时缸套对活塞环产生径向压力，以及压缩气体产生的反向压力加上热应力等使接触面压强高达5～10 MPa。由于工作环境严苛，润滑油膜难以形成，活塞环-缸套配副常处于边界润滑状态，局部甚至处于干摩擦状态，磨损严重，因此需要采用多种方法改善活塞环外圆面的耐磨性能。 

目前，常采用氮化处理、镀铬处理或等离子喷涂陶瓷膜等方法在活塞环外圆面制备硬质涂层，以提高活塞环的表面硬度和耐磨性，基本可以满足其在正常工况下的耐磨需求。但是硬质涂层的硬度较高，造成涂层脆性的增加，与基体的匹配性和结合性较差，容易在摩擦过程中剥落。另外，这类涂层的摩擦系数偏高，对缸套的攻击性大，在润滑油膜失效或供油不足的情况下容易发生活塞环的严重磨损。中国专利201120483332.1公开了一种带有氮化层和铬-石墨复合层的活塞环，利用硬质涂层作为硬支撑，并结合石墨的自润滑性能解决了发动机工况恶劣情况下活塞环早期磨损的问题。中国专利201220002097.6公开了一种具有固体润滑涂层的活塞环，在渗层或镀铬层的基础上喷涂二硫化钼固体润滑剂，将摩擦系数降低到0.03～0.07。部分软金属如银等，剪切强度很低，能够发生晶间滑移，具有与高粘度流体相似的润滑行为，能通过自行修补润滑膜破裂部位而恢复其润滑性能。激光表面织构化技术可以实现活塞环表面的可控织构化加工，形成的表面微织构可以存储润滑油和收集磨屑，并能增强润滑油膜的流体动压效应，减小活塞环的磨损。本发明以硬质涂层如镀铬层或渗碳/氮层或镍基镀层作为硬支撑层，采用激光表面织构化技术对硬质涂层外圆摩擦面进行织构化处理，并在织构化表面制备软质涂层如镀银层或镀锡层或磁控溅射MoS₂涂层作为润滑相，从而改善活塞环的磨损状况。 

发明内容

本发明针对现有活塞环表面耐磨处理技术的不足，提出了一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环及其制备方法，以可控织构化表面作为润滑油/剂和磨屑的储池，以硬质涂层（铬镀层、渗碳/氮层、镍基镀层等）提供硬支撑，以软质涂层（银镀层、锡镀层、磁控溅射MoS₂涂层等）作为润滑相，在油膜失效或供油不足的情况下实现配副界面的自润滑。 

为了实现上述目标，本发明的具体技术方案如下： 

一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环，包括基体材料、基体材料上的硬质镀层或渗层、激光织构化表面以及软质自润滑涂层。所述基体材料为合金铸铁或球墨铸铁活塞环；所述硬质涂层为铬基镀层或渗碳/氮层或镍基镀层；所述激光织构化表面为采用脉冲激光在硬质涂层表面加工的均匀分布的微孔阵列；所述软质自润滑涂层为银镀层或锡镀层或磁控溅射MoS₂涂层，复合在织构化硬质涂层的表面。

一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环的制备方法，具体步骤如下： 

1）对活塞环外圆面进行去油处理和超声清洗；

2）在活塞环外圆面沉积硬质涂层；

3）采用Nd：YAG脉冲激光器对活塞环外圆面进行织构化处理，采用混合式步进电机控制活塞环线位移和角位移，通过该活塞环移动、激光束不动的加工方式可控制备微孔阵列，形成激光织构化表面；

4）在激光织构化表面沉积软质涂层。

与现有技术相比，本发明的优势： 

以硬质涂层作为硬支撑，可以提高铸铁活塞环的表面耐磨性。采用脉冲激光在硬质涂层表面刻蚀规则的微孔阵列，通过调整激光参数实现表面织构的可控加工。规则的表面织构可以增强润滑油的流体动压效应，并能作为润滑油/剂的储池及收集磨屑颗粒，改善活塞环的磨损状况，并且激光加工可以对活塞环外圆面起到相变硬化的作用，改善硬质涂层与基底的结合强度，进一步提高涂层的耐磨性。软质涂层可以作为润滑相，降低了硬质涂层对缸套的攻击性，并在油膜失效或出现过度边界摩擦甚至干摩擦的状态下提供自润滑作用。当表面润滑涂层发生磨损脱落时，微孔内的润滑层可以补充到磨损表面，重新形成润滑膜，对磨损润滑膜进行修复，显著改善了活塞环的摩擦性能，提高了其使用寿命。

附图说明