一种高耐磨复合电镀活塞环及其制备方法技术

一种新型高耐磨复合电镀活塞环，包括钢基体，所述钢基体表面依次设置铜层、镍层以及纳米钻石烯/铬复合层。同时本发明专利技术还进一步公开了复合电镀活塞环的制备方法。本发明专利技术设置的铜镀层与钢基体、镍镀层均有很好的结合力，并起到耐腐蚀的效果；采用的纳米钻石烯硬度高、耐磨性强，与铬复合后可显著提高复合镀层的强度及耐磨性，延长活塞环的使用寿命；采用的纳米钻石烯导热性良好且具有耐高温性，使得混合气体燃烧产生的热量很快就可以通过活塞环传递到气缸壁，降低活塞环的温度，延长其使用寿命；设置的纳米钻石烯/铬复合镀层润滑性良好，摩擦系数低，发动机功率提高，油耗降低。

【技术实现步骤摘要】
一种新型高耐磨复合电镀活塞环及其制备方法
本专利技术属于汽车发动机
，具体涉及一种新型高耐磨复合电镀活塞环及其制备工艺。
技术介绍
活塞环是用于嵌入活塞槽沟内部的金属环，是燃油发动机内部的核心部件，它和气缸、活塞、汽缸壁等一起完成燃油气体的密封。活塞环分为两种，压缩环和机油环，压缩环用于密封燃烧室内部的可燃混合气体，机油环则用于刮除气缸上多余的机油。活塞环的作用包括密封、调节机油(控油)、导热(传热)、导向(支撑)作用，其必须具备以下特点：1、优越的耐磨性能以及对缸套的低磨损性能，以延长发动机使用寿命以及减少维修成本，发动机在工作时有气体压力、自身的弹力、反复运动的惯性力以及与缸套的摩擦力等，这些作用力作用在活塞环上会使得活塞环产生一些不规则运动，加剧活塞环的磨损；2、优良的导热性能和耐高温、耐腐蚀性能，汽车发动机在工作过程中混合气体燃烧后产生的高热通过活塞环传递给气缸壁，起到冷却活塞的作用，通过活塞环向气缸壁散出的热量可达到活塞顶部承热量的30%-40%；3、低摩擦系数，可以减少与缸套之间由于摩擦而造成的功率损失，提高发动机功率，降低油耗。目前发动机正向高机械负荷、高输出功率、低油耗及低废气排放等方向发展，因此活塞环厚度变薄，重量变轻，这就要求活塞环具有更高的强度、耐磨性，以及对缸套低磨损的特性。发动机在运行时，活塞环不仅要承受热疲劳、热应力的影响，同时还要承受由燃烧气体爆发压力产生的大部分侧面压力带来的磨损和黏着问题，因此对钢制活塞环进行表面处理已经成为一道必不可少的工序，例如表面氮化，物理气相沉淀法(PVD)等工艺，但是经这些表面处理工艺后的活塞环并不能完全满足其使用要求。活塞环表面离子氮化后形成了耐磨氮化层，在一定程度上提高了耐磨性，但是其耐磨性以及较低的导热率并不能满足活塞环的性能要求。物理气相沉淀法(PVD)法是在活塞环表面沉积氮化物镀层(TiN、CrN等)，这些镀层具有较高的硬度和稳定性，但是镀层厚度超过50μm的情况下，由于镀层内应力大的原因导致镀层结合力下降以及出现裂纹等现象的发生。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型高耐磨复合电镀活塞环，同时提供其制备方法是本专利技术的又一专利技术目的。基于上述目的，本专利技术采取如下技术方案：一种新型高耐磨复合电镀活塞环，包括钢基体，所述钢基体表面依次设置铜层、镍层以及纳米钻石烯/铬复合层。所述铜层厚度为5～10μm，镍层厚度为20～40μm，纳米钻石烯/铬复合层厚度为20～40μm。所述的新型高耐磨复合电镀活塞环的制备方法，包括以下步骤：1）原料前处理：包括钢基体和纳米钻石烯原材料的处理；所述钢基体前处理为对钢基体的抛光、去污处理；所述纳米钻石烯原材料前处理为对纳米钻石烯的碱洗、活化后烘干处理；2）电镀铜层：将前处理后的钢基体以挂件形式放入镀液中电镀，钢基体为阴极，铜板为象形阳极，阴阳两极分别接电源的两极，阴阳两极通过镀液连接，电镀时镀液处于搅拌状态，搅拌频率为35～40KHz；镀液温度为20～40℃，电流密度J为1～6A/dm2；所述电镀铜镀液各组成含量为：CuSO4·5H2O180～220g/L、H2SO4(ρ=1.84g/cm3)40～90g/L、Cl-140～120mg/L、BH-533A0.2～0.4ml/L、BH-533B0.2～0.4ml/L、BH-533C4～6ml/L；其中BH-533A、BH-533B、BH-533C为添加剂，BH-533A为主填平剂，BH-533B为光亮剂，BH-533C为润湿剂；3）清洗：将电镀铜层的钢基体以挂件形式置于去离子水清洗，旋转挂件，转速为20～30rpm，清洗时间为1～5min，重复清洗两次即可将残留的镀液清除；4）表面活化：将清洗后的电镀铜层的钢基体以挂件形式置于浓度为10g/L氨基磺酸溶液的活化液中，挂件旋转，旋转转速为5～10rpm，活化时间为5s～30s；5）清洗：活化后，以挂件形式置于清洗槽中，旋转挂件，转速为20～30rpm，清洗时间为30s～2min；6）电镀镍层：电镀镍镀液的各组成含量为：Ni(SO3NH2)2400～600g/L、NiCl212～18g/L、H3BO330～40g/L、SDS(十二烷基硫酸钠)0.1～0.2g/L、糖精0.6～1g/L、1,4-丁炔二醇0.3～0.5g/L；十二烷基硫酸钠为润湿剂，糖精和1,4-丁炔二醇为光亮剂，镀液温度为55℃～60℃，pH值为3.9～4.1，电流密度J为1～3A/dm2，待镀件为阴极，镍板为象形阳极，阳极外部用耐酸碱布包裹，防止电镀过程中阳极溶解产生的阳极泥渣污染镀液，电镀时镀液处于搅拌状态，搅拌频率为35～40KHz；7）清洗：电镀镍结束后用去离子水进行冲洗，将电镀镍层的钢基体以挂件形式放入清洗槽中，旋转挂件，转速控制在20～30rpm，清洗时间为1～5min，清洗两次，即可将残留的镀液清洗干净；8）表面活化：将清洗干净的电镀镍层的钢基体以挂件形式放入浓度为500～700g/LH2SO4溶液活化液中，温度为40℃～60℃，挂件旋转，旋转转速为5～10rpm，活化时间为5s～30s；9）清洗：将电镀镍层的钢基体以挂件形式置于去离子水中并旋转挂件，转速为20～30rpm，清洗时间为30s～2min；10）电镀纳米钻石烯/铬复合层：先按以下配方配铬镀液：CrCl3100～140g/L、HCOOK60～100g/L、NaAC30～35g/L、H3BO340～60g/L、NH4Cl50～60g/L、KCl70～80g/L、NH4Br10～20g/L、SDS(十二烷基硫酸钠)20mg/L、CMC(羧甲基纤维素钠)0.2g/L、纳米钻石烯10～40g/L，再将前处理过的纳米钻石烯浸泡在铬镀液中，超声1h后加入镀液，制得纳米钻石烯/铬镀液，镀液温度为15～30℃，pH为1～3，电流密度J为8～16A/dm2，镀液搅拌转速为50～150rpm，电镀镍层的钢基体为阴极，铅锑合金为象形阳极(假阳极，在电镀过程中不溶解，Sb%在6%～8%)，电镀时间控制在30min～2h。其中HCOOK为主络合剂，NaAC为辅助络合剂，SDS为润湿剂，CMC为分散剂，NH4Cl和KCl为导电盐，H3BO3为pH稳定剂。所述钢基体具体采用以下方法进行前处理：a.抛光，先对钢基体机械抛光，再电解抛光，电解抛光是指将钢基体置于抛光液中并以15～30rpm的速度搅拌抛光液进行电解抛光，所述电解液的重量组成为：H3PO472%、H2CrO423%、H2O5%，电解液温度控制在65～75℃，电流密度20～100A/dm2，时间3～5min；b.超声波清洗将电解抛光后的钢基体置于去离子水超声清洗并搅拌，超声频率为30～35KHz，转速为15～25rpm，超声清洗时间为1～5min；c.去离子水冲洗用去离子水对超声波清洗后的钢基体冲洗；d.超声波碱洗将冲洗干净的钢基体置于碱洗液中超声碱洗，以挂件形式放入碱洗槽中，碱洗槽底部安装有超声波发生器，超声波频率为30～35KHz，碱洗液为浓度为3%的无泡型金属清洗剂溶液，碱洗液温度为45～55℃，并旋转搅拌，旋转转速为25～35rpm，清洗时间为5～10min；e.超声热清洗碱洗后的钢基体以挂件形式放入40～50℃的去离子水超声本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型高耐磨复合电镀活塞环，其特征在于，包括钢基体，所述钢基体表面依次设置铜层、镍层以及纳米钻石烯/铬复合层。

【技术特征摘要】
1.一种新型高耐磨复合电镀活塞环，其特征在于，包括钢基体，所述钢基体表面依次设置铜层、镍层以及纳米钻石烯/铬复合层。2.如权利要求1所述的新型高耐磨复合电镀活塞环，其特征在于，所述铜层厚度为5～10μm，镍层厚度为20～40μm，纳米钻石烯/铬复合层厚度为20～40μm。3.如权利要求1或2所述的新型高耐磨复合电镀活塞环的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）原料前处理：包括对钢基体和纳米钻石烯原材料的处理；所述钢基体前处理为对钢基体的抛光、去污处理；所述纳米钻石烯原材料前处理为对纳米钻石烯的碱洗、活化后烘干处理；2）电镀铜层：将前处理后的钢基体以挂件形式放入镀液中电镀，钢基体为阴极，铜板为象形阳极，阴阳两极分别接电源的两极，阴阳两极通过镀液连接，电镀时镀液处于搅拌状态，搅拌频率为35～40KHz；镀液温度为20～40℃，电流密度J为1～6A/dm2；所述电镀铜镀液各组成含量为：CuSO4·5H2O180～220g/L、H2SO4(ρ=1.84g/cm3)40～90g/L、Cl-140～120mg/L、BH-533A0.2～0.4ml/L、BH-533B0.2～0.4ml/L、BH-533C4～6ml/L；3）清洗：将电镀铜层的钢基体以挂件形式置于去离子水清洗，旋转挂件，转速为20～30rpm，清洗时间为1～5min，重复清洗两次即可将残留的镀液清除；4）表面活化：将清洗后的电镀铜层的钢基体以挂件形式置于浓度为10g/L氨基磺酸溶液的活化液中，挂件旋转，旋转转速为5～10rpm，活化时间为5s～30s；5）清洗：活化后，以挂件形式置于清洗槽中，旋转挂件，转速为20～30rpm，清洗时间为30s～2min；6）电镀镍层：电镀镍镀液的各组成含量为：Ni(SO3NH2)2400～600g/L、NiCl212～18g/L、H3BO330～40g/L、SDS(十二烷基硫酸钠)0.1～0.2g/L、糖精0.6～1g/L、1,4-丁炔二醇0.3～0.5g/L；镀液温度为55℃～60℃，pH值为3.9～4.1，电流密度J为1～3A/dm2，待镀件为阴极，镍板为象形阳极，阳极外部用耐酸碱布包裹，电镀时镀液处于搅拌状态，搅拌频率为35～40KHz；7）清洗：电镀镍结束后用去离子水进行冲洗，将电镀镍层的钢基体以挂件形式放入清洗槽中，旋转挂件，转速控制在20～30rpm，清洗时间为1～5min，清洗两次，即可将残留的镀液清洗干净；8）表面活化：将清洗干净的电镀镍层的钢基体以挂件形式放入浓度为500～700g/LH2SO4溶液活化液中，温度为40℃～60℃，挂件旋转，旋转转速为5～10rpm，活化时间为5s～30s；9）清洗：将电镀镍层的钢基体以挂件形式置于去离子水中并旋转挂件，转速未20～30rpm，清洗时间为30s～2min；10）电镀纳米钻石烯/铬复合层：先按以下配方配铬镀液：CrCl3100～140g/L、HCOOK60～100g/L、NaAC30～35g/L、H3BO340～60g/L、NH4Cl50～60g/L、KCl70～80g/L、NH4Br10～20g/L、SDS(十二烷基硫酸钠)20mg/L、CMC(羧甲基纤维素钠)0.2g/L、纳米钻石烯10～40g/L，制得纳米钻石烯/铬镀液，镀液温度为15～30℃，pH为1～3，电流密度J为8～16A/dm2，镀液搅拌转速为50～150rpm，电镀镍层的钢基体为阴极，铅锑合...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭留希，武艳强，赵清国，杨晋中，刘永奇，刘创勋，邵静茹，李盟，尹维召，穆小娜，
申请(专利权)人：郑州人造金刚石及制品工程技术研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41