本发明专利技术公开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制备方法，在活塞环外圆面沉积硬质涂层如镀铬层或渗碳/氮层或镍基镀层，采用脉冲激光对硬质涂层面进行织构化处理，获得规则均匀的微孔阵列，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。本发明专利技术中硬质涂层可以作为硬支撑层，提高活塞环外圆面的耐磨性；表面微孔阵列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；软质涂层可以作为润滑相，实现对摩擦表面的自润滑和自修复。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种活塞环，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。
技术介绍
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O 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钥固体润滑齐U，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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术的优势: 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。附图说明附图为带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环的剖面结构示意图，图中I为软质涂层，2为激光织构化表面，3为硬质涂层，4为基体材料。具体实施例方式结合附图和实施例，对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。如附图所示，一种带有软硬复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环，由软质涂层1、激光织构化表面2、硬质涂层3和基体材料4构成。其中软质涂层I沉积在激光织构化表面2上，涂层厚度为I 10 μπι ;硬质涂层3沉积在活塞环基体材料4的外圆面上，厚度为20 40 μ m，硬度为800 1500 HVatl5 ;在带有硬质涂层的基体材料4表面进行激光织构化处理，获得带有规则、均匀微孔阵列的激光织构化表面2，微孔直径D=50 200 μ m,微孔深度h=6 55 μ m，面积占有率S=l% 20%，微孔间距L=400 800 μ m。一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环，制备方法如下: 一种带有Cr-Ag复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环，具体制备步骤如下: I)对活塞环外圆面进行镀前去油和超声清洗，其中去油试剂为氢氧化钠60 g/L、碳酸钠80 g/L的水溶液。2)以水为溶剂，含铬酸酐(CrO3) 100 150 g/L、硫酸I g/L，二者质量比为100:1 150:1，Cr3+含量控制在3 7 g/L，采用双向脉冲电镀电源进行电沉积，镀液温度为30 60 °C，阴极电流密度为10 60 A/dm2,电镀时间4 6 h。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制备微孔阵列，调整同点重复激光脉冲次数2 8次，改变表面微孔的直径和深度；其中脉冲激光器的参数为激光波长1064 nm、输出最大单脉冲能量50 mj、脉冲频率50 Hz、脉冲宽度50 100 ns,其微孔直径D=50 200 μ m,微孔深度h=6 55 μ m,面积占有率S=l% 20%，微孔间距L=400 800 μ mD4)以水为溶剂，含硝酸银40 g/L、硫代硫酸钠200 g/L、亚硫酸氢钠80 g/L、乙酸钠20 g/L、硫代氨基脲0.5 g/L, PH控制在5 6，对织构化活塞环进行化学镀银，镀液温度30 50 °C，沉积时间I 5 h。一种带有渗碳/氮-Ag复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环，具体制备步骤如下: I)对活塞环外圆面进行镀前去油和超声清洗，其中去油试剂为氢氧化钠60 g/L、碳酸钠80 g/L的水溶液。2)采用高压脉冲直流电源进行等离子电解渗碳/氮，沉积电压400 500 V，占空比30% 50%，频率10 20 kHz，沉积时间3 20 min,电解液主要成分为甘油或三乙醇胺或甲本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环，包括软质涂层（1）、硬质涂层（3）、活塞环基体材料（4），其特征在于，还包括激光织构化表面（2）；其中硬质涂层（3）沉积在活塞环基体材料（4）的外圆面上，形成带有硬质涂层的基体材料，在带有硬质涂层的基体材料表面进行激光织构化处理，获得带有规则、均匀微孔阵列的激光织构化表面（2），再将软质涂层（1）沉积在激光织构化表面（2）上。
【技术特征摘要】
1.一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环，包括软质涂层(I)、硬质涂层(3)、活塞环基体材料(4)，其特征在于，还包括激光织构化表面(2);其中硬质涂层(3)沉积在活塞环基体材料(4 )的外圆面上，形成带有硬质涂层的基体材料，在带有硬质涂层的基体材料表面进行激光织构化处理，获得带有规则、均匀微孔阵列的激光织构化表面(2)，再将软质涂层(I)沉积在激光织构化表面(2)上。2.根据权利要求1所述的减摩耐磨活塞环，其特征在于，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带有硬质涂层的基体材料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。3.根据权利要求1所述的减摩耐磨活塞环，其特征在于，软质涂层(I)厚度为I 10μ m ;硬质涂层(3)厚度为20 40 μ m，硬度为800 1500 HVatl5 ;所述微孔阵列的微孔直径D=50 200 μ m,微孔深度h=6 55 μ m,面积占有率S=l% 20%，微孔间距L=400 800 μ mD4.一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，其特征在于，具体步骤如下: 1)对活塞环基体材料外圆面进行去油处理和超声清洗； 2)在活塞环基体材料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。5.根据权利要求4所述的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，其特征在于，当硬质涂...
【专利技术属性】
技术研发人员：熊党生，秦永坤，李建亮，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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