《一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環》是安慶帝伯格茨活塞環有限公司於2018年9月25日申請的專利，該專利申請號：2018111154764，專利公布號：CN109234676A，專利公布日：2019年1月18日，發明人是：王星、程偉勝、嚴滿生、張凱峰、章昱、金鵬。
《一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環》提供一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環及製備方法，包括活塞環基體，所述活塞環基體外圓面由內至外設定有氮氣含量遞增的氮化鈦層，所述氮化鈦層外圓面設定有類金剛石塗層，《一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環》生產製作工藝簡單，利用遞增氮含量的氮化鈦作為類金剛石塗層與活塞環之間的過渡層，通過氮化鈦層的氮氣量改變氮化鈦層的硬度，使得氮化鈦的硬度位於鈦和類金剛石塗層中間，可有效形成從鈦到類金剛石塗層中間的硬度梯度，進而增加活塞環上塗層的抗劃痕和抗剝離能力，同時活塞環的總厚度不受影響，避免影響活塞環的規格，使得活塞環基體具備良好的使用壽命，增加活塞環的實用性。
2021年8月16日，《一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環
- 公布號：CN109234676A
- 公布日：2019年1月18日
- 申請號：2018111154764
- 申請日：2018年9月25日
- 申請人：安慶帝伯格茨活塞環有限公司
- 地址：安徽省安慶市經濟技術開發區迎賓大道16號
- 發明人：王星、程偉勝、嚴滿生、張凱峰、章昱、金鵬
- Int.Cl.：C23C14/06(2006.01)I、C23C14/32(2006.01)I、C23C14/16(2006.01)I
- 專利代理機構：合肥天明專利事務所
- 代理人：婁岳
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
2020年中國乘用車燃油耗國家標準百公里5升以下，這對發動機廠以及汽車廠提出了高要求，而降低發動機的摩擦功損失是降低汽車的燃油耗的重要手段之一。活塞環工作摩擦功率損失占發動機總摩擦功損失的25％以上，所以降低活塞環的摩擦損失對發動機降低燃油耗貢獻大；活塞環的降低摩擦功損失的最有效的方式是採用低摩擦係數塗層，類金剛石塗層具備低摩擦高耐磨特性正好滿足活塞環的低摩擦要求，類金剛石塗層具備硬度高、內應力大、直接將類金剛石塗層做到活塞環表面，結合力很難保證，容易脫落；為此，我們提出一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環及製備方法。
發明內容
專利目的
《一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環》提供一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環及製備方法，利用逐漸遞增氮含量的氮化鈦作為類金剛石塗層與活塞環之間的過渡層，使得活塞環基體具備良好的使用壽命，增加活塞環的實用性。
技術方案
《一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環》包括活塞環基體，所述活塞環基體外圓面由內至外設定有氮氣含量遞增的氮化鈦層，所述氮化鈦層外圓面設定有類金剛石塗層。進一步的，所述活塞環基體和氮化鈦層之間設定有鈦層，且鈦層的厚度小於等於氮化鈦層厚度的5％～10％。優選方案在活塞環上首先形成鈦層沉積，可以使過渡層與活塞環基體具有非常相近的熱變形量，進而繼續沉積鈦層並通入氮氣形成氮化鈦，在形成氮化鈦的同時使氮氣的含量逐步增加，進而改變鈦層的硬度，方便與後期經磁過濾真空陰極電弧形成的類金剛石相結合，提高類金剛石、過渡層和活塞環之間的結合力。進一步的，所述氮化鈦層的厚度H1與類金剛石塗層的厚度H2存在如下關係：1/50≤H1/H2≤1/10。進一步的，所述氮化鈦層中由內至外遞增的氮元素含量y與氮化鈦層由內至外的厚度x呈存在如下函式比關係：y＝1.25x～5x。在不影響類金剛石塗層後期的效果，以及類金剛石、過渡層和活塞環之間的結合力前提下，降低過渡層和類金剛石塗層的厚度，使活塞環適用於更多的環境。
含有過渡層的類金剛石塗層活塞環的製備方法，包括如下步驟：
S1：對活塞環基體進行粗糙度處理，並進行脫脂清洗和碳氫處理，對處理後的活塞環基體裝夾、擦拭並裝爐；
S2：進行氮化鈦層沉積，步驟如下：S21：第一次抽真空；S22：爐內加熱，進行第二次抽真空；S23：對活塞環基體進行離子清洗；S24：爐內溫度不變，並向爐內通入氮氣，氮氣流量遞增，鈦靶通電運行進行氮化鈦沉積；S25：關閉氮氣閥、氬氣閥和鈦靶電源，進行第三次抽真空；S3：類金剛石塗層沉積。
進一步的，所述氮化鈦層中由內至外遞增的氮元素流量y與氮元素通入的時間x呈存在如下關係：y＝0.025x。
改善效果
生產製作工藝簡單，利用遞增氮含量的氮化鈦作為類金剛石塗層與活塞環之間的過渡層，通過氮化鈦層的氮氣量改變氮化鈦層的硬度，使得氮化鈦的硬度位於鈦和類金剛石塗層中間，可有效形成從鈦到類金剛石塗層中間的硬度梯度，進而增加活塞環上塗層的抗劃痕和抗剝離能力，同時活塞環的總厚度不受影響，避免影響活塞環的規格，使得活塞環基體具備良好的使用壽命，增加活塞環的實用性。
附圖說明
圖1為《一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環》整體結構示意圖；
圖2為氮化鈦層中氮含量與氮化鈦層厚度關係的曲線圖；
圖3為通入氮元素的流量與通入時間的曲線圖。
圖中：1、活塞環基體，2、氮化鈦層，3、類金剛石塗層。
技術領域
《一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環》涉及活塞環技術領域，具體涉及一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環及製備方法。
權利要求
1.《一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環》包括活塞環基體（1），其特徵在於：所述活塞環基體（1）外圓面由內至外設定有氮氣含量遞增的氮化鈦層（2），所述氮化鈦層（2）外圓面設定有類金剛石塗層（3）。
2.根據權利要求1所述的一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環，其特徵在於：所述活塞環基體（1）和氮化鈦層（2）之間設定有鈦層，且鈦層的厚度小於等於氮化鈦層厚度的5%～10%。
3.根據權利要求1所述的一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環，其特徵在於：所述氮化鈦層（2）的厚度H1與類金剛石塗層（3）的厚度H2存在如下關係：1/50≤H1/H2≤1/10。
4.根據權利要求1所述的一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環，其特徵在於：所述氮化鈦層（2）中由內至外遞增的氮元素含量y與氮化鈦層（2）由內至外的厚度x呈存在如下函式比關係：y=1.25x～5x。
5.根據權利要求1-4任意一項所述的一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環的製備方法，包括如下步驟：S1：對活塞環基體進行粗糙度處理，並進行脫脂清洗和碳氫處理，對處理後的活塞環基體裝夾、擦拭並裝爐；S2：進行氮化鈦層沉積，步驟如下：S21：第一次抽真空；S22：爐內加熱，進行第二次抽真空；S23：對活塞環基體進行離子清洗；S24：爐內溫度不變，並向爐內通入流量遞增的氮氣，鈦靶通電運行進行氮化鈦沉積；S25：關閉氮氣閥、氬氣閥和鈦靶電源，進行第三次抽真空；S3：類金剛石塗層沉積。
6.根據權利要求5所述的一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環的製備方法，其特徵在於：所述氮化鈦層中由內至外遞增的氮元素流量y與氮元素通入的時間x呈存在如下關係：y=0.025x。
實施方式
如圖1和圖2所示，《一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環》包括活塞環基體1，所述活塞環基體1外圓面由內至外設定有氮氣含量遞增的氮化鈦層2，所述氮化鈦層2外圓面設定有類金剛石塗層3，優選的活塞環基體1和氮化鈦層2之間設定有鈦層，且鈦層的厚度小於等於氮化鈦層厚度的5％～10％。
在活塞環上首先形成鈦層沉積，可以使過渡層與活塞環基體1具有非常相近的熱變形量，進而繼續沉積鈦層並通入氮氣形成氮化鈦，在形成氮化鈦的同時使氮氣的含量逐步增加，進而改變鈦層的硬度，方便與後期經磁過濾真空陰極電弧形成的類金剛石相結合，提高類金剛石、過渡層和活塞環之間的結合力，進而使得類金剛是活塞環具備優異的性能。同時，所述氮化鈦層2的厚度H1與類金剛石塗層3的厚度H2存在如下關係：1/50≤H1/H2≤1/10，在不影響類金剛石塗層的使用效果，以及類金剛石、過渡層和活塞環之間的結合力前提下，降低過渡層和類金剛石塗層的厚度，使活塞環適用於更多的環境。
含有過渡層的類金剛石塗層活塞環的製備方法，包括如下步驟：
S1：將活塞環基體經過側面磨削、修口、外面拋光珩磨加工，使得活塞環基體的側面粗糙度達到Rz3.2微米以下，外圓粗糙度達到Rz1.6微米以下，將活塞環基體進行3槽脫脂清洗處理：在第1槽中注入溫度70～80℃的脫脂劑，其脫脂劑可選擇為氫氧化鈉15～25克/升、磷酸三鈉3克/升、矽酸鈉10克/升、碳酸鈉5克/升的混合液，pH值12～13，將經過步驟一處理後的活塞環基體置於槽中15分鐘；將第1槽中處理完成的活塞環基體取出，置入第2槽中，其第2槽中利用常溫水源對活塞環進行浸泡5分鐘；將第2槽中清洗後的活塞環基體置入第3槽中，利用水溫60～70℃的熱水再次清洗5分鐘；將活塞環基體進行碳氫清洗：首先對碳氫清洗進行加溫至90～120℃，將步驟二中清洗完成的活塞環基體放入加溫後的碳氫清洗劑中，其碳氫清洗劑的成分可選擇為：C12H26，30～50％、C3H3F5，20～40％、C2H5OH，10～30％的混合劑，其浸泡時間為15分鐘，步驟二和步驟三為對活塞環基體的清理步驟，在提高粗糙度後對活塞環基體進行清潔，避免表面的油污、雜質影響與過渡層的結合力；將碳氫清洗後的活塞環基體進行鍍膜前裝夾，對裝夾好的活塞環基體表面利用無水乙醇進行擦拭並裝爐；
S2：氮化鈦層沉積，具體的：S21第一次抽真空，使爐內到達高真空，使真空度達到5×10-3帕；S22打開加熱器，溫度範圍180～200℃並保持30分鐘，進行第二次抽真空，使真空度達到5×10-5帕；S23離子清洗：利用氬離子轟擊活化活塞環基體表面，氬氣流量為70～100立方厘米，偏壓900維氏，離子清洗溫度150℃，在此條件下進行轟擊80分鐘；S24爐內溫度不變，鈦靶通電運行進行氮化鈦沉積，鈦靶電流調節為25安，並向爐內通入氮氣30分鐘，氮氣流量由0均勻增加到0.25立方厘米；S25關閉氮氣閥、氬氣閥和鈦靶電源，加熱器溫度設定為120℃，進行第三次抽真空，使爐內真空度達到4×10-5帕；
S3：類金剛石塗層沉積：打開石墨靶電源、高低偏壓，使高偏壓1500伏，低偏壓1000伏，通入流量為100立方厘米的氬氣，工作時間為60分鐘，使類金剛石塗層達到25微米左右；如圖2和圖3所示，其中，氮化鈦層2中由內至外遞增的氮元素含量y與氮化鈦層2由內至外的厚度x呈存在如下函式比關係：y＝1.25x～5x，氮化鈦層中由內至外遞增的氮元素流量y與氮元素通入的時間x呈存在如下關係：y＝0.025x；在步驟S2中的S24中，優選的先不同氮氣，先沉積出鈦層，因為2018年9月以前的活塞環基體材料主要為鋼質和鑄鐵，在20～300℃條件下的熱膨脹係數為11*10-6/開左右，使過渡層與活塞環具備優異的結合力，同時也可以通過通入氮氣的時間以及流量的控制，使沉積出的鈦層含有較少量或接近於零的氮元素，然後逐漸增加氮氣的含量，使鈦層轉化為氮化鈦層，逐漸提升硬度，使活塞環通過過渡層更好的與類金剛塗層結合，與鈦層的結合力較好，當活塞環基體硬度大於鈦層，則可直接進行氮化鈦層的沉積，使得活塞環基體1與氮化鈦層之間硬度接近，進而提高活塞環基體與氮化鈦層的結合力；利用剝離試驗機，選取若干組帶有過渡層的類金剛石塗層活塞環作為實施例，不具備過渡層的類金剛石塗層活塞環作為對比例，在相同時間、相同環境下，分別做塗層剝離實驗，得出如下表格數據：
剝離力度（N） | 玻璃結果 | |
|---|---|---|
實施例1 | 50 | 未剝離 |
實施例2 | 55 | 未剝離 |
實施例3 | 65 | 未剝離 |
對比例1 | 48 | 剝離 |
對比例2 | 45 | 剝離 |
由實驗數據得出：具備過渡層的類金剛石塗層活塞環的類金剛石塗層的抗剝離能力，相對於不具備過渡層的類金剛石塗層活塞環的抗剝離效果較好，可承受的剝離力度更大，進而使得後期的使用壽命更長，提高了活塞環使用的實用性。
榮譽表彰
2021年8月16日，《一種含有過渡層的類金剛石塗層活塞環》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。
