活塞環(huán)PVD鍍層

1、離子鍍膜的原理及其應用    離子鍍膜的原理,曾在1963年由美國航空航天局的Mattox提出。該技術(shù)與真空蒸鍍法和噴鍍法有所不同,是將被鍍工件和蒸發(fā)源同置于氬等氣體放電的環(huán)境中等離子化,然后在陰極被鍍工件上蒸鍍金屬。用氮氣、碳化氫氣體及氧氣等反應性氣體取代氬氣體,便可析出氮化物、碳化物及氧化物等陶瓷保護膜。圖l是離子鍍膜的原理圖。    近來,利用離子鍍膜法,常在切削工具及模具表面鍍上TiC及TiN。TiC及TiN保護膜,在短時間內(nèi)可保持非常理想的耐磨性,但無法加大保護膜厚度,不適用于延長活塞環(huán)壽命,故著眼于鉻金屬,開發(fā)了鉻-氮系保

2、護膜。    其應用目標是,保證優(yōu)良的耐磨性及耐膠著性,加大保護膜厚度（保證厚度在l0um以上),并確保其和被鍍基體的附著性。Cr-N系保護膜(IP-200)的形成    Cr-N系保護膜是使用蒸發(fā)源金屬鉻和反應性氣體氮在反應爐中形成的,其成分是Cr2N和CrN。參見圖2所示的Cr、N濃度分布。Cr-N系保護膜(IP-200)的特性    IP-200保護膜的附著性    要保證金屬和陶瓷的附著性難度較大。一般來講,離子鍍膜的厚度為2-10um.而日本Riken公司利用自己的

3、方法,開發(fā)了厚度達l0-60um的鍍膜,不僅附著性好、厚度大,而且具有可以充分確?；钊h(huán)功能的附著力,這種效果是使用特別的前處理方法實現(xiàn)的。圖3為Cr-N系保護膜厚度與附著性的關(guān)系?？梢钥闯?如果保護膜厚度增大,其抗剝離性變差,但是當膜厚度為60um時,附著性仍然很好。   IP-200保護膜的硬度     圖4示出Cr-N系保護膜的硬度。從圖4中可以看出,其硬度遠高于電鍍硬質(zhì)鉻及氮化(GN:氣體氮化18%Cr不銹鋼)的硬度,硬度為l500-2000HmV。這是因為它與金屬鉻不同,屬陶瓷系.   IP-200的耐膠著性 &#

4、160;   表面硬度越高,耐膠著性越強。Cr-N系的IP-200亦不例外,其耐膠著性約是電鍍硬質(zhì)鉻的1.5倍,見圖5。評價耐膠著性是使用圖6所示的Riken式超高壓磨損試驗機按表1所列條件試驗的。    結(jié)果表明,高硬度、高熔點的材質(zhì)具有良好的耐膠著性。  lP-200的耐磨性(單體評價)    圖7為用圖8所示的科研專用磨損試驗機,對表面保護膜及相配材料磨損程度進行評價的結(jié)果?？梢?Cr-N系IP-200保護膜的耐磨性優(yōu)于鍍硬質(zhì)鉻及氮化處理,可達到現(xiàn)在廣泛使用的氮化處理的2-3倍。該單體磨損試驗是按表2所列條件

5、進行評價的。   IP-200的實機評價    在實機活塞環(huán)外周鍍上IP-200保護膜,分別用汽、柴油機進行耐久性評價。      (l)汽油機的實機評價        為了加快試驗進度,使用了磨損量較大的含鉛汽油(3.0g·Pb/USG),在連續(xù)高速條件(6000×4/4×100h)下,進行了耐久試驗。并將外緣鍍上IP-200保護膜的三片式油環(huán)與氮化件進行比較,結(jié)果見圖9。另外,對頭道環(huán)進行各種表面處理后的耐磨性評

6、價結(jié)果,見圖l0.同樣以lP-200為優(yōu)。       (2)柴油機的實機評價     在柴油機頭道環(huán)上鍍iP-200保護膜后的耐久性評價結(jié)果,示于圖l1。在鋼制油環(huán)(DVM)的外緣上鍍IP-200保護膜后的低水溫耐久性試驗結(jié)果,見圖l2。使用有鉛汽油的耐久試驗結(jié)果表明,Cr-N系IP-200保護膜的磨損極小。這是因為它對氯化物這一除鉛劑具有很強的耐腐蝕性?？梢?在使用無鉛汽油的情況下,其耐久性可望高于鍍鉻件(經(jīng)驗表明,IP-200保護膜的磨損量是鍍鉻件的1/8-l/4,相信會作為無公害,優(yōu)化表面處理的手段推廣采用)。.在同樣的腐蝕環(huán)境中,鍍IP-200保護膜的柴油機活塞環(huán)耐磨性優(yōu)于鍍鉻環(huán),為減少柴油機的維修量作出了一定的貢獻。綜上所述,