[發明專利]面向生物油應用的內燃機活塞環摩擦表面涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201410502675.6
• 申請日: 2014-09-26
• 公開（公告）號: CN104264133B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: 徐玉福;彭玉斌;鄭曉靜;張斌;胡獻國
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C23C18/14
• 分類號: C23C18/14;C22C30/00;F02F5/00
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司34101
• 代理人: 何梅生

技術領域

本發明屬于金屬材料表面處理技術領域，具體是一種以生物油為燃料的內燃機活塞環摩擦表面涂層及其制備方法。

背景技術

近年來，生物油作為傳統化石能源的代用燃料已經受到人們的廣泛關注，其原因主要包括生物油具有可再生、碳凈排放為零、清潔無污染等顯著優勢。將生物油直接應用于內燃機是眾多科研工作者的研究目標，但是生物油中的有機酸會導致內燃機金屬材料的腐蝕，特別是部分有機酸還會吸附在內燃機缸套內表面，在摩擦過程中又轉移到活塞環摩擦表面，從而對活塞環產生嚴重的腐蝕，進而導致活塞環快速磨損失效。盡管針對生物油自身的提質改性方法已經有不少，包括與柴油乳化、催化酯化、催化加氫、催化裂解、成分分離等，但這些方法對生物油的利用率普遍不高；此外，這些油品改質方法大大增加了生物油的使用成本，導致很難推廣應用。針對這一問題，有必要從材料角度入手，發展一種面向生物油應用的內燃機活塞環摩擦表面處理方法，增強其防腐耐磨性能。

采用涂層技術對內燃機活塞環摩擦表面處理是目前較常用的一種增強活塞環耐磨性能的方法，其中電鍍涂層由于污染較大已經受到了嚴格的限制，化學鍍涂層由于鍍液濃度低污染相對較小，但是化學鍍涂層由于沉積速度難以準確控制，涂層晶粒均勻性較差，在含有腐蝕性成分環境下，容易發生腐蝕磨損脫落失效。此外，采用激光微織構是近年發展較好的一種金屬材料表面處理技術，通過激光在表面微造型改變潤滑介質的儲油空間以及摩擦副表面接觸狀態從而改善摩擦副的減摩耐磨性能，然而在激光微織構過程中會對材料表面產生一定的破壞，從而導致在有機酸環境下，容易對破壞部位發生腐蝕，導致起不到原有的耐磨作用。中國專利(ZL200510110437.1)報道了一種激光誘導選擇性化學鍍的方法，采用先在基體表面用紫外激光選擇性輻射，然后再進行化學鍍涂層，這種實施方法相比直接涂層增加了工序，導致實際應用困難；雖然也有將材料放入化學鍍液中直接利用激光輻照化學鍍的報道，但是這些涂層的均勻性較差，此外，還需要活性貴金屬元素作活性種，導致成本較高。由此可見，現有的這些技術均難以滿足生物油服役下的內燃機活塞環摩擦表面的保護。

發明內容

本發明的目的是提供一種面向生物油應用的內燃機活塞環摩擦表面涂層及其制備方法，控制沉積速度以提高涂層晶粒均勻性，改變微織構三維形貌與涂層厚度，從而增強活塞環材料在生物油服役內燃機時的摩擦學性能。

本發明的一種面向生物油應用的內燃機活塞環摩擦表面涂層，該涂層的組成為Ni-MoS₂-GO-P復合材料，其質量百分組成為：Ni?15-30％，MoS₂20-35％，GO?5-12％，P?22-48％；其中，所述的GO為氧化石墨烯。

本發明的制備方法通過以下三個步驟進行，包括激光誘導涂層、清洗和退火，其特征在于，將活塞環置于涂層溶液中，控制涂層工藝條件，對表面微織構的同時誘導涂層的生成；涂層結束后用去離子水洗滌活塞環至洗滌液呈中性；然后將晾干后的活塞環放入N₂保護的高溫爐中退火；

所述的激光誘導涂層步驟，采用如圖1所示的方案實現；其中涂層工藝條件包括：液面與活塞環涂層表面的距離為5-15mm，激光源與液面距離30-40mm，激光源波長200-1000nm，功率5-8W，光斑直徑20μm，光源移動速度100-300mm/s，移動路徑可由激光器連接電腦中的軟件控制，包括直線型、鋸齒型、波浪型，光源每從活塞環摩擦面一側移動到另外一側，活塞環轉動3-12°，待活塞環累計轉動360°后，停止，取出；

所述的涂層溶液組成為：NiSO₄30-35g·L^-1，NaH₂PO₂·H₂O?20-25g·L^-1，MoS₂70-80mg·L^-1，GO(graphene?oxide)50-60mg·L^-1，C₄H₆O₅5-8g·L^-1，EDTA-2Na?0.5-5mg·L^-1，OP-101-5mg·L^-1，CH₄N₂S?1-3mg·L^-1；溶液pH?4.2，水浴加熱，溫度82-88℃；