[發明專利]一種用于鋁合金活塞頂面Cr/CrNx類隔熱膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201710862093.2
• 申請日: 2017-09-21
• 公開（公告）號: CN107587110B
• 公開（公告）日: 2019-10-08
• 發明（設計）人: 齊福剛;李貝貝;歐陽曉平;曹紅帥;羅文忠;鐘向麗;陳靜;趙鎳;劉應都
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: C23C14/16
• 分類號: C23C14/16;C23C14/06;C23C14/32;F02F3/14
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 顏勇

本發明涉及一種用于鋁合金活塞頂面Cr/CrN_x類隔熱膜及其制備方法。所述Cr/CrN_x類隔熱膜由附著鋁合金活塞頂面上的純金屬Cr層以及均勻包覆在純金屬Cr層上的CrN_x層組成。其制備方法為：首先將清潔干燥的鋁合金活塞置于磁過濾陰極真空弧沉積系統中，打開磁過濾鈦電源弧，以純金屬Cr靶為陰極，沉積純金屬Cr層；得到頂面帶有純金屬Cr層的鋁合金活塞；然后以純金屬Cr靶為陰極，以氮氣為工作氣體，調節氮氣通氣量，在步驟一所得頂面帶有純金屬Cr層的鋁合金活塞的純金屬Cr層上生成CrN_X層。本發明所得產品的強度、耐磨性能、隔熱性能均優于現有產品，能夠滿足現代發動機高功率、低排放的要求；便于大規模產業化應用。

技術領域

本發明涉及一種用于鋁合金活塞頂面Cr/CrN_x類隔熱膜及其制備方法，具體說是采用磁過濾陰極真空弧(FCVA)法在活塞頂部獲得氮化鉻類薄膜，屬材料表面工程領域——活塞表面處理技術。

背景技術

活塞作為發動機傳遞能量的主要構件，是評價發動機質量、效用及壽命的重要標準，其質量好壞直接影響到發動機的使用性、經濟性及壽命，因此對其材料具有特殊的要求：熱膨脹系數小、密度小、熱傳導性好、耐蝕性、耐磨性等。鋁合金材料具有低密度、高強度且易加工，可最大限度地回收和利用的優點，是國內外普遍使用的活塞材料。活塞頂面作為活塞的重要部分，其服役環境更加惡劣。一方面，活塞頂部承受交變的機械負荷和熱沖擊，從而導致活塞頂部的主要失效形式是熱裂；另一方面活塞頂部承受高溫燃氣的周期性加熱作用，燃氣的最高瞬時溫度一般可高達1600～1800℃，燃氣平均溫度也高達600～800℃左右，活塞的機械性能顯著下降，甚至因為與高溫燃氣的直接接觸發生燒蝕。除了改善活塞基體材料，以提高活塞整體性能之外，還有一個有效途徑就是通過各種表面強化方式，提高活塞局部的抗高溫氧化性能、耐腐蝕性能、耐磨性等。

隨著汽車發動機向高速化、大功率的方向發展及國家環保排放標準的提高，內燃機活塞的性能要求也相應提高，傳統的表面處理手段如電鍍、微弧氧化等已不能滿足發展要求，新型環保型的表面改性技術應運而生。真空電弧離子鍍是一種理想的薄膜制備技術，沉積速率高、膜層附著力好、膜層致密、沉積溫度低、可鍍材料廣泛、繞射線好、無污染等特點，是離化率最高的離子鍍形式。磁過濾陰極弧等離子體沉積技術就是在真空陰極弧離子鍍的基礎之上，在弧源和真空腔體之間裝備宏觀離子磁過濾器，幾乎可以完全過濾掉陰極弧放電產生的中性及大顆粒，使等離子體重僅存在具有高能量的等離子。

氮化鉻類薄膜缺陷少同時它晶粒結構細小、結合力強、化學穩定性高、抗熱擾動、耐磨性優異，在高溫下表面會形成一層具有保護性的Cr₂O₃膜,更易厚膜化而且在體系中可以達到極高的沉積速率，工藝容易控制且比較成熟。雖然氮化鉻薄膜已經應用到材料表面工程領域，但于活塞頂面部位的應用是沒有的。

發明內容

為了應對鋁合金活塞頂部服役的惡劣環境和克服上述現有技術的不足，本發明公開一種用于鋁合金活塞頂面Cr/CrN_X類隔熱膜及其制備方法，方法簡單、工藝穩定。薄膜致密性高，缺陷少、結合力強，以此減少因惡劣服役環境鋁合金活塞發生的失效行為。

本發明一種用于鋁合金活塞頂面Cr/CrN_x類隔熱膜，所述Cr/CrN_x類隔熱膜由附著鋁合金活塞頂面上的純金屬Cr層以及均勻包覆在純金屬Cr層上的CrN_x層組成。

本發明一種用于鋁合金活塞頂面Cr/CrN_x類隔熱膜，

所述CrN_x層由i層N氮含量不同的Cr-N層組成，所述i大于等于2；

或

所述CrN_x層由N含量為9-67wt％的單層Cr-N構成。