活塞环PVD镀层

1、离子镀膜的原理及其应用    离子镀膜的原理,曾在1963年由美国航空航天局的Mattox提出。该技术与真空蒸镀法和喷镀法有所不同,是将被镀工件和蒸发源同置于氩等气体放电的环境中等离子化,然后在阴极被镀工件上蒸镀金属。用氮气、碳化氢气体及氧气等反应性气体取代氩气体,便可析出氮化物、碳化物及氧化物等陶瓷保护膜。图l是离子镀膜的原理图。    近来,利用离子镀膜法,常在切削工具及模具表面镀上TiC及TiN。TiC及TiN保护膜,在短时间内可保持非常理想的耐磨性,但无法加大保护膜厚度,不适用于延长活塞环寿命,故着眼于铬金属,开发了铬-氮系保

2、护膜。    其应用目标是,保证优良的耐磨性及耐胶着性,加大保护膜厚度（保证厚度在l0um以上),并确保其和被镀基体的附着性。Cr-N系保护膜(IP-200)的形成    Cr-N系保护膜是使用蒸发源金属铬和反应性气体氮在反应炉中形成的,其成分是Cr2N和CrN。参见图2所示的Cr、N浓度分布。Cr-N系保护膜(IP-200)的特性    IP-200保护膜的附着性    要保证金属和陶瓷的附着性难度较大。一般来讲,离子镀膜的厚度为2-10um.而日本Riken公司利用自己的

3、方法,开发了厚度达l0-60um的镀膜,不仅附着性好、厚度大,而且具有可以充分确保活塞环功能的附着力,这种效果是使用特别的前处理方法实现的。图3为Cr-N系保护膜厚度与附着性的关系。可以看出,如果保护膜厚度增大,其抗剥离性变差,但是当膜厚度为60um时,附着性仍然很好。   IP-200保护膜的硬度     图4示出Cr-N系保护膜的硬度。从图4中可以看出,其硬度远高于电镀硬质铬及氮化(GN:气体氮化18%Cr不锈钢)的硬度,硬度为l500-2000HmV。这是因为它与金属铬不同,属陶瓷系.   IP-200的耐胶着性 &#

4、160;   表面硬度越高,耐胶着性越强。Cr-N系的IP-200亦不例外,其耐胶着性约是电镀硬质铬的1.5倍,见图5。评价耐胶着性是使用图6所示的Riken式超高压磨损试验机按表1所列条件试验的。    结果表明,高硬度、高熔点的材质具有良好的耐胶着性。  lP-200的耐磨性(单体评价)    图7为用图8所示的科研专用磨损试验机,对表面保护膜及相配材料磨损程度进行评价的结果。可见,Cr-N系IP-200保护膜的耐磨性优于镀硬质铬及氮化处理,可达到现在广泛使用的氮化处理的2-3倍。该单体磨损试验是按表2所列条件

5、进行评价的。   IP-200的实机评价    在实机活塞环外周镀上IP-200保护膜,分别用汽、柴油机进行耐久性评价。      (l)汽油机的实机评价        为了加快试验进度,使用了磨损量较大的含铅汽油(3.0g·Pb/USG),在连续高速条件(6000×4/4×100h)下,进行了耐久试验。并将外缘镀上IP-200保护膜的三片式油环与氮化件进行比较,结果见图9。另外,对头道环进行各种表面处理后的耐磨性评

6、价结果,见图l0.同样以lP-200为优。       (2)柴油机的实机评价     在柴油机头道环上镀iP-200保护膜后的耐久性评价结果,示于图l1。在钢制油环(DVM)的外缘上镀IP-200保护膜后的低水温耐久性试验结果,见图l2。使用有铅汽油的耐久试验结果表明,Cr-N系IP-200保护膜的磨损极小。这是因为它对氯化物这一除铅剂具有很强的耐腐蚀性。可见,在使用无铅汽油的情况下,其耐久性可望高于镀铬件(经验表明,IP-200保护膜的磨损量是镀铬件的1/8-l/4,相信会作为无公害,优化表面处理的手段推广采用)。.在同样的腐蚀环境中,镀IP-200保护膜的柴油机活塞环耐磨性优于镀铬环,为减少柴油机的维修量作出了一定的贡献。综上所述,