本發明涉及一種發動機活塞復合減摩涂層。

背景技術：

隨著汽車工業的飛速發展，能源與環保問題越來越突出，節能減排成為汽車工業發展和競爭的最重要的課題。據研究，對于汽油發動機來講，其機械磨損占整個能量的約17%，而活塞約占機械磨損的18%，因此，降低活塞機械磨損對節能減排至關重要。據研究，降低活塞機械磨損8%，可以降低燃油消耗約0.6%，實現發動機節能減排。

技術實現要素：

為降低活塞的摩擦磨損，降低燃油消耗，提高發動機熱效率，本發明提出一種活塞復合減摩涂層。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種發動機活塞復合減摩涂層，其特征在于：該復合減摩涂層由底層和面層兩層構成，底層為石墨涂層、底層的厚度約10～20微米，面層為二硫化鉬涂層、面層的厚度約5～10微米。

對上述技術方案進一步地限定，所述底層厚度是面層厚度的2倍。優點：在保證面層能承受很大載荷的情況下，有利于底層降低摩擦磨損，從而使底層不受載荷的影響。

有益效果：1.由石墨涂層和二硫化鉬涂層構成的復合減摩涂層具有以下優點：復合減摩涂層的摩擦系數小，有利于降低摩擦磨損，在發動機活塞上應用可降低活塞與發動機缸套或缸體之間的摩擦磨損，從而實現降低發動機燃油消耗，有利于節能減排，也是發動機節能減排技術發展路線之一；2.底層和面層的數值范圍是降低摩擦系數的最優值；3.對復合減摩涂層的摩擦性能進行研究表明，其摩擦系數相對于單一的石墨涂層或二硫化鉬涂層在同等條件下可降低10～20%，同時對活塞及其配對的摩擦副發動機缸套的磨損也相對有所降低，從而可延長活塞的使用壽命。

附圖說明

圖1為本發明的主視圖。

圖2是圖1的左視圖。

圖3是圖2的剖視圖。

圖4是圖3中A的局部放大圖。

圖5是復合減摩涂層與現有技術涂層對比的數據表。

圖6是復合減摩涂層、石墨涂層及二硫化鉬涂層的磨損量(體積)比較圖。

圖7是復合減摩涂層與石墨涂層或二硫化鉬涂層的摩擦機理比較圖。

圖中：1是活塞基體，2是復合減摩涂層，201是石墨涂層，202是二硫化鉬涂層。

具體實施方式

一種發動機活塞復合減摩涂層，一種發動機活塞復合減摩涂層，該復合減摩涂層由底層和面層兩層構成，底層為石墨涂層、底層的厚度約10～20微米，面層為二硫化鉬涂層、面層的厚度約5～10微米。

該復合減摩涂層用于活塞裙部區域，也可以用于活塞環岸區域。下面例舉復合減摩涂層在活塞裙部區域的應用：如圖1、圖2、圖3和圖4所示，包括活塞基體1，在活塞基體1的裙部外周面上涂覆有復合減摩涂層2，復合減摩涂層2由底層201和面層202組成，底層201為石墨涂層、底層201的厚度約10微米，面層202為二硫化鉬涂層、面層202的厚度約5微米；所述底層厚度是面層厚度的2倍，在保證面層能承受很大載荷的情況下，有利于底層降低摩擦磨損，從而使底層不受載荷的影響。

本發明的特點是：因復合減摩涂層的摩擦系數較小，涂有利于降低摩擦磨損，在發動機活塞上應用可降低活塞與發動機缸套或缸體之間的摩擦磨損，從而實現降低發動機燃油消耗，有利于節能減排，也是發動機節能減排技術發展路線之一。

摩擦系數說明：在影響表面涂層摩擦特性的眾多因素中，涂層與基體的硬度搭配關系是比較重要的，涂層一般可分為軟、硬涂層兩種：1）二硫化鉬涂層為軟涂層，軟涂層主要用于要求降低摩擦系數、減小摩擦力的場合。因為摩擦力可近似材料剪切強度與接觸面積之積。軟涂層在與對摩件發生摩擦并受到一定的壓應力時，雖然它與對摩件的接觸面積較之硬涂層要大一些，但其材料剪切強度比硬涂層要小得多，因此使用軟涂層可以起到降低摩擦力的效果。2）石墨涂層為硬涂層，硬涂層則應用于摩擦環境比較惡劣、零件表面須承受很大載荷的工況中。硬涂層由于材料剪切強度很大，即使在其表面上受到一定的摩擦力，涂層表面上的材料也不容易從其表面上剝落下來，因此使用硬涂層可以降低零件表面的磨損。3）從涂層發展趨勢來講，新涂層的開發已朝著軟硬搭配的方向發展。

摩擦性能測試條件說明：1）采用德國OPTIMOL油脂公司生產的SRV-IV微動摩擦磨損試驗機測試表面處理的活塞/缸套的摩擦性能?；钊砻嫱扛膊煌繉樱芯繉Ρ炔煌繉拥哪Σ列阅芗捌淠Σ翙C理。2）試驗機往復摩擦運動的頻率為30 Hz，試驗沖程為2 mm。摩擦測試的起始負荷為10 N，進行5 min磨合后，將載荷增加到20 N并保持恒定，摩擦測試時間為30 min。摩擦中使用的潤滑油為中石化長城潤滑油公司CF-4 15W/40柴油機油，每次摩擦測試前在擦表面滴加0.5 ml潤滑油。工作溫度為120℃。配磨材料為BCu缸套材料。

本發明活塞復合減摩涂層與現有技術涂層對比的數據表，摩擦系數對比如圖5所示；從機理上論述活塞復合減摩涂層的摩擦系數更小的原因。

復合減摩涂層、石墨涂層及二硫化鉬涂層的磨損量(體積)比較：有潤滑油條件下，如圖6所示。

從摩擦機理來看：復合減摩涂層的摩擦機理為磨粒磨損，單一二硫化鉬涂層的摩擦機理為磨粒磨損和輕微粘著磨損，單一石墨涂層的摩擦機理為粘著磨損和磨粒磨損。

復合減摩涂層與石墨涂層或二硫化鉬涂層的摩擦機理比較：如圖7所示，1）涂覆在活塞基體上的單一涂層（石墨涂層或二硫化鉬涂層）經過短時間運轉后，單一涂層（石墨涂層或二硫化鉬涂層）仍然與發動機缸套或缸體產生磨損；2）因二硫化鉬涂層的厚度只有石墨涂層的二分之一，加快了二硫化鉬涂層磨損速度；二硫化鉬涂層經過短時間磨損后，二硫化鉬磨有規律地分布在石墨涂層上，分散的二硫化鉬與石墨涂層結合后實現活塞裙部平滑化，使得活塞與缸孔之間達到流體潤滑的效果，實現提高活塞的減摩、耐磨性能。

復合減摩涂層涂覆工藝流程1：活塞噴淋清洗除油——超聲波清洗除油——噴淋清洗除油——水洗——水洗——水洗——熱純水噴淋清洗——烘干——冷卻——活塞裙部絲網印刷底層——底層表面干燥——活塞裙部絲網印刷面層——固化——冷卻。

復合減摩涂層涂覆工藝流程2：活塞噴淋清洗除油——超聲波清洗除油——噴淋清洗除油——水洗——水洗——水洗——熱純水噴淋清洗——烘干——冷卻——活塞裙部絲網印刷底層——底層固化——活塞裙部絲網印刷面層——面層固化——冷卻。

噴淋清洗除油：采用堿性清洗劑，清洗劑濃度為3～6g/l，溫度為55～65℃，清洗時間為15～60s。噴淋清洗作業方式是將活塞放置在工位上，含清洗劑的溶液通過高壓泵泵入并高速噴淋到活塞表面，實現對活塞的除油和清洗。清洗劑除了具有除油功能外，還有對活塞表面產生輕微腐蝕以達到使活塞表面變得較粗糙的功效，從而提高涂層的結合強度。

超聲波除油：采用堿性清洗劑，清洗劑濃度為3～6g/l，溫度為50～60℃，清洗時間為15～60s。超聲波除油作業方式是將活塞放置在超聲波清洗槽中，活塞浸泡在含清洗劑的槽液中，啟動超聲波對活塞進行除油清洗。

水洗：將活塞放置在水洗槽中，采用自來水對活塞進行清洗，清洗時間為15～60s，溫度：室溫。水洗采用三級逆流清洗，以提高清洗效果并有利于節約用水。

熱純水噴淋清洗：純水電導率≤10μs/cm，溫度55～70℃，清洗時間為15～60s。將活塞放置在噴淋工位上，純水由高壓泵泵入并高速噴淋到活塞表面上，實現活塞的純水清洗?；钊捎眉兯逑从欣诒苊饣钊逑春蟊砻鏆埩酐}分而導致的活塞的腐蝕和涂層結合強度的下降。清洗的純水收集起來通過泵泵入三級逆流水洗的三級水洗槽中，以充分利用純水，節約用水。同時，對純水進行加溫，可以使水快速揮發，有利于烘干。

烘干：采用熱風對活塞進行加熱烘干處理，烘干溫度70～80℃，烘干時間15～20min。

冷卻：將烘干的活塞冷卻到30～40℃，以便下道工序進行絲網印刷涂層。

活塞絲網印刷底層或面層：采用絲網印刷方式在活塞裙部表面涂覆印刷上涂層，絲網印刷環境溫度20～25℃，濕度在40%以下。

底層表面干燥：活塞在絲網印刷底層后對涂層進行干燥處理，使其涂層表面干燥，以進行絲網印刷面層。干燥溫度80～100℃，時間10～30min。

固化：在活塞絲網印刷完成面層后對涂層進行固化處理，使涂層徹底干燥。固化溫度200～210℃，時間20～40min。

底層固化：活塞在絲網印刷底層后對涂層進行固化處理，使涂層徹底干燥。固化溫度200～210℃，時間20～40min。

面層固化：活塞在絲網印刷底層后對涂層進行固化處理，使涂層徹底干燥。固化溫度180～200℃，時間30～40min。

冷卻：將固化后的活塞冷卻到室溫。冷卻采用自然冷卻方式進行，將固化后的活塞取下放置在自然環境中自然冷卻到室溫即可。