[发明专利]一种DLC/TiAlN/CrN/Cr多层超硬膜涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一多层超硬膜涂层及其制备方法，特别是一DLC/TiAlN/CrN/Cr多层超硬膜涂层及其制备方法。 

背景技术

现今，汽车发动机将向高效率、高载荷、高速度及高寿命的方向发展，活塞环作为汽车发动机的核心部件，必须要满足以下条件：(1)硬度高，耐磨性能好，延长发动机的使用寿命，降低维修成本；(2)磨擦系数低，润滑性能好，减少摩擦，减少功率损耗；(3)高温性能好，导热性能好，避免过热损坏情况的出现。目前，活塞环材料多采用铸铁和专用钢材，活塞环结构变化不大。要满足其高要求的使用性能，采用表面耐磨处理技术是活塞环技术主要发展趋势，如活塞环表面涂层工艺，虽然化学镀铬方法一直处于主导地位，但目前复合陶瓷镀铬(CKS)和物理气相沉积技术(PVD)逐步开始在国内的活塞环行业得到应用。 

PVD沉积技术制备的超硬耐磨涂层，如类金刚石膜(DLC)和氮化钛系列，如氮化铝钛(Ti，Al)N、氮碳化钛Ti(C，N)、氮化钛TiN等超硬薄膜材料，已广泛应用于机械加工刀具及耐磨件。其极高的硬度和优良的抗磨损性能，适用于做切削工具、轴承、齿轮、活塞等易磨损机件的耐磨涂层。类金刚石膜(DLC)集高硬度、低的摩擦系数、低磨损率、高的电绝缘性及化学惰性等诸多优点于一身，且其沉积温度低、面积大、表面光洁度高，己被广泛应用于机械、电子、光学及医学领域。TiN膜是一种可以用多种气相沉积方法沉积的超硬机械耐磨涂层，其硬度高、摩擦系数低，但其高温抗氧化性能、抗扩散能力及耐磨性都有很大不足。由于C原子和Al原子的固溶强化作用，氮碳化钛(TiCN)、氮化铝钛(TiAlN)系涂层具有比氮化钛(TiN)高的硬度、好的耐磨性、更低的与钢摩擦系数。对于TiAlN，其耐磨性来自于环口磨损的滞后以及磨蚀磨损，涂层以微剥落为主要磨损形式。而Ti(C，N)主要是因为磨蚀磨损，在磨损区域产生了的中间层，中间层由涂层成分和被磨材料成分构成，而其中C被消耗。TiAlN是抗高温磨损的 良好的固溶体，这是由于形成化学性质稳定的三氧化二铝，从而具有更好的耐磨损性能。 

常用的PVD沉积方法有多弧离子镀、过滤阴极弧、磁控溅射、离子束DLC，其中多弧离子镀具有薄膜附着力强，绕射性好、膜材广泛、膜层质量好等优点；磁控溅射具有成膜速率快、膜的粘附性好等优点，所以多弧离子镀和磁控溅射是较常用的PVD沉积方法。 

目前活塞环表面涂层技术多采用单镀膜层结构，制备的薄膜厚度过薄，一般仅3～5μm，承载能力较差，不能满足高载、高速内燃机的需求。一方面要求涂层要达一定厚度确保耐磨效果，另一方面却因为膜层过厚容易脱落。为了解决这一问题，本发明采用多层膜复合技术。 

发明内容

本发明的目的是提供一多层超硬膜涂层及其制备方法。 

本发明的另一目的是提供一DLC/TiAlN/CrN/Cr多层超硬膜涂层及其制备方法。 

本发明的另一目的是应用电弧离子镀和磁控溅射相结合的技术在基体上制备该DLC/TiAlN/CrN/Cr多层超硬膜涂层。 

本发明的另一目的为提供一DLC/TiAlN/CrN/Cr多层超硬膜涂层。 

基于本发明的发明目的，将通过以下方法制备该DLC/TiAlN/CrN/Cr多层超硬膜涂层，该制备方法包括以下步骤： 

步骤1：在基体上制得厚度为0.1～0.5μm的金属Cr层；优选地，在真空度为4.0×10^-2～5.0×10^-4pa(帕)，温度为50℃～200℃，电弧电流为50A～70A，负偏压-150V～-600V条件下，开铬弧靶溅射5～15分钟，沉积得到厚度为0.1～0.5μm的金属Cr层； 

步骤2：在上述步骤1制得的该Cr层上进一步制得厚度为0.1～0.5μm的CrN层；优选地，在氮气气压为0.1～5Pa，温度为50℃～200℃，电弧电流为50A～70A，负偏压-150V～-600V条件下，开铬弧靶溅射10～25分钟，沉积得到厚度为0.1～0.5μm的该CrN层； 

步骤3：在该步骤2所制得该CrN层上进一步制得厚度为0.1～0.5μm的TiAlN层；其中，优选地，该TiAlN层采用弧光等离子体放电辅助磁控溅射技术 制得，具体采用以下步骤： 

步骤3.1：步骤3.1：在氮气气压为2～10Pa，温度为50℃～200℃，弧流为50～80A，负偏压为-75V～-600V，负偏压占空比为30％～60％，先开钛铝弧靶预溅射1～3分钟；和