[发明专利]一种MoN/CrN纳米复合涂层及其活塞环

说明书

技术领域

本发明涉及一种MoN/CrN纳米复合涂层及MoN/CrN纳米复合涂层在活塞环上的应用，特别涉及沉积MoN/CrN纳米复合涂层于活塞环上的制备方法及相关设备，属于真空电弧离子镀技术领域。

背景技术

随着现代制造业的不断发展，清洁、高效的现代环保意识逐渐成为人们的共识，这也对新型材料的切铣技术、高强度耐磨损、高温抗氧化和极端环境下抗腐蚀性能提出了比较高的要求。新型超硬耐磨涂层已经成为当代信息产业、光学、能源机械和航空航天等领域的基础，与国家建设、社会进步和人民生活密切相关，是表面涂覆科学的重要技术领域。过渡金属氮化物由于自身的高硬度、良好的耐磨损以及耐腐蚀性能被广泛运用于现代材料保护行业。在这些涂层中，MoN由于其卓越的性能被广泛应用和研究，金属氮化物薄膜Mo-Nx一般具有较低的摩擦系数(0.16~0.18)，MoN耐氧化温度为500^oC，在高温情况下会形成MoO₃，这是一种典型的自润滑相，能很好的降低摩擦和切削磨损。近些年的研究报告指出，纳米多层复合氮化物涂层展示出了更加良好的性能，譬如更高的硬度，更高的耐磨损、耐氧化及耐腐蚀性能。例如MoN/Si₃N₄，MoN/TiN以及MoN/VN的纳米多层复合涂层也逐渐成为人们研究的重点。CrN作为传统的硬质薄膜，硬度高、耐磨损、耐高温尤其是优良的抗腐蚀性，使其在注塑模具以及耐磨部件上得到广泛应用。因为CrN晶格参数与MoN的匹配度较高，晶格失配度仅为1.24 %，热扩张系数比较接近，因此适宜于构成超晶格复合薄膜。采用物理气相沉积（PVD）技术在活塞环表面沉积MoN/CrN纳米复合涂层，替代电镀铬，不仅具有更高的硬度、更强的抗高温黏着磨损性和抗氧化性，而且达到绿色无污染环保要求，适用于活塞环服役的高温磨损环境。多弧离子镀技术目前已经广泛应用于现在装备制造业和汽车工业中，通过表面超硬涂层覆盖处理的汽车发动机活塞环，其使用寿命能明显提高3-4倍。本发明之前，中国于2011年6月1日公开专利申请《一种DLC/TiAlN/CrN/Cr多层超硬膜涂层及其制备方法》，专利号为201010608461，该申请制备了一种类金刚石／氮化铝钛／氮化铬／铬多层超硬膜涂层，用于汽车发动机活塞环，所制备涂层硬度较高，但是膜层种类较多，制备过程较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MoN/CrN纳米复合涂层，采用高离化率的阴极电弧离子镀方法沉积出高性能的纳米多层复合涂层，该涂层包括过渡层和超晶格复合薄膜层。

所述的过渡层为活塞环表面衬底材料原子与Mo离子混合沉积而成，厚度为10-30nm。具体为：在50-100℃下，把超声清洗过的活塞环工件在氩等离子体中辉光清洗，然后采用高能Mo离子轰击活塞环表面，不仅可以轰击去除掉活塞环表面的污染，活塞环表面衬底材料原子也会被溅射出来并与Mo离子混合沉积，而入射离子留在衬底内，这样就在“膜－基界面”处形成一层过渡层，过渡层的存在可以极大的提高涂层的附着力。

所述的衬底材料为单晶硅片Si（111）、YT14硬质合金以及钢片。单晶硅片Si（111），一种具有基本完整的点阵结构的晶体，不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料，纯度要求达到99.9999%以上。YT14硬质合金，主要成分是碳化钨、碳化钛（TiC）及钴。钢片，一种经热处理精磨加工制成，具有精密度高，拉力度强，光洁度好，有韧性，不易折断的特点。

所述的纳米复合薄膜层为MoN纳米层与CrN纳米层周期交替沉积复合而成，其中MoN纳米层经纯度为99.9%以上的Mo靶在氮气环境中沉积而得；CrN纳米层经纯度为99.9%以上的Cr靶在氮气环境中沉积而得。

MoN/CrN纳米复合涂层厚度为3～10μm，其中双层MoN/CrN纳米复合涂层厚度为15～30nm，双层MoN/CrN纳米复合涂层周期数为100～1000，单层MoN纳米层厚度为10～20nm，单层CrN纳米层厚度为5～15nm。

本发明的另一目的在于提供一种沉积MoN/CrN纳米复合涂层于活塞环上的方法，该涂层活塞环不但具有较好的耐磨性能，同时由于超晶格纳米复合结构使涂层硬度大大提高。