[发明专利]二硫化钼自润滑复合涂层及覆有该复合涂层的活塞环

说明书

 

技术领域

本发明属于薄膜材料技术领域，涉及一种二硫化钼自润滑复合涂层及覆有该复合涂层的活塞环。

背景技术

活塞环作为燃油发动机的关键零部件,和活塞、气缸共同构成摩擦系统，活塞环与气缸壁的摩擦是影响发动机摩擦损失的主要因素之一，因此对活塞环的耐磨性要求比较高。特别是新的欧IV排放标准对活塞环的耐磨性提出了更高的要求。

目前一般通过在活塞环上涂覆耐磨图层的方法来提高活塞环的耐磨性。传统喷涂工艺、电刷镀等不适合活塞环镀层，电镀铬处理方法存在污染环境、镀铬层蹭性能不能满足新排放标准等问题。在活塞环上采用物理气相沉积方法（PVD）涂镀氮化铬耐磨涂层可有效提高活塞环的耐磨性能，但是PVD氮化铬涂层摩擦系数偏高，摩擦系数大于0.4。

钼系化合物润滑材料是一种摩擦学性能优良的润滑材料，被广泛应用于航空、航天、航海、机械等领域。二硫化钼能明显改善润滑脂的承载能力和抗磨性能，在高负荷下的抗磨效果尤为明显。近年来随着涂层技术发展，科研人员开发了二硫化钼自润滑涂层，二硫化钼固体自润滑涂层具有较高的承载能力，干摩擦条件下适用于低速、重载工况，在高温条件下其性能指标优于石墨等固体润滑剂。将二硫化钼自润滑涂层涂覆于活塞环表面将大大提高活塞环的耐磨性能，从而提高活塞环使用寿命。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种二硫化钼自润滑复合涂层、覆有该复合涂层的活塞环及制备方法，以进一步提高活塞环的耐磨性能。

本发明提供的一种二硫化钼自润滑复合涂层，包括覆于活塞环基体上的氮化钼基础镀层和覆于氮化钼基础镀层上的二硫化钼自润滑层，所述的二硫化钼自润滑层为硫含量沿厚度方向连续变化的梯度层，且梯度层与氮化钼基础镀层接触面的硫含量最小。 

上述氮化钼基础镀层厚度为3~6微米。

上述二硫化钼自润滑层厚度为0.3~4微米。

将上述二硫化钼自润滑复合涂层涂覆于活塞环基体上，可显著提高活塞环的耐磨性性。所述的活塞环基体为钢质基体或铸铁基体。

本发明还提供了在活塞环上沉积上述二硫化钼自润滑复合涂层的方法，在真空沉积腔内沉积二硫化钼自润滑复合涂层，包括：在氮气环境中电弧蒸发钼靶，在活塞环基体上沉积氮化钼基础镀层；在硫化氢气体环境中电弧蒸发钼靶，在氮化钼基础镀层上沉积二硫化钼自润滑层。

作为优选，在活塞环基体上沉积氮化钼基础镀层前，对活塞环基体进行等离子体刻蚀，以去除活塞环基体表面污染物。

上述方法的一种具体实施方式是：

采用电弧蒸发在活塞环基体上沉积氮化钼基础镀层和在氮化钼基础镀层上沉积二硫化钼自润滑层，其中，在活塞环基体上沉积氮化钼基础镀层过程中，沉积腔真空度为0.5~3.0Pa，沉积腔温度为200~300℃，偏压条件为-40~-400V；在氮化钼基础镀层上沉积二硫化钼自润滑层过程中，沉积腔真空度为0.5~5.0Pa，沉积腔温度为200~400℃，偏压条件为-40~-200V。

在氮化钼基础镀层上沉积二硫化钼自润滑层过程中，使硫化氢气体流量连续增加，以获得硫含量沿厚度方向连续变化的二硫化钼自润滑层。

作为优选，在氮化钼基础镀层上沉积二硫化钼自润滑层过程中，通入的硫化氢气体为离化的硫化氢。获得离化的硫化氢的一种具体方法为：通过空心阴极离子源向真空腔通入硫化氢，以提高硫化氢气体的离化率，获得离化的硫化氢。

本发明方法通过电弧蒸发钼靶获得金属钼，在沉积腔内通入N₂并对N₂电离以获得氮元素；在沉积腔内通入H₂S并对H₂S电离以获得硫元素；并通过逐渐增加硫化氢气体流量，在氮化钼基础镀层上沉积由缺硫的二硫化钼层逐渐过度到纯二硫化钼层的梯度层，实现具有梯度结构的硫含量沿厚度方向连续变化的二硫化钼自润滑层。

 

本发明具有如下特点：

氮化钼基础镀层可有效提高活塞环基体硬度，同时给予二硫化钼自润滑层以良好的支撑；梯度结构的二硫化钼自润滑层解决了氮化钼基础镀层到二硫化钼自润滑层过度的突兀，避免了应力过大造成的脱膜问题，具有良好的附着力，且有效增强了活塞环的耐磨性。

与现有技术相比，本发明可带来如下有益效果：

1、本发明二硫化钼自润滑复合涂层具有合适的硬度（硬度约2000Hv），不会因过高硬度对气缸造成不必要的刮擦损伤；具有低的自润滑摩擦系数（约0.3），从而可快速适应与气缸间的摩擦工况。