[发明专利]纳米多层活塞环涂层及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层及其制备方法与应用。所述纳米多层活塞环涂层形成在活塞环母材上，并且包括金属Cr过渡层和CrCN/Cr纳米多层涂层，所述CrCN/Cr多层涂层包括交替叠设的CrCN层和Cr层。所述制备方法包括：在镀膜设备中，采用多弧离子镀技术在所述活塞环母材上依次沉积金属Cr过渡层和CrCN/Cr纳米多层涂层，形成所述纳米多层活塞环涂层。本发明提供的纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层具有高硬度、高结合力、高耐磨性、低摩擦系数等优点，且制备方法简单易行，可控性高，成本低廉，可批量生产强韧与润滑一体化的活塞环涂层，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种活塞环CrCN/Cr纳米复合涂层及其制备方法，属于材料表面处理技术领域。

背景技术

CrN涂层因具有高硬度、高耐磨性而在刀具、模具、发动机等领域获得广泛应用。CrN涂层的活塞环具有优异的耐磨性和耐熔着性能，例如“理研公司的CrN涂层活塞环”耐磨性、抗拉缸性能均优于镀铬活塞环和氮化环。同时，CrN涂层陶瓷活塞环可节省燃油3％～8％，缸套磨损减小1/3～1/2，导热性提高45％，尾气排放降低40％～60％，具有明显的节能降耗的优势。但是，硬质CrN活塞环因存在裂纹或缺口及其引起的涂层剥落等问题，导致活塞环不能发挥出性能优势。此外，干摩擦及油润滑条件下CrN涂层摩擦系数高，磨损率大等问题易引起活塞环的严重磨损而失效。石墨态的C元素作为润滑相获得了广泛应用，同样对改善CrN的摩擦磨损性能有明显效果。但是，掺杂C元素后的CrCN涂层存在的低结合力、高应力等问题，制约该涂层在发动机活塞环等零部件的应用。作为发动机的关键运转部件，活塞环的使役寿命与运行稳定性很大程度取决于部件的摩擦系数与磨损率。如何提高活塞环的耐磨性，降低活塞环的服役过程中摩擦系数，将对提高发动机的燃油效率，减低污染物排放，节约成本，提高发动机运行稳定性有关键性作用，而这也是本领域长期以来一直渴望解决的难题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种活塞环CrCN/Cr纳米复合涂层及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种纳米多层活塞环涂层，所述纳米多层活塞环涂层形成在活塞环母材上，并且所述纳米多层活塞环涂层包括金属Cr过渡层和CrCN/Cr纳米多层涂层，所述CrCN/Cr多层涂层包括交替层叠的CrCN层和Cr层。

较为优选的，所述CrCN层主要由CrN、碳化铬及单质C相等组成。

较为优选的，所述Cr层主要由金属Cr以及CrN相等组成。

本发明实施例还提供了一种制备所述纳米多层活塞环涂层的方法，其包括：将活塞环母材置于镀膜设备真空腔体中，采用多弧离子镀技术在所述活塞环母材上依次沉积金属Cr过渡层和CrCN/Cr纳米多层涂层，直至形成所述纳米多层活塞环涂层。

在一些实施方案中，所述多弧离子镀技术采用的工艺条件包括：Cr靶，靶电流为50A～100A，偏压-20A～-100A，温度350℃～450℃，工作气体包括氩气、氮气及烃类气。

较为优选的，沉积形成所述金属Cr过渡层的条件包括：氩气流量100sccm～400sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间5min～50min。

较为优选的，沉积形成CrCN层的条件包括：氩气流量0sccm，氮气流量300sccm～800sccm，烃类气流量10sccm～100sccm，沉积时间5min～50min。

较为优选的，沉积形成Cr层的条件包括：氩气流量100sccm～400sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间1min～10min。