一种活塞环表面的多层多元复合硬质PVD镀层、活塞环及制备工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种活塞环表面的多层多元复合低摩擦系数硬质PVD镀层、活塞环及制备工艺。本发明专利技术是采用真空多弧离子镀气相沉积法，利用多个多弧离子源，结合配备不同的单一金属靶材和多元元素靶材，在钢质或铸铁活塞环表面沉积多层多元复合低摩擦系数硬质PVD镀层。所述镀层共分五层结构，总厚度可达60μm。所述镀层与活塞环表面结合强度高，硬度高，摩擦系数低，耐磨性好。控制添加元素Al、Mo、W、B、Si、Ti的添加量可比单一TiN或CrN镀层的摩擦系数再降低5～20%。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及活塞环表面处理
，具体涉及一种活塞环表面的多层多元复合硬质PVD镀层、活塞环及制备工艺。
技术介绍
活塞环作为内燃机的关键部件之一，其磨损对发动机整体燃油消耗有着非常重要的影响。目前，车用发动机（尤其是柴油机）正在向高机械负荷、高输出功率（高热负荷）、低燃料消耗及低废气排放等方向发展。活塞环因此厚度变薄、重量变轻，这就要求活塞环具有很高的强度（热疲劳强度），耐磨、耐拉缸性能，以及对缸套不会造成太大磨耗的滑动特性。先进表面处理工艺在活塞环领域得到大力的推广普及。近年来，以往多用于汽油机上的钢质活塞环被逐渐引入到柴油机领域，一些柴油机开始采用钢质环。而钢质环现已大量采用较先进的氮化、喷钼及PVD工艺。对于发动机活塞一环而言，在发动机运行时，不仅承受热疲劳、热应力的影响，同时承受由燃烧时气体爆发压力作用产生的大部分侧面压力所带来的磨损和黏着的影响。钢质活塞环表面处理已成为不可缺少的一道加工工艺。常用的方法是对钢环进行离子氮化处理，而形成耐磨氮化层，由于边缘区域的硬度明显提高以及随之而来的特殊氮析出物，使活塞环缸套副的磨损损害大大降低，活塞环侧面与环槽侧面的良协调性提高。但是，氮化钢环的耐磨性及其相对较低的热负荷承载能力，对应用于现代发动机机第一道活塞环而言，一般来说是不够的。最新一代的活塞环镀层是按物理气相沉积法（PVD）制造的。目前，主流的表面处理方法是在活塞环的外圆工作面沉积氮化物镀层（TiN、CrN等）。形成的镀层的性能特点是具有较高的硬度（1000和2000HV之间和陶瓷结晶体组织，因此这种镀层显现出了低的磨损率和较高的化学稳定性。但是，由于这种从薄膜衍生而来的镀层工艺，使得PVD镀层在活塞环上的应用受到了限制。已经发现，在镀层厚度超过50μm的情况下，由于极高的镀层内应力，出现了镀层的附着和裂纹问题。为了提高活塞系统的效率和寿命，高硬度耐磨涂层逐渐被广泛采用，然而硬质涂层虽可大幅提高缸套与活塞环摩擦副的耐磨寿命，却仍然对其相对运动时的摩擦系数的影响不大。虽然有效的方法还有沉积兼具低摩擦与低磨损特性的非晶碳涂层，可以是DLC（类金刚石碳），也有GLC（类石墨碳），该类涂层除了硬度较高（～20GPa）外，还具备油环境特别是贫油工况下超低的摩擦系数（<0.1），这就使其成为了目前最有前景的发动机系统减摩抗磨材料。但其无法彻底解决高温稳定性、镀层脆性和持久的耐磨性等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于在单一高硬度耐磨镀层的基础上，通过添加合适的多元元素，降低镀层的摩擦系数，提高耐磨性能。同时利用多层镀层结构，降低镀层应力，提高镀层的结合力，增加镀层的沉积厚度。本专利技术是采用真空多弧离子镀气相沉积法，利用多个多弧离子源，结合配备不同的单一金属靶材和多元元素靶材，在钢质或铸铁活塞环（含氮化层或无氮化层）表面沉积多层多元复合低摩擦系数硬质活塞环PVD镀层。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的目的之一在于提供一种活塞环表面的多层多元复合硬质PVD镀层，所述镀层从下至上依次为单一金属打底层、单一氮化物过渡层、单一氮化物镀层、多元氮化物过渡层及多元氮化物镀层。本专利技术所述单一金属为Cr。所述单一氮化物为CrN。所述多元氮化物为Cr(Me)N；其中，所述Me为Al、Mo、W、B、Si或Ti中的一种或至少两种的组合。其中Me的典型但非限制性的例子包括：Al，Mo，W，B，Si，Mo和B的组合，W和B的组合，Mo和Si的组合，Mo、W和Si的组合，W、Mo和B的组合等，皆可用于实施本专利技术。Al，Mo，W，Si，B，Ti等润滑元素可单独或组合添加进入镀层，形成最表层的Cr(Me)N硬质镀层，以保持或提高镀层的整体硬度，可达到1600～2600HV，同时其摩擦系数由0.6～0.7降低至0.3～0.6。所述单一金属打底层的厚度为1～4μm，例如1.01～3.9μm，1.2～3.56μm，1.43～3.3μm，2.7～3.14μm，2.95～3.1μm，3.04μm等。所述单一氮化物过渡层的厚度为1～6μm，例如1.01～5.9μm，1.2～4.56μm，2.43～3.3μm，2.7～3.14μm，2.95～3.1μm，3.04μm等。所述单一氮化物镀层的厚度为5～20μm，例如5.02～19.6μm，10～18μm，14.5～16μm，15.3μm等。所述多元氮化物过渡层的厚度为2～10μm，例如2.02～9.96μm，3.4～9.6μm，5.86～9.2μm，6.3～8.6μm，7～8.2μm，7.5μm等。所述多元氮化物镀层的厚度为5～20μm，例如5.02～19.6μm，10～18μm，14.5～16μm，15.3μm等。所述镀层的总厚度为14～60μm，例如14.01～59.8μm，15～56μm，16.7～54.2μm，18～51μm，20.3～47μm，26～43μm，29.7～40μm，32～37.5μm，34μm等。本专利技术的目的之二在于提供一种具有如上所述多层多元复合硬质PVD镀层的活塞环，所述活塞环经氮化处理或不经氮化处理。所述活塞环表面与镀层之间设有氮化层或者没有氮化层。所述氮化层可由离子氮化处理或气体氮化处理产生。本专利技术的目的之三在于提供一种活塞环表面的多层多元复合硬质PVD镀层的制备工艺。该工艺可用于制备如上文所述的活塞环表面的多层多元复合硬质PVD镀层。所述工艺在PVD真空镀层装置中进行，包括以下步骤：（1）将活塞环表面进行净化处理；（2）引燃单一金属靶材产生冷场致弧光放电，在活塞环表面沉积单一金属打底层；（3）逐渐通入氮气，在单一金属打底层上沉积氮含量渐增的单一氮化物过渡层，继续沉积单一氮化物镀层；（4）引燃多元元素靶材，逐渐升高其阴极电流，在单一氮化物镀层上沉积金属含量渐增的多元氮化物过渡层；最后沉积固定合金含量的多元氮化物镀层。在进行步骤（2）时，控制真空腔内真空度在1.02～1.38Pa，活塞环偏压调至-17～-23V。所述真空度可选择1.03～1.37Pa，1.06～1.33Pa，1.1～1.3Pa，1.15～1.22Pa，1.18Pa等。所述偏压可选择-17.01～-22.9V，-19～-21V，-20.4V等。步骤（3）通入氮气后，活塞环偏压调至-30～-40V，例如可选择-30.01～-39.8V，-33～-37.5V，-34.2～-36V，-35.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种活塞环表面的多层多元复合硬质PVD镀层，其特征在于，所述镀层从下至上依次为单一金属打底层、单一氮化物过渡层、单一氮化物镀层、多元氮化物过渡层及多元氮化物镀层。

【技术特征摘要】
1.一种活塞环表面的多层多元复合硬质PVD镀层，其特征在于，所述镀
层从下至上依次为单一金属打底层、单一氮化物过渡层、单一氮化物镀层、多
元氮化物过渡层及多元氮化物镀层。
2.如权利要求1所述的镀层，其特征在于，所述单一金属为Cr；
优选地，所述单一氮化物为CrN；
优选地，所述多元氮化物为Cr(Me)N；其中，所述Me为Al、Mo、W、
B、Si或Ti中的一种或至少两种的组合。
3.如权利要求1或2所述的镀层，其特征在于，所述单一金属打底层的厚
度为1～4μm；
优选地，所述单一氮化物过渡层的厚度为1～6μm；
优选地，所述单一氮化物镀层的厚度为5～20μm；
优选地，所述多元氮化物过渡层的厚度为2～10μm；
优选地，所述多元氮化物镀层的厚度为5～20μm；
优选地，所述镀层的总厚度为14～60μm。
4.一种具有如权利要求1-3之一所述多层多元复合硬质PVD镀层的活塞
环，其特征在于，所述活塞环表面经氮化处理或不经氮化处理。
5.一种活塞环表面的多层多元复合硬质PVD镀层的制备工艺，其特征在
于，所述工艺在PVD真空镀层装置中进行，包括以下步骤：
（1）将活塞环表面进行净化处理；
（2）引燃单一金属靶材产生冷场致弧光放电，在活塞环表面沉积单一金属
打底层；
（3）逐渐通入氮气，在单一金属打底层上沉积氮含量渐增的单一氮化物过
渡层，继续沉积单一氮化物镀层；
（4）引燃多元元素靶材，逐渐升高其阴极...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴映雪，刘千喜，张波，
申请(专利权)人：仪征亚新科双环活塞环有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32