本发明专利技术提供了一种具有耐磨减摩作用的镀层、其制备方法及活塞环，镀层依次包括粘结层、过渡层、梯度层和功能层；梯度层为Mo元素含量梯度增加的CrMoxN层；功能层包括至少一个循环层，每一个循环层由下至上依次包括第一CrMoxN层和第二CrMoxN层，第一CrMoxN层中的Mo元素含量低于第二CrMoxN层中的Mo元素含量。本发明专利技术提供的镀层相比于CrN镀层，摩擦系数降低10％～30％，摩擦系数为0.3～0.45；镀层的整体硬度可达到1400～2600HV，厚度可达80μm，能够满足活塞环全寿命的耐久性能的要求；镀层的制备工艺简单，可操作性强，便于工业化推广。
A coating with wear resistance and friction reduction, its preparation method and piston ring
【技术实现步骤摘要】
一种具有耐磨减摩作用的镀层、其制备方法及活塞环
本专利技术属于表面处理
，涉及一种镀层及其制备方法和用途，尤其涉及一种具有耐磨减摩作用的镀层、其制备方法及活塞环。
技术介绍
要适应日趋收紧的燃油耗标准，提高发动机的燃烧效率，以及减少发动机各零部件的摩擦损失是应对的有效方法。其中活塞组件的摩擦损失在车用发动机的总摩擦损失中占40～60％。因此，降低活塞组件的摩擦损失至关重要，对活塞环提出了整个使用寿命中尽可能具有低摩擦性能的要求。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。目前有两个发展方向，其一，软硬搭配的多层涂层成为涂层的发展方向之一，耐磨的硬涂层与减摩的软涂层组合能达到耐磨又减摩的双重作用。据报道，在冷冲模具钢Cr12MoV上物理气相沉积CrTiAlN/MoST复合涂层，CrTiAlN涂层的有利支撑使得MoST涂层充分发挥其润滑作用，而MoST涂层显著降低了CrTiAlN涂层的摩擦系数并有效地延长了涂层寿命。但是，其减摩的作用存在明显的限制，软涂层外层使得该复合涂层的硬度要明显低于传统硬涂层，且一旦软涂层外层剥落厚其减摩作用消失，复合涂层的磨损率呈上升趋势。其二，有效的方法还有沉积兼具低摩擦与低磨损特性的类金刚石镀层，但目前限制类金刚石镀层应用推广的瓶颈主要在于，现有方法制备的类金刚石镀层具有较高的内应力，镀层厚度越大，应力表现也越大，当超过10μm时，镀层本身所觉有的高内应力使得镀层很容易发生剥落，制约镀层制备得到更大的厚度和更长的使用寿命。CN103789725A公开了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。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。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％。但是其耐磨、耐久性及减摩作用还需要进一步提高。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种具有耐磨减摩作用的镀层、其制备方法及活塞环，所述镀层的层与层之间的结合力强，硬度高，摩擦系数小，同时具有耐磨及减摩作用，且其生命周期长。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种具有耐磨减摩作用的镀层，所述镀层位于基体表面，所述镀层由基体表面向外依次包括粘结层、过渡层、梯度层和功能层。所述梯度层为Mo元素含量由2.0～3.0wt％递增到3.0～6.0wt％的CrMoxN层。所述梯度层为Mo元素含量递增的CrMoxN层，可以有效降低镀层内应力，确保镀层沉积得到更大的厚度。所述功能层包括至少一个循环层，如所述功能层包括2个、3个、5个、7个、9个、10个、12个、15个、17个、19个、21个、25个或30个等循环层。每一个循环层由下至上依次包括第一CrMoxN层和第二CrMoxN层，第一CrMoxN层中的Mo元素含量低于第二CrMoxN层中的Mo元素含量。所述循环层的个数本领域技术人员可根据基体的需要进行选择。当所述功能层包括至少两个循环层时，所述功能层为循环调幅结构。循环调幅结构保证了镀层中Mo含量产生明显的成分周期性变化，可使所述镀层的厚度达到80μm，大大提高了镀层的厚度。所述第一CrMoxN层中Mo元素的含量低于第二CrMoxN层中Mo元素的含量有利于降低层与层之间的内应力，提高其相互间的结合力，从而有利于镀层厚度的提高。作为本专利技术一种优选的技术方案，所述第一CrMoxN层中的Mo元素含量为3.0～6.0wt％，如3.2wt％、3.5wt％、3.8wt％、4.1wt％、4.5wt％、4.8wt％、5.1wt％、5.3wt％、5.5wt％或5.8wt％等。优选地，所述第二CrMoxN层中的Mo元素含量为10.0～15.0wt％，如10.2wt％、10.3wt％、10.5wt％、10.8wt％、11.2wt％、11.5wt％、11.8wt％、12.2wt％、12.5wt％、12.8wt％、13.1wt％、13.5wt％、13.8wt％、14.3wt％或14.8wt％等。所述粘结层的作用为保证镀层具有良好的结合能力；所述过渡层的作用为在保证固有基本耐磨性要求前提下，降低镀层内应力；所述梯度层的作用为保证固有的耐磨性、低摩擦性要求前提下，降低镀层内应力；所述功能层的作用为兼具高耐磨性和低摩擦性能。作为本专利技术一种优选的技术方案，所述功能层包括4～20个循环层，如所述功能层包括5个、6个、7个、8个、9个、10个、12个、15个、18个或19个循环层等。作为本专利技术一种优选的技术方案，所述粘结层为Cr层。优选地，所述过渡层为CrN层和/或Cr2N层。优选地，所述基体为活塞环，所述活塞环由钢和/或铸铁制得。所述基体也可为其它物体，本领域的技术人员可根据实际需要进行选择。作为本专利技术一种优选的技术方案，所述镀层的厚度为10～80μm，如12μm、15μm、18μm、20μm、23μm、25μm、28μm、31μm、35μm、38μm、40μm、42μm、45μm、48μm、50μm、52μm、55μm、57μm、60μm、61μm、65μm、68μm、70μm、72μm、75μm或78μm等。所述镀层的厚度本领域技术人员可根据实际的需要如基体的材质、用途等的不同进行确定。所述镀层的厚度可达80μm，可见各层之间的结合力较强。优选地，所述功能层的厚度为7.5～55μm，如7.8μm、8.1μm、8.3μm、8.5μm、9.5μm、10.0μm、10.3μm、10.5μm、11.0μm、11.5μm、11.8μm、12.0μm、12.5μm、13.0μm、14.0μm、15.0μm、18.0μm、20.0μm、21.0μm、22.0μm、23.5μm、28.3μm、30.2μm、34.3μm、38.1μm、40.3μm、43.6μm、48.5μm、50.2μm、53.4μm等。优选地，所述第二CrMoxN层与第一CrMoxN层的厚度比为(2～3):1，如厚度比为2.1:1、2.3:1、2.5:1、2.8:1或2.9:1等。优选地，所述粘结层的厚度为0.5～3μm，如0.8μm、1.0μm、1.2μm、1.5μm、1.8μm、2.1μm、2.3μm、2.5μm或2.7μm等。优选地，所述过渡层的厚度为1～11μm，如1.5μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm等。优选地，所述梯度层的厚度为1～11μm，如1.5μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm等。第二方面，本专利技术提供了一种活塞环，所述活塞环表面上镀有如上所述的镀层。表面具有如上所述镀层的活塞环具有优异的耐磨、减摩作用，其使用寿命大大延长。第三方面，本专利技术提供了一种如第二本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有耐磨减摩作用的镀层，所述镀层位于基体表面，其特征在于，所述镀层沿基体表面向外依次包括粘结层、过渡层、梯度层和功能层；所述梯度层为Mo元素含量由2.0～3.0wt％递增到3.0～6.0wt％的CrMoxN层；所述功能层包括至少一个循环层，每一个循环层由下至上依次包括第一CrMoxN层和第二CrMoxN层，第一CrMoxN层中的Mo元素含量低于第二CrMoxN层中的Mo元素含量。
【技术特征摘要】
1.一种具有耐磨减摩作用的镀层，所述镀层位于基体表面，其特征在于，所述镀层沿基体表面向外依次包括粘结层、过渡层、梯度层和功能层；所述梯度层为Mo元素含量由2.0～3.0wt％递增到3.0～6.0wt％的CrMoxN层；所述功能层包括至少一个循环层，每一个循环层由下至上依次包括第一CrMoxN层和第二CrMoxN层，第一CrMoxN层中的Mo元素含量低于第二CrMoxN层中的Mo元素含量。2.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于，所述第一CrMoxN层中的Mo元素含量为3.0～6.0wt％；优选地，所述第二CrMoxN层中的Mo元素含量为10.0～15.0wt％。3.根据权利要求1或2所述的镀层，其特征在于，所述功能层包括4～20个循环层。4.根据权利要求1-3之一所述的镀层，其特征在于，所述粘结层为Cr层；优选地，所述过渡层为CrN层和/或Cr2N层；优选地，所述基体为活塞环，所述活塞环由钢和/或铸铁制得。5.根据权利要求1-4之一所述的镀层，其特征在于，所述镀层的厚度为10～80μm；优选地，所述功能层的厚度为7.5～55μm；优选地，所述第二CrMoxN层与第一CrMoxN层的厚度比为(2～3):1；优选地，所述粘结层的厚度为0.5～3μm；优选地，所述过渡层的厚度为1～11μm；优选地，所述梯度层的厚度为1～11μm。6.一种活塞环，其特征在于，所述活塞环上设置有权利要求1-5之一所述的镀层。7.根据权利要求1-5之一所述的镀层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)清洗基体表面，得到清洗后的基体；(2)采用多弧离子镀设备在基体表面沉积粘结层；(3)采用多弧离子镀设备在粘结层表面沉积过渡层；(4)采用多弧离子镀设备在过渡层表面沉积梯度层；(5)采用多弧离子镀设备在梯度层表面沉积至少一层循环层形成功能层，得到所述镀层。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述清洗包括如下步骤：(a)将基体表面脱脂除油后进行超声波清洗，干燥后装入多弧离子镀设备，加热到380～450℃，抽真空到5.0×10-3Pa以下；(b)向多弧离子镀设备中通入99.99％纯度的Ar，负偏压-800～-1200V下，Ar离子轰击清洗基体表面。9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述沉积粘结层的工艺条件为：以金属Cr靶为阴极，以Ar为工作反应气体，阴极电流80～120A，气压1～2Pa，基体加负偏压-17～-23V；优选地，步骤(3)所述沉积过渡层的工艺条件为：以金属Cr靶为阴极，以...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘千喜，张波，李开顺，
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
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