本发明专利技术公开了一种ＰＶＤ铬基陶瓷复合涂层活塞环及其制备方法，这种活塞环通过采用大功率电弧放电法，在经过渗氮处理的活塞环基体上镀制铬基陶瓷复合涂层制得，复合涂层由粘结层、主耐磨层和减磨层构成，粘结层和活塞环基体为冶金结合，主耐磨层在粘结层上面，减磨层在主耐磨层的表面，粘结层为Ｃｒ，主耐磨层为Ｃｒ和ＣｒＮ交替构成的Ｃｒ／ＣｒＮ多层涂层，减磨层为Ｃｒ和Ｃｒ↓［２］Ｏ↓［３］交替构成的Ｃｒ／Ｃｒ↓［２］Ｏ↓［３］多层涂层。本发明专利技术涂层结构设计合理，所制涂层具有良好的结合力、高硬度及良好的润滑性能。且所用方法的制备过程无污染，不但克服了常规电镀铬严重的环境污染问题，所制涂层具有比电镀铬更好的耐磨和抗腐蚀性能，可大幅度提高活塞环的使用寿命。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种PVD铬基陶瓷复合涂层活塞环及其制备方法，属于薄膜材料 领域。
技术介绍
活塞环和活塞是发动机中最为关键的部件之一。目前渗氮和镀铬是活塞环表 面应用最为广泛的技术，由于渗氮活塞环的耐磨性比电镀铬差，活塞环表面镀铬 成为提高其使用寿命的主要措施。它通过在其外圆或上下端面甚至内圆表面覆盖铬层，改变摩擦面的性质，达到提高活塞环耐磨性的目的。实践证明，第一道环 镀铬后，其寿命比铸铁环延长3 5倍.同时电延长第二道、第三道环的使用寿命。 镀铬层结构细而致密，硬度可达700 900HV，摩擦因数较小，对燃烧产物硫酸等 的耐腐蚀性很高，其缺点是浸润润滑油的能力差。因为镀铬工艺过程毒性相当大， 即使采用多种措施，仍然不可避免地污染环境。从制备工艺而言，镀铬过程中活 塞环的装夹、耗能及劳动量相当大。从涂层性能而言，镀铬层较脆，稍有缺陷立 即碎裂脱落，形成高硬度的颗粒，这往往是气缸损伤的重要原因之一。从产品合 格率来说经常有20~30%的不合格产品。因此，取消毒性大的镀铬工艺，寻求一种 既保持活塞环的耐磨性又没有污染的表面处理工艺是一个急需的课题。为了寻求替代技术，国际国内进行了长期大量的工作，主要集中在化学镀镍 磷、热喷涂、电刷镀。化学镀镍磷处理工艺存在一定程度的污染，并且硬度较低 (Hv 500-600);热喷涂的效率较高，但对基体材料有一定要求，喷涂的材料有限， 喷涂的表面粗糙，需要二次加工；电刷镀具有比电镀更好的附着力，对形状比较 简单的部件使用效果较好，在大型机械设备大轴的修复中发挥了良好的作用，而 对活塞环则无法进行高效的镀层，在性能上无法和电镀铬相比。用无污染的物理 气相沉积技术(Physical Vapor Deposition:简称PVD)镀铬基陶瓷复合涂层来代替 传统的电镀铬涂层是近年来发展的趋势，国内外不少研究机构进行了许多有益的 尝试，包括电子束蒸法、离子束溅射、阴极电弧沉积以及磁控溅射等。其中电子 束蒸发镀膜效率较高，但其镀膜方向性较强、均匀性较差、附着力低、不利于复 杂外型工件的制备；传统磁控溅射方法制备的涂层没有液滴问题，同时制备温度 较低，可以在各种基体材料(如钢铁、有色金属、塑料等)上进行制备，但载能离子较少，涂层速率较低，难以进行厚膜制备。上述各类镀膜方法沉积速率一般 在几个微米/小时。而通用电镀铬一般要求厚度在50 150微米，若用传统方法则意 味着镀10 30小时，涂层成本急剧上升。上述方法在进行厚膜制备时达到一定厚 度后涂层生长速率降低，同时由于应力增大会导致涂层脱落，不能进行规模化的 工业生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种PVD铬基陶瓷复合涂 层活塞环及其制备方法，该种活塞环具有良好的耐磨和润滑性能；采用PVD铬基 陶瓷复合涂层活塞环后可以降低活塞环的磨损，在汽车和摩托车行业广泛应用， 能够降低汽车和摩托车运行过程中的故障率，延长发动机的维修周期，提高运行 的安全性。本技术以自主研发的高密度大功率电弧放电技术为基础，吸收国外最 新涂层技术，进行PVD镀铬基陶瓷涂层的制备，取代现行电镀铬涂层，避免电镀 生产过程造成的重金属污染问题。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是 一种PVD铬基陶瓷复合涂层活 塞环，它包括经过渗氮处理的活塞环基体和在该活塞环基体上附着的铬基陶瓷复 合涂层，铬基陶瓷复合涂层由粘结层、主耐磨层和减磨层构成，粘结层和活塞环 基体为冶金结合，主耐磨层在粘结层上面，减磨层在主耐磨层的表面；粘结层为 过渡金属Cr，主耐磨层为Cr层和CrN层交替构成的Cr/CrN多层涂层，减磨层为 Cr层和&203层交替构成的&/0203多层涂层；粘结层厚度为100~200纳米，主 耐磨层厚度为10~20微米，由2到4层Cr层和CrN层交替构成，每层Cr的厚度 为100-200纳米，每层CrN的厚度为4~5微米；减磨层厚度为5 10微米，由2到 5层Cr层和Cr203层交替构成，每层Cr的厚度为100 200纳米，每层Cr203的厚 度为1~3微米。本专利技术还提供了上述PVD铬基陶瓷复合涂层活塞环的制备方法在 400 45(TC、氩气环境下，对经过渗氮处理的活塞环基体进行辉光清洗，辉光放电 过程中工件上的偏压为-800V -1200V，辉光时间为30~60分钟；辉光清洗结束后， 在0.3~1.0Pa条件用电弧放电方法沉积100~200纳米厚的过渡金属Cr层；然后在 400~450°C、 -100V -250V偏压、2~5Pa气压条件下，用电弧放电方法沉积10-20 微米主耐磨层，该主耐磨层为Cr层和CrN层交替构成的Cr/CrN多层涂层，每层 Cr的厚度为100~200纳米，每层CrN的厚度为4~5微米；当主耐磨层沉积结束后，5在400 450。C、 -100V -250V偏压、2 5Pa气压条件下，用电弧放电方法沉积5 10 微米减磨层，该减磨层为Cr层和Cr203层交替构成的Cr/Cr203多层涂层，每层Cr 的厚度为100~200纳米，每层Cr203的厚度为1~3微米；制备结束后自然冷却，得 到PVD铬基陶瓷复合涂层活塞环。由上述技术方案可知本专利技术是利用大功率电弧放电法制备铬基陶瓷复合涂 层。该方法首先利用电弧放电技术的高离化率把Cr离子从Cr耙上蒸发出来，在 氩气条件下不通入氮气时在工件上生成Cr粘结层，粘结层制备结束后，通入氮气 反应生成CrN。由于CrN涂层厚度在4微米以上时涂层应力较大，容易使涂层从 工件上剥落。为了克服CrN厚涂层的应力问题，本专利技术采用Cr和CrN形成Cr/CrN 多层涂层结构，可以大幅度降低涂层应力。为了实现Cr/CrN多层结构的制备，间 断性的通入氮气，控制通断时间则可以进行Cr/CrN主耐磨层的制备。由于活塞环 和缸套是一对摩擦副，在提高活塞环表面硬度的同时，为了使活塞环和缸套更好 的磨合，需要在活塞环的表面制备摩擦系数较低的涂层使活塞环表面具有良好的 润滑性能。由于Cr2O3涂层不但具有很高的硬度(30GPa)，同时对钢铁的摩擦系数 较低(约为0.3)，为此本专利技术采用Cr203作为活塞环表面的减磨层。但由于Cr203 涂层的高硬度导致其内应力比CrN更高，容易使涂层从工件上剥落。为了克服 Cr203厚涂层的应力问题，本专利技术采用Cr和Cr203形成Cr/Cr203多层涂层结构，可 以大幅度降低涂层应力。为了实现Cr/Cr203多层结构的制备，间断性的通入氧气， 控制通断时间则可以进行Cr/Cr203减磨层的制备。因此本专利技术具有如下优点第一，与电镀铬相比，本专利技术采用完全无污染的 大功率电弧放电技术，克服了电镀铬中严重的重金属污染问题；第二，本专利技术由 于采用大功率电弧放电方法，涂层和基体为冶金结合，具有良好的附着力，不会像电镀铬一样有时会产生剥落现象，在缸套中产生划伤缸套事件；第三，本专利技术所制备的铬基陶瓷复合涂层具有高达30GPa的显微硬度，而电镀铬只有8GPa左右， 由于涂层的耐磨性和硬度直接相关，所以本专利技术所制备的铬基陶瓷复合涂层具有 比电镀铬更好的耐磨性能；第四，由于本专利技术中涂层的顶部为减磨层，使铬基陶 瓷涂层摩擦系数较低(0.3)，而电镀铬和钢的摩擦系数则在0.6以上本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种ＰＶＤ铬基陶瓷复合涂层活塞环，其特征在于：它包括经过渗氮处理的活塞环基体和在该活塞环基体上附着的铬基陶瓷复合涂层，该复合涂层由粘结层、主耐磨层和减磨层构成，粘结层和活塞环基体为冶金结合，主耐磨层在粘结层上面，减磨层在主耐磨层的表面，粘结层为过渡金属Ｃｒ，主耐磨层为Ｃｒ层和ＣｒＮ层交替构成的Ｃｒ／ＣｒＮ多层涂层，减磨层为Ｃｒ层和Ｃｒ↓［２］Ｏ↓［３］层交替构成的Ｃｒ／Ｃｒ↓［２］Ｏ↓［３］多层涂层。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨兵，丁辉，付德君，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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