專利名稱：一種節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)及制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，發(fā)動(dòng)機(jī)在社會(huì)生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。活塞環(huán)-缸套是影響發(fā)動(dòng)機(jī)理想燃燒的一個(gè)重要因素，其摩擦學(xué)性能對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)保與節(jié)能性能有直接影響。體積更小、效率更高、排放更低是發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，這對(duì)活塞環(huán)提出了更高的要求。活塞環(huán)表面鍍鉻是提高其使用壽命的有效措施之一。它通過(guò)在其外圓或上下端面甚至內(nèi)圓表面覆蓋鉻層，改變摩擦面的性質(zhì)，達(dá)到提高活塞環(huán)耐磨性的目的。實(shí)踐證明，第一道環(huán)鍍鉻后，其壽命比鑄鐵環(huán)延長(zhǎng)3-5倍.同時(shí)延長(zhǎng)第二道、第三道環(huán)的使用壽命。鍍鉻層結(jié)構(gòu)細(xì)而致密，硬度可達(dá)700-900HV，摩擦因數(shù)較小，對(duì)燃燒產(chǎn)物硫酸等的耐腐蝕性很高，其缺點(diǎn)是浸潤(rùn)潤(rùn)滑油的能力差。此外鍍鉻工藝過(guò)程毒性相當(dāng)大，即使采用多種措施，仍然不可避免地污染環(huán)境。此外，鍍鉻過(guò)程中活塞環(huán)的裝夾、耗能及勞動(dòng)量相當(dāng)大。涂層性能上鍍鉻層較脆，稍有缺陷立即碎裂脫落，形成高硬度的顆粒，這往往是氣缸損傷的重要原因之一。從產(chǎn)品合格率來(lái)說(shuō)經(jīng)常有20-30%的不合格產(chǎn)品。用無(wú)污染的真空鍍膜技術(shù)制備硬質(zhì)涂層來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電鍍鉻涂層是近年來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外不少研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了許多有益的嘗試，其中電子束蒸發(fā)鍍膜效率較高，但其鍍膜均勻性較差、附著力低、不利于復(fù)雜外型工件的制備；化學(xué)氣相沉積方法沉積速率較快，但制備溫度較高，對(duì)工件的耐溫性 要求較高，不能適用于普通鋼鐵及低熔點(diǎn)非金屬材料；常規(guī)陰極電弧沉積方法沉積速率較快，但放電過(guò)程中產(chǎn)生大量的液滴難以消除，涂層表面光潔度和耐腐蝕性能受到較大影響，為消除液滴必須進(jìn)行過(guò)濾，導(dǎo)致沉積速率大幅度下降。物理氣相沉積(簡(jiǎn)稱PVD)，是利用輝光放電、熱弧放電和冷陰極弧光放電等離子體的能量來(lái)降低沉積溫度，可以在不銹鋼、高速鋼、鑄鐵等材料的回火溫度以下沉積氮化鈦、氮鋁鈦、金剛石等硬質(zhì)涂層。廣泛用于各種鋼制精密工具、精密模具的表面處理，提高使用壽命3-10倍，提高加工效率50%以上。隨著PVD技術(shù)的發(fā)展，涂層和基體間的結(jié)合強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高，近幾年P(guān)VD技術(shù)在精密硬質(zhì)合金工具、模具領(lǐng)域推廣應(yīng)用發(fā)展迅速。利用PVD技術(shù)可以在活塞環(huán)表面快速形成耐磨性和抗膠合性優(yōu)良的陶瓷薄膜?，F(xiàn)在研究得較多的是CrN系和TiN陶瓷。目前在活塞環(huán)表面TiN處理中，應(yīng)用比較成熟的是多弧離子鍍技術(shù)，該制備方法具有工藝簡(jiǎn)單、重復(fù)性高等特點(diǎn)。一般涂層厚度控制在2-4微米，涂層太薄則僅僅只有裝飾作用，對(duì)活塞環(huán)摩擦性能沒(méi)有明顯影響。涂層太厚則由于TiN涂層的內(nèi)應(yīng)力較大，容易造成涂層剝落，在活塞和缸套間形成較大的硬質(zhì)微粒，加速缸套的磨損。在滲氮和鍍鉻處理活塞環(huán)經(jīng)拋光處理后均可以采用多弧離子鍍TiN涂層，由于兩者耐溫性能不同，處理工藝有很大的差別。一是為了提高附著力需要對(duì)過(guò)渡層精心設(shè)計(jì)；二是需要嚴(yán)格控制鍍層溫度，防止鉻層的硬度下降。CrN涂層具有高硬度(HV2000)，耐高溫氧化(達(dá)700°C )，超高附著力及可在低溫范圍(200-400°C)加工處理的特性。由于其本征應(yīng)力較小，可以制備較厚的涂層，現(xiàn)在的有的廠家采用PVD方法制備了較薄的CrN涂層進(jìn)行使用，由于CrN和電鍍鉻摩擦學(xué)性能具有許多相似之處，發(fā)現(xiàn)其和氣缸具有良好的匹配性能，不但耐磨比電鍍鉻高，同時(shí)摩擦系數(shù)具有一定的下降。對(duì)降低排放污染和節(jié)省機(jī)油具有一定的好處。但其耐磨性和儲(chǔ)油性能有待進(jìn)一步提聞。Cr2O3是優(yōu)越的耐磨涂層材料，具有比CrN更好的耐磨性能，同時(shí)其減磨性能更好，將Cr2O3和CrN結(jié)合合成Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層，不但可以提高涂層的耐磨性能，同時(shí)可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供了一種節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)及其制備方法。本發(fā)明產(chǎn)品的技術(shù)方案是:一種節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)，其特征在于:在活塞環(huán)基體表面從內(nèi)到外為由結(jié)合層、過(guò)渡層、耐磨層依次構(gòu)成的復(fù)合涂層，其中結(jié)合層為Cr層；過(guò)渡層為CrN層；耐磨層為Cr-O-N納米晶層。作為優(yōu)選項(xiàng):
所述復(fù)合涂層的厚·度為0.62-31.3微米，
其中結(jié)合層厚度為20-600納米；過(guò)渡層厚度為100-700納米；耐磨層厚度為0.5_30微米。所述的活塞環(huán)基體為合金鋼、不銹鋼、滲氮合金鋼。所述耐磨層Cr-O-N納米晶的晶粒尺寸為20-500納米。本發(fā)明還提供上述節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的制備方法，技術(shù)方案是:采用電弧離子鍍技術(shù)制備涂層，由下述步驟依次形成:
1)對(duì)經(jīng)過(guò)化學(xué)清洗的活塞環(huán)基體進(jìn)行輝光清洗后，在基體表面沉積結(jié)合層，該結(jié)合層為Cr層；
2)在上步得到的結(jié)合層上沉積過(guò)渡層，該過(guò)渡層為CrN層；
3)在上步得到的過(guò)渡層上沉積耐磨層，該耐磨層為Cr-O-N納米晶層；自然冷卻，即得Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)。
為進(jìn)一步提聞本發(fā)明廣品的性價(jià)比:
I)輝光清洗的條件為:溫度為200 - 400°C，氬氣環(huán)境下；結(jié)合層的沉積條件為:氣壓
0.01-0.1Pa,偏壓一 800V到一 1000V ;過(guò)渡層的沉積條件為:氮?dú)猸h(huán)境下，氣壓0.l_2Pa，偏壓一 100V到一 250V ;耐磨層的沉積條件為:氮?dú)夂脱鯕夤餐h(huán)境下，氣壓0.l-2Pa，偏壓一100V 到一250V。2)所述耐磨層的沉積條件中氮?dú)夂脱鯕獾牧髁勘戎禐閄，X的范圍為0〈X〈10，其中X為固定值或變值。3)耐磨層Cr-O-N納米晶的晶粒尺寸為20-500納米。節(jié)油型Cr-O-N納米復(fù)合陶瓷涂層的沉積條件中氮?dú)夂脱鯕獾牧髁勘戎禐閄，X的范圍為0〈X〈10，X值可以改變，與CrN支撐層形成硬度梯度和成分梯度。通過(guò)調(diào)整氮?dú)夂脱鯕獾牧髁勘群推珘嚎刂艭r-O-N晶粒尺寸的大小，將其晶粒尺寸控制在20-500nm，構(gòu)成納米晶復(fù)合梯度涂層。CrN涂層具有高硬度(HV2000)，耐高溫氧化(達(dá)700°C )，超高附著力及可在低溫范圍(200-400°C)加工處理的特性。由于其本征應(yīng)力較小，可以制備較厚的涂層，現(xiàn)在的有的廠家采用PVD方法制備了較薄的CrN涂層進(jìn)行使用，由于CrN和電鍍鉻摩擦學(xué)性能具有許多相似之處，發(fā)現(xiàn)其和氣缸具有良好的匹配性能，不但耐磨比電鍍鉻高，同時(shí)摩擦系數(shù)具有一定的下降。對(duì)降低排放污染和節(jié)省機(jī)油具有一定的好處。但其耐磨性和儲(chǔ)油性能有待進(jìn)一步提高。Cr2O3是優(yōu)越的耐磨涂層材料,具有比CrN更好的耐磨性能，同時(shí)其減磨性能更好，將Cr2O3和CrN結(jié)合合成Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層，不但可以提高涂層的耐磨性能，同時(shí)可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗。由上述技術(shù)方案可知本發(fā)明是利用電弧離子鍍的高離化率來(lái)制備Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層材料。為提高涂層與活塞環(huán)基體的結(jié)合力，本發(fā)明首先采用輝光清洗，通過(guò)輝光放電過(guò)程中產(chǎn)生的氬離子清洗活塞環(huán)表面氧化層。若有表面氧化層的存在，一般情況下涂層與基體結(jié)合并不牢固，所以表面氧化層的清洗在整個(gè)涂層的制得過(guò)程中尤其關(guān)鍵。一般的化學(xué)方法清洗氧化層后，表面一旦接觸空氣，氧化層又會(huì)重新生成，所以用化學(xué)方法清洗氧化層都不徹底。而本發(fā)明是在真空下用輝光離子清洗表面氧化層，表面不會(huì)因接觸空氣而再次形成氧化層，存在其優(yōu)越性。輝光清洗的溫度為200 - 400°C，氬氣環(huán)境下，時(shí)間為30至Ij 120分鐘。通過(guò)離子清洗，活塞環(huán)表面處于比較清潔的狀態(tài)。隨后，本發(fā)明采用電弧離子鍍技術(shù)制備涂層。開啟Cr靶，Cr靶上Cr因高溫而蒸發(fā)，在高偏壓的作用下被電離并加速運(yùn)動(dòng)到活塞環(huán)表面，由于活塞環(huán)表面有800到1000V的負(fù)高壓，Cr正離子在高電壓下高速撞擊活塞環(huán)表面， 對(duì)活塞環(huán)表面進(jìn)行進(jìn)一步清洗，同時(shí)由于Cr正離子高速撞擊，活塞環(huán)表面溫度升高，表面粒子內(nèi)能提高，加之Cr正離子的高速運(yùn)動(dòng)，可能撞至活塞環(huán)表面以下5至10納米，在活塞環(huán)表面形成基體與Cr的冶金結(jié)合層。在表面沉積的Cr逐漸增多，逐漸由基體和Cr的冶金結(jié)合層過(guò)渡至純Cr結(jié)合層，Cr結(jié)合層的厚度為20-600納米。此過(guò)程在氣壓0.01-0.1Pa、偏壓一 800V到一 1000V條件下進(jìn)行。由于Cr的高速撞擊與Cr結(jié)合層沉積同時(shí)進(jìn)行，形成非常致密的Cr結(jié)合層，抑制柱狀Cr晶粒的生長(zhǎng)。隨后打開氮?dú)馔ǖ溃獨(dú)馀cCr反應(yīng)生成CrN，隨著氮?dú)馔ㄈ肓康闹饾u增加，形成的CrN也逐漸增多，涂層由純Cr逐漸過(guò)渡到CrN過(guò)渡層，CrN過(guò)渡層厚度為100-700納米。此過(guò)程在氣壓為0.l_2Pa、偏壓為一 100V到一 250V的條件下進(jìn)行。隨后打開氧氣通道，控制氮?dú)馀c氧氣的流量比X，X值可以改變，氧氣和氮?dú)馀cCr反應(yīng)生成Cr-0-Ν。隨著氧氣的通入，形成的Cr-O-N也逐漸增多，涂層由CrN過(guò)渡層逐漸過(guò)渡到Cr-O-N耐磨涂層，Cr-O-N耐磨涂層厚度為0.5-30微米。通過(guò)調(diào)整氮?dú)夂脱鯕獾牧髁勘群推珘嚎刂艭r-O-N晶粒尺寸的大小，將其晶粒尺寸控制在20-500nm。此過(guò)程在氣壓為0.l_2Pa、偏壓為一 100V到一 250V的條件下進(jìn)行。通過(guò)控制沉積時(shí)間，進(jìn)而控制復(fù)合涂層的層間厚度。用本發(fā)明方法制備的節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)不但耐磨損性和耐腐蝕性高，而且硬度和儲(chǔ)油能力也得到提聞。氧兀素的加入，提聞了涂層的硬度，使涂層具有良好的儲(chǔ)油性能，也提聞活塞環(huán)的熱穩(wěn)定性。使用Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層，不但同時(shí)提高活塞環(huán)表面的硬度和耐磨性，而且由于其多層結(jié)構(gòu)，使活塞環(huán)表面具有良好的耐腐蝕性能。同時(shí)，結(jié)合層、過(guò)渡層、耐磨層的設(shè)計(jì)，使表面高硬度的Cr-O-N涂層與基體之間具有良好的硬度梯度和成分梯度，提高了涂層與基體的結(jié)合力，當(dāng)活塞環(huán)在缸套內(nèi)做反復(fù)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層不會(huì)因基體塑性變形產(chǎn)生過(guò)大內(nèi)應(yīng)力而脫落失效。因此本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):第一，與常規(guī)的活塞環(huán)表面鍍鉻工藝相比，本發(fā)明采用電弧離子鍍技術(shù)來(lái)制備涂層，由于其過(guò)程安全無(wú)污染，在很大程度上解決了鍍鉻工藝過(guò)程環(huán)境污染的問(wèn)題；第二，由于本發(fā)明中活塞環(huán)的涂層具有三層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了成分與結(jié)構(gòu)的漸變，同時(shí)涂層與基體為冶金結(jié)合，提高了涂層對(duì)基體的附著力，明顯優(yōu)于表面質(zhì)脆易碎的鍍鉻活塞環(huán)；第三，由于本發(fā)明采用復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)，制得的涂層厚度可達(dá)30微米以上；第四，與常規(guī)電弧離子鍍技術(shù)相比，本發(fā)明采用多層結(jié)構(gòu)能抑制柱狀晶的生長(zhǎng)，提高涂層致密度的同時(shí)，進(jìn)而提高涂層的耐磨性，同進(jìn)耐蝕性也得到大幅提高；第五，本發(fā)明將氧摻入CrN涂層中形成Cr-O-N納米晶復(fù)合涂層，在國(guó)內(nèi)外并無(wú)實(shí)施，尤其是將其應(yīng)用到活塞環(huán)表面，可大幅度提高活塞環(huán)的耐磨損性能和儲(chǔ)油性能；第六，本發(fā)明采用電弧離子鍍技術(shù)，與現(xiàn)有涂層設(shè)備相近，且涂層設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。本發(fā)明采用電弧離子鍍技術(shù)生成由Cr、CrN, Cr-O-N納米晶層依次構(gòu)成的納米復(fù)合陶瓷涂層活塞環(huán)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)成分與硬度梯度的漸變，所制備的Cr-O-N納米復(fù)合陶瓷涂層與活塞環(huán)具有良好的結(jié)合力和耐磨耐蝕性能，同時(shí)具有較高的儲(chǔ)油能力和硬度，很好地克服了現(xiàn)有活塞環(huán)耐磨性和儲(chǔ)油能力不足的問(wèn)題，保證了活塞環(huán)的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，使活塞環(huán)加工性能大幅度提高，加工質(zhì)量穩(wěn)定，加工效率高，降低了廠家的生產(chǎn)成本，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。


圖1.為本發(fā) 明中所采用的涂層制備裝置示意 圖2.為本發(fā)明制備的Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層結(jié)構(gòu)示意 圖3.為本發(fā)明制備的Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層表面形貌 圖4.為本發(fā)明制備的Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層截面形貌 其中圖1中:1.抽氣口；2.工件架；3.加熱器；4.爐門；5.Cr靶；6.爐壁。圖2中:1.基體；2.Cr結(jié)合層；3.CrN過(guò)渡層；4.Cr-O-N納米晶耐磨層。
具體實(shí)施例方式實(shí)施本發(fā)明方法的裝置如圖1所示，該裝置由爐壁6圍成真空室，真空室高度為
0.5m，體積50X50X50cm，真空室一側(cè)設(shè)有抽氣口 1，抽氣機(jī)組由擴(kuò)散泵、機(jī)械泵和分子泵組成，極限真空可低至0.0005Pa，真空室另一側(cè)面設(shè)有爐門4，方便操作者裝卸工件，真空室有兩個(gè)Cr靶5分別位于真空室兩側(cè)，其直徑皆為100mm，且裝有強(qiáng)性磁鐵約束靶弧形狀，加熱器3位于真空室一對(duì)角線兩端，真空室中央為工件架2，這可保證最大限度地利用熱能的同時(shí)，使工件受熱均勻。如此布置，極大增加了真空室中等離子體的空間密度，使工件最大限度地沉浸于等離子體中，提高靶材使用效率、涂層沉積速率和涂層均勻度，減少涂層間內(nèi)應(yīng)力，以達(dá)到高的涂層硬度、致密度和附著力，得到性質(zhì)優(yōu)良的沉積涂層。以下結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明:
實(shí)施例1:在20(TC、氬氣環(huán)境下，對(duì)活塞環(huán)經(jīng)過(guò)輝光清洗；結(jié)束后，在氣壓0.0lPa，偏壓一 800V條件下沉積過(guò)渡金屬Cr結(jié)合層，Cr結(jié)合層的厚度為20納米；隨后通入氮?dú)?，在氣?.1Pa，偏壓一 100V條件沉積CrN過(guò)渡層，CrN過(guò)渡層的厚度為100納米；最后在氣壓
0.1Pa,偏壓一 100V條件下沉積Cr-O-N納米晶耐磨涂層,控制氮?dú)馀c氧氣的流量比例,使其恒定為1:1，Cr-O-N納米晶粒尺寸為200nm。Cr-O-N耐磨涂層的厚度為0.5微米。涂層總厚度在控制在0.62微米，制備結(jié)束后自然冷卻，得到Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層活塞環(huán)。實(shí)施例2:在250°C、氬氣環(huán)境下，對(duì)活塞環(huán)經(jīng)過(guò)輝光清洗；結(jié)束后，在氣壓0.0lPa,偏壓一 800V條件下沉積過(guò)渡金屬Cr結(jié)合層，Cr結(jié)合層的厚度為100納米；隨后通入氮?dú)?，在氣?.5Pa，偏壓一 200V條件沉積CrN過(guò)渡層，CrN過(guò)渡層的厚度為300納米；最后在氣壓0.5Pa，偏壓一 200V條件下沉積Cr-O-N耐磨涂層，控制氮?dú)馀c氧氣的流量比例，使其為2:1，Cr-O-N納米晶粒尺寸為140 nm Cr-O-N耐磨涂層的厚度為10微米。涂層總厚度在控制在10.4微米，制備結(jié)束后自然冷卻，得到Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層活塞環(huán)。實(shí)施例3:在350°C、氬氣環(huán)境下，對(duì)活塞環(huán)經(jīng)過(guò)輝光清洗；結(jié)束后，在氣壓0.05Pa,偏壓一 900V條件下沉積過(guò)渡金屬Cr結(jié)合層，Cr結(jié)合層的厚度為200納米；隨后通入氮?dú)?，在氣壓IPa，偏壓一 200V條件沉積CrN過(guò)渡層，CrN過(guò)渡層的厚度為500納米；最后在氣壓IPa，偏壓一 200V條件下沉積Cr-O-N耐磨涂層，控制氮?dú)馀c氧氣的流量比例，使其為5:1、I:1每五分鐘循環(huán)交替,Cr-O-N納米晶粒尺寸為40-50 nm。Cr-O-N耐磨涂層的厚度為20微米。涂層總厚度在控制在20.7微米，制備結(jié)束后自然冷卻，得到Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層活塞環(huán)。

實(shí)施例4:在400°C、氬氣環(huán)境下，對(duì)活塞環(huán)經(jīng)過(guò)輝光清洗；結(jié)束后，在氣壓0.1Pa,偏壓一 1000V條件下沉積過(guò)渡金屬Cr結(jié)合層，Cr結(jié)合層的厚度為600納米；隨后通入氮?dú)?，在氣?Pa，偏壓一 250V條件沉積CrN過(guò)渡層，CrN過(guò)渡層的厚度為700納米；最后在氣壓2Pa，偏壓一 250V條件下沉積Cr-O-N耐磨涂層，控制氮?dú)馀c氧氣的流量比例，，使其為5:1、
1:1每2分鐘循環(huán)交替，Cr-O-N納米晶粒尺寸為20-30nm。Cr-O-N耐磨涂層的厚度為30微米。涂層總厚度在控制在31.3微米，制備結(jié)束后自然冷卻，得到Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層活塞環(huán)。實(shí)施例5:在400°C、氬氣環(huán)境下，對(duì)活塞環(huán)經(jīng)過(guò)輝光清洗；結(jié)束后，在氣壓0.1Pa,偏壓一 1000V條件下沉積過(guò)渡金屬Cr結(jié)合層，Cr結(jié)合層的厚度為600納米；隨后通入氮?dú)猓跉鈮?Pa，偏壓一 250V條件沉積CrN過(guò)渡層，CrN過(guò)渡層的厚度為700納米；最后在氣壓2Pa，偏壓一 250V條件下沉積Cr-O-N耐磨涂層，控制氮?dú)馀c氧氣的流量比例為9: 1，使Cr-O-N納米晶粒尺寸為500 nm。Cr-O-N耐磨涂層的厚度為30微米。涂層總厚度在控制在31.3微米，制備結(jié)束后自然冷卻，得到Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層活塞環(huán)。圖2.為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層結(jié)構(gòu)示意圖:從圖中可以看出，涂層結(jié)構(gòu)上存在成分和結(jié)構(gòu)的梯度漸變，降低了涂層的應(yīng)力，可沉積較厚的涂層。圖3.為本發(fā)明制備的Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層活塞環(huán)表面形貌圖:從圖中可以看出涂層表面表面有少量的小顆粒這是電弧放電過(guò)程產(chǎn)生的少量污染，主要是鉻的金屬液滴。圖4.為本發(fā)明制備的Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層活塞環(huán)截面形貌圖:從圖中可以看出涂層與基底無(wú)明顯的縫隙，結(jié)合良好。涂層的柱狀生長(zhǎng)被多層結(jié)構(gòu)阻斷，不會(huì)形成穿透性的空隙，因而能具有較好的·抗腐蝕性能。
權(quán)利要求
1.一種節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)，其特征在于在活塞環(huán)基體表面從內(nèi)到外為由結(jié)合層、過(guò)渡層、耐磨層依次構(gòu)成的復(fù)合涂層，且 1)結(jié)合層為Cr層； 2)過(guò)渡層為CrN層； 3)耐磨層為Cr-O-N納米晶層。
2.如權(quán)利要求I所述的節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)，其特征在于所述復(fù)合層的厚度為O. 62-31. 3微米，其中 O結(jié)合層厚度為20-600納米； 2)過(guò)渡層厚度為100-700納米； 3)耐磨層厚度為O.5-30微米。
3.如權(quán)利要求I或2所述的節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)，其特征在于所述活塞環(huán)基體為合金鋼、不銹鋼、滲氮合金鋼。
4.如權(quán)利要求I或2所述的節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)，其特征在于所述耐磨層Cr-O-N納米晶的晶粒尺寸為20-500納米。
5.如權(quán)利要求I所述的一種節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的制備方法，其特征在于由下述步驟依次形成 1)對(duì)經(jīng)過(guò)化學(xué)清洗的活塞環(huán)基體進(jìn)行輝光清洗后，在基體表面沉積結(jié)合層，該結(jié)合層為Cr層； 2)在上步得到的結(jié)合層上沉積過(guò)渡層，該過(guò)渡層為CrN層； 3)在上步得到的過(guò)渡層上沉積耐磨層，該耐磨層為Cr-O-N納米晶層；自然冷卻，即得。
6.如權(quán)利要求5所述的節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的制備方法，其特征在于 1)所述的輝光清洗的條件為溫度為200- 400°C，氬氣環(huán)境下； 2)所述結(jié)合層的沉積條件為氣壓O.01-0. IPa，偏壓一 800V到一 1000V ； 3)所述過(guò)渡層的沉積條件為氮?dú)猸h(huán)境下，氣壓O.l-2Pa，偏壓一 100V到一 250V ； 4)所述耐磨層的沉積條件為氮?dú)夂脱鯕猸h(huán)境下，氣壓O.l-2Pa，偏壓一 100V到一250V。
7.如權(quán)利要求5或6所述的節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的制備方法，其特征在于所述耐磨層的沉積條件中氮?dú)夂脱鯕獾牧髁勘戎禐閄，X的范圍為0〈X〈10，其中X為固定值或變值。
8.如權(quán)利要求5或6所述的節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的制備方法，其特征在于所述耐磨層Cr-O-N納米晶的晶粒尺寸為20-500納米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種節(jié)油型Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)納米復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法。本發(fā)明采用電弧離子鍍技術(shù)生成由Cr、CrN、Cr-O-N納米晶層依次構(gòu)成的納米晶復(fù)合陶瓷涂層活塞環(huán)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)成分與硬度梯度的漸變，所制備的Cr-O-N納米晶復(fù)合陶瓷涂層與活塞環(huán)具有良好的結(jié)合力和耐磨耐蝕性能，同時(shí)具有較高的儲(chǔ)油能力和硬度，很好地克服了現(xiàn)有活塞環(huán)耐磨性和儲(chǔ)油能力不足的問(wèn)題，保證了活塞環(huán)的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，使活塞環(huán)使用性能大幅度提高，涂層加工過(guò)程質(zhì)量穩(wěn)定，加工效率高，降低了廠家的生產(chǎn)成本，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C23C14/38GK103256142SQ201310160110
公開日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月3日
發(fā)明者楊小芳, 劉貞貞, 楊兵, 王如意, 劉輝東, 萬(wàn)強(qiáng) 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)