[发明专利]一种节油型Cr-O-N纳米晶复合陶瓷涂层柴油发动机活塞环及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料技术领域，特别涉及一种节油型Cr-O-N纳米晶复合陶瓷涂层柴油发动机活塞环及制备方法。 

背景技术

近年来，随着工业化进程不断加快，发动机在社会生活中的应用越来越广泛。活塞环-缸套是影响发动机理想燃烧的一个重要因素，其摩擦学性能对整个发动机的环保与节能性能有直接影响。体积更小、效率更高、排放更低是发动机的发展趋势, 这对活塞环提出了更高的要求。 

活塞环表面镀铬是提高其使用寿命的有效措施之一。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。此外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。此外，镀铬过程中活塞环的装夹、耗能及劳动量相当大。涂层性能上镀铬层较脆，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。 

用无污染的真空镀膜技术制备硬质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，其中电子束蒸发镀膜效率较高，但其镀膜均匀性较差、附着力低、不利于复杂外型工件的制备；化学气相沉积方法沉积速率较快，但制备温度较高，对工件的耐温性要求较高，不能适用于普通钢铁及低熔点非金属材料；常规阴极电弧沉积方法沉积速率较快，但放电过程中产生大量的液滴难以消除，涂层表面光洁度和耐腐蚀性能受到较大影响，为消除液滴必须进行过滤，导致沉积速率大幅度下降。 

物理气相沉积（简称PVD），是利用辉光放电、热弧放电和冷阴极弧光放电等离子体的能量来降低沉积温度，可以在不锈钢、高速钢、铸铁等材料的回火温度以下沉积氮化钛、氮铝钛、金刚石等硬质涂层。广泛用于各种钢制精密工具、精密模具的表面处理，提高使用寿命3-10倍，提高加工效率50%以上。随着PVD技术的发展，涂层和基体间的结合强度得到进一步提高，近几年PVD技术在精密硬质合金工具、模具领域推广应用发展迅速。利用PVD技术可以在活塞环表面快速形成耐磨性和抗胶合性优良的陶瓷薄膜。现在研究得较多的是CrN系和TiN陶瓷。 

目前在活塞环表面TiN处理中，应用比较成熟的是多弧离子镀技术，该制备方法具有工艺简单、重复性高等特点。一般涂层厚度控制在2-4微米，涂层太薄则仅仅只有装饰作用，对活塞环摩擦性能没有明显影响。涂层太厚则由于TiN涂层的内应力较大，容易造成涂层剥落，在活塞和缸套间形成较大的硬质微粒，加速缸套的磨损。在渗氮和镀铬处理活塞环经抛光处理后均可以采用多弧离子镀TiN涂层，由于两者耐温性能不同，处理工艺有很大的差别。一是为了提高附着力需要对过渡层精心设计；二是需要严格控制镀层温度，防止铬层的硬度下降。 

CrN涂层具有高硬度（HV2000），耐高温氧化（达700℃），超高附着力及可在低温范围（200-400℃）加工处理的特性。由于其本征应力较小，可以制备较厚的涂层，现在的有的厂家采用PVD方法制备了较薄的CrN涂层进行使用，由于CrN和电镀铬摩擦学性能具有许多相似之处，发现其和气缸具有良好的匹配性能，不但耐磨比电镀铬高，同时摩擦系数具有一定的下降。对降低排放污染和节省机油具有一定的好处。但其耐磨性和储油性能有待进一步提高。 

Cr₂O₃是优越的耐磨涂层材料，具有比CrN更好的耐磨性能，同时其减磨性能更好，将Cr₂O₃和CrN结合合成Cr-O-N纳米晶复合陶瓷涂层，不但可以提高涂层的耐磨性能，同时可以降低发动机的油耗。 

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的现状，提供了一种节油型Cr-O-N纳米晶复合陶瓷涂层柴油发动机活塞环及其制备方法。 

本发明产品的技术方案是：一种节油型Cr-O-N纳米晶复合陶瓷涂层柴油发动机活塞环，其特征在于：在活塞环基体表面从内到外为由结合层、过渡层、耐磨层依次构成的复合涂层，其中结合层为Cr层；过渡层为CrN层；耐磨层为Cr-O-N纳米晶层。 

作为优选项： 

所述复合涂层的厚度为0.62-31.3微米，

其中结合层厚度为20-600纳米；过渡层厚度为100-700纳米；耐磨层厚度为0.5-30微米。