[發明專利]一種MoN/CrN納米復合涂層及其活塞環

有效

• 申請號: 201410022372.4
• 申請日: 2014-01-19
• 公開（公告）號: CN103741101A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 韓濱;閆少健;付德君
• 申請（專利權）人: 宜昌后皇真空科技有限公司
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/06;F02F5/00
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 成鋼

技術領域

本發明涉及一種MoN/CrN納米復合涂層及MoN/CrN納米復合涂層在活塞環上的應用，特別涉及沉積MoN/CrN納米復合涂層于活塞環上的制備方法及相關設備，屬于真空電弧離子鍍技術領域。

背景技術

隨著現代制造業的不斷發展，清潔、高效的現代環保意識逐漸成為人們的共識，這也對新型材料的切銑技術、高強度耐磨損、高溫抗氧化和極端環境下抗腐蝕性能提出了比較高的要求。新型超硬耐磨涂層已經成為當代信息產業、光學、能源機械和航空航天等領域的基礎，與國家建設、社會進步和人民生活密切相關，是表面涂覆科學的重要技術領域。過渡金屬氮化物由于自身的高硬度、良好的耐磨損以及耐腐蝕性能被廣泛運用于現代材料保護行業。在這些涂層中，MoN由于其卓越的性能被廣泛應用和研究，金屬氮化物薄膜Mo-Nx一般具有較低的摩擦系數(0.16~0.18)，MoN耐氧化溫度為500^oC，在高溫情況下會形成MoO₃，這是一種典型的自潤滑相，能很好的降低摩擦和切削磨損。近些年的研究報告指出，納米多層復合氮化物涂層展示出了更加良好的性能，譬如更高的硬度，更高的耐磨損、耐氧化及耐腐蝕性能。例如MoN/Si₃N₄，MoN/TiN以及MoN/VN的納米多層復合涂層也逐漸成為人們研究的重點。CrN作為傳統的硬質薄膜，硬度高、耐磨損、耐高溫尤其是優良的抗腐蝕性，使其在注塑模具以及耐磨部件上得到廣泛應用。因為CrN晶格參數與MoN的匹配度較高，晶格失配度僅為1.24?%，熱擴張系數比較接近，因此適宜于構成超晶格復合薄膜。采用物理氣相沉積（PVD）技術在活塞環表面沉積MoN/CrN納米復合涂層，替代電鍍鉻，不僅具有更高的硬度、更強的抗高溫黏著磨損性和抗氧化性，而且達到綠色無污染環保要求，適用于活塞環服役的高溫磨損環境。多弧離子鍍技術目前已經廣泛應用于現在裝備制造業和汽車工業中，通過表面超硬涂層覆蓋處理的汽車發動機活塞環，其使用壽命能明顯提高3-4倍。本發明之前，中國于2011年6月1日公開專利申請《一種DLC/TiAlN/CrN/Cr多層超硬膜涂層及其制備方法》，專利號為201010608461，該申請制備了一種類金剛石／氮化鋁鈦／氮化鉻／鉻多層超硬膜涂層，用于汽車發動機活塞環，所制備涂層硬度較高，但是膜層種類較多，制備過程較復雜。

發明內容

本發明的目的在于提供一種MoN/CrN納米復合涂層，采用高離化率的陰極電弧離子鍍方法沉積出高性能的納米多層復合涂層，該涂層包括過渡層和超晶格復合薄膜層。

所述的過渡層為活塞環表面襯底材料原子與Mo離子混合沉積而成，厚度為10-30nm。具體為：在50-100℃下，把超聲清洗過的活塞環工件在氬等離子體中輝光清洗，然后采用高能Mo離子轟擊活塞環表面，不僅可以轟擊去除掉活塞環表面的污染，活塞環表面襯底材料原子也會被濺射出來并與Mo離子混合沉積，而入射離子留在襯底內，這樣就在“膜－基界面”處形成一層過渡層，過渡層的存在可以極大的提高涂層的附著力。

所述的襯底材料為單晶硅片Si（111）、YT14硬質合金以及鋼片。單晶硅片Si（111），一種具有基本完整的點陣結構的晶體，不同的方向具有不同的性質，是一種良好的半導材料，純度要求達到99.9999%以上。YT14硬質合金，主要成分是碳化鎢、碳化鈦（TiC）及鈷。鋼片，一種經熱處理精磨加工制成，具有精密度高，拉力度強，光潔度好，有韌性，不易折斷的特點。

所述的納米復合薄膜層為MoN納米層與CrN納米層周期交替沉積復合而成，其中MoN納米層經純度為99.9%以上的Mo靶在氮氣環境中沉積而得；CrN納米層經純度為99.9%以上的Cr靶在氮氣環境中沉積而得。

MoN/CrN納米復合涂層厚度為3～10μm，其中雙層MoN/CrN納米復合涂層厚度為15～30nm，雙層MoN/CrN納米復合涂層周期數為100～1000，單層MoN納米層厚度為10～20nm，單層CrN納米層厚度為5～15nm。

本發明的另一目的在于提供一種沉積MoN/CrN納米復合涂層于活塞環上的方法，該涂層活塞環不但具有較好的耐磨性能，同時由于超晶格納米復合結構使涂層硬度大大提高。