二硫化钼自润滑复合涂层及覆有该复合涂层的活塞环

摘要

本发明公开了一种二硫化钼自润滑复合涂层及覆有该复合涂层的活塞环，该二硫化钼自润滑复合涂层包括覆于活塞环基体上的氮化钼基础镀层和覆于氮化钼基础镀层上的二硫化钼自润滑层，所述的二硫化钼自润滑层为硫含量沿厚度方向连续变化的梯度层，且梯度层与氮化钼基础镀层接触面的硫含量最小。本发明二硫化钼自润滑复合涂层具有合适硬度、低自润滑摩擦系数和强附着力，应用了该二硫化钼自润滑复合涂层的活塞环在表面耐磨自润滑方面表现出很大的优势，具有良好的耐磨性和自润滑性，可有效解决活塞环和气缸间的摩擦磨损问题。

权利要求

1.在活塞环上沉积二硫化钼自润滑复合涂层的方法，其特征在于，在真空沉积腔内沉积二硫化钼自润滑复合涂层，包括：在氮气环境中电弧蒸发钼靶，在活塞环基体上沉积氮化钼基础镀层；在硫化氢气体环境中电弧蒸发钼靶，在氮化钼基础镀层上沉积二硫化钼自润滑层；

在氮化钼基础镀层上沉积二硫化钼自润滑层过程中，使硫化氢气体流量连续增加。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

在活塞环基体上沉积氮化钼基础镀层前，对活塞环基体进行等离子体刻蚀。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

采用电弧蒸发在活塞环基体上沉积氮化钼基础镀层和在氮化钼基础镀层上沉积二硫化钼自润滑层，其中，在活塞环基体上沉积氮化钼基础镀层过程中，沉积腔真空度为0.5～

3.0Pa，沉积腔温度为200～300℃，偏压条件为-40～-400V；在氮化钼基础镀层上沉积二硫化钼自润滑层过程中，沉积腔真空度为0.5～5.0Pa，沉积腔温度为200～400℃，偏压条件为-40～-200V。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

通过空心阴极离子源向真空沉积腔体内通入硫化氢。

说明书

二硫化钼自润滑复合涂层及覆有该复合涂层的活塞环

技术领域

[0001] 本发明属于薄膜材料技术领域，涉及一种二硫化钼自润滑复合涂层及覆有该复合涂层的活塞环。

背景技术

[0002] 活塞环作为燃油发动机的关键零部件,和活塞、气缸共同构成摩擦系统，活塞环与气缸壁的摩擦是影响发动机摩擦损失的主要因素之一，因此对活塞环的耐磨性要求比较高。特别是新的欧IV排放标准对活塞环的耐磨性提出了更高的要求。

[0003] 目前一般通过在活塞环上涂覆耐磨图层的方法来提高活塞环的耐磨性。传统喷涂工艺、电刷镀等不适合活塞环镀层，电镀铬处理方法存在污染环境、镀铬层蹭性能不能满足新排放标准等问题。在活塞环上采用物理气相沉积方法（PVD）涂镀氮化铬耐磨涂层可有效提高活塞环的耐磨性能，但是PVD氮化铬涂层摩擦系数偏高，摩擦系数大于0.4。

[0004] 钼系化合物润滑材料是一种摩擦学性能优良的润滑材料，被广泛应用于航空、航天、航海、机械等领域。二硫化钼能明显改善润滑脂的承载能力和抗磨性能，在高负荷下的抗磨效果尤为明显。近年来随着涂层技术发展，科研人员开发了二硫化钼自润滑涂层，二硫化钼固体自润滑涂层具有较高的承载能力，干摩擦条件下适用于低速、重载工况，在高温条件下其性能指标优于石墨等固体润滑剂。将二硫化钼自润滑涂层涂覆于活塞环表面将大大提高活塞环的耐磨性能，从而提高活塞环使用寿命。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种二硫化钼自润滑复合涂层、覆有该复合涂层的活塞环及制备方法，以进一步提高活塞环的耐磨性能。

[0006] 本发明提供的一种二硫化钼自润滑复合涂层，包括覆于活塞环基体上的氮化钼基础镀层和覆于氮化钼基础镀层上的二硫化钼自润滑层，所述的二硫化钼自润滑层为硫含量沿厚度方向连续变化的梯度层，且梯度层与氮化钼基础镀层接触面的硫含量最小。

[0007] 上述氮化钼基础镀层厚度为3~6微米。

[0008] 上述二硫化钼自润滑层厚度为0.3~4微米。

[0009] 将上述二硫化钼自润滑复合涂层涂覆于活塞环基体上，可显著提高活塞环的耐磨性性。所述的活塞环基体为钢质基体或铸铁基体。

[0010] 本发明还提供了在活塞环上沉积上述二硫化钼自润滑复合涂层的方法，在真空沉积腔内沉积二硫化钼自润滑复合涂层，包括：在氮气环境中电弧蒸发钼靶，在活塞环基体上沉积氮化钼基础镀层；在硫化氢气体环境中电弧蒸发钼靶，在氮化钼基础镀层上沉积二硫化钼自润滑层。

[0011] 作为优选，在活塞环基体上沉积氮化钼基础镀层前，对活塞环基体进行等离子体刻蚀，以去除活塞环基体表面污染物。

[0012] 上述方法的一种具体实施方式是：

[0013] 采用电弧蒸发在活塞环基体上沉积氮化钼基础镀层和在氮化钼基础镀层上沉积二硫化钼自润滑层，其中，在活塞环基体上沉积氮化钼基础镀层过程中，沉积腔真空度为0.5~3.0Pa，沉积腔温度为200~300℃，偏压条件为-40~-400V；在氮化钼基础镀层上沉积二硫化钼自润滑层过程中，沉积腔真空度为0.5~5.0Pa，沉积腔温度为200~400℃，偏压条件为-40~-200V。

[0014] 在氮化钼基础镀层上沉积二硫化钼自润滑层过程中，使硫化氢气体流量连续增加，以获得硫含量沿厚度方向连续变化的二硫化钼自润滑层。

[0015] 作为优选，在氮化钼基础镀层上沉积二硫化钼自润滑层过程中，通入的硫化氢气体为离化的硫化氢。获得离化的硫化氢的一种具体方法为：通过空心阴极离子源向真空腔通入硫化氢，以提高硫化氢气体的离化率，获得离化的硫化氢。

[0016] 本发明方法通过电弧蒸发钼靶获得金属钼，在沉积腔内通入N2并对N2电离以获得氮元素；在沉积腔内通入H2S并对H2S电离以获得硫元素；并通过逐渐增加硫化氢气体流量，在氮化钼基础镀层上沉积由缺硫的二硫化钼层逐渐过度到纯二硫化钼层的梯度层，实现具有梯度结构的硫含量沿厚度方向连续变化的二硫化钼自润滑层。

[0017] 本发明具有如下特点：

[0018] 氮化钼基础镀层可有效提高活塞环基体硬度，同时给予二硫化钼自润滑层以良好的支撑；梯度结构的二硫化钼自润滑层解决了氮化钼基础镀层到二硫化钼自润滑层过度的突兀，避免了应力过大造成的脱膜问题，具有良好的附着力，且有效增强了活塞环的耐磨性。

[0019] 与现有技术相比，本发明可带来如下有益效果：

[0020] 1、本发明二硫化钼自润滑复合涂层具有合适的硬度（硬度约2000Hv），不会因过高硬度对气缸造成不必要的刮擦损伤；具有低的自润滑摩擦系数（约0.3），从而可快速适应与气缸间的摩擦工况。

[0021] 2、涂覆有本发明二硫化钼自润滑复合涂层的活塞环在表面耐磨自润滑方面表现出很大的优势，具有良好的耐磨性和自润滑性，可有效解决活塞环和气缸间的摩擦磨损问题，可显著提高活塞环使用寿命，降低发动机运行故障发生率，提高发动机运行性能，从而带来巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

[0022] 图1为本发明二硫化钼自润滑复合涂层厚度测试光学显微镜图片；

[0023] 图2为本发明二硫化钼自润滑复合涂层典型摩擦系数随摩擦时间的变化曲线；

[0024] 图3为本发明二硫化钼自润滑复合涂层纳米硬度随压入深度的变化曲线图；

[0025] 图中，1-活塞环基体；2-氮化钼基础镀层；3-二硫化钼自润滑层；4-二硫化钼自润滑复合涂层表面。

具体实施方式

[0026] 下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护内容不局限于以下实施例。

[0027] 下述实施例中，以电弧离子镀设备为沉积设备，并辅以空心阴极离子源离化硫化氢气体，靶材为钼靶，靶材和工件架设置于电弧离子镀设备的真空沉积腔内。

[0028] 实施例1

[0029] 清洗活塞环后装夹于工件架上，对真空腔体抽真空，当真空度高于5×10-3Pa时，开始加热除气，温度控制于200℃。当真空度5×10-3Pa时，通入Ar气，温度控制在200℃，开偏压电源，对活塞环基体进行等离子体刻蚀。

[0030] 等离子体刻蚀结束后，将偏压调节为-40V，关闭Ar气通道，通入N2气，并将沉积腔真空度调节到0.5Pa，温度200℃，电弧蒸发钼靶，在活塞环基体上沉积厚度为3微米的氮化钼基础镀层。

[0031] 氮化钼基础镀层沉积结束后，关闭N2通道，通过空心阴极离子源通入H2S，将沉积腔真空度逐渐调节到0.5Pa，保持偏压-40V，温度200℃，连续增大通入H2S的流量，在氮化钼基础镀层上沉积厚度0.3微米的梯度结构的二硫化钼自润滑层。二硫化钼自润滑层沉积结束后，自然冷却至室温后取出活塞环，即得到沉积有二硫化钼自润滑复合涂层的活塞环。

[0032] 实施例2

[0033] 清洗活塞环后装夹于工件架上，对真空腔体抽真空，当真空度高于5×10-3Pa时，开始加热除气，温度控制于300℃。当真空度5×10-3Pa时，通入Ar气，温度控制在300℃，开偏压电源，对活塞环基体进行等离子体刻蚀。

[0034] 等离子体刻蚀结束后，将偏压调节为-400V，关闭Ar气通道，通入N2气，并将沉积腔真空度调节到3.0Pa，温度300℃，电弧蒸发钼靶，在活塞环基体上沉积厚度为6微米的氮化钼基础镀层。

[0035] 氮化钼基础镀层沉积结束后，关闭N2通道，通过空心阴极离子源通入H2S，将沉积腔真空度逐渐调节到5Pa，保持偏压-200V，温度300℃，连续增大通入H2S的流量，在氮化钼基础镀层上沉积厚度4微米的梯度结构的二硫化钼自润滑层。二硫化钼自润滑层沉积结束后，自然冷却至室温后取出活塞环，即得到沉积有二硫化钼自润滑复合涂层的活塞环。

[0036] 实施例3

[0037] 清洗活塞环后装夹于工件架上，对真空腔体抽真空，当真空度高于5×10-3Pa时，开始加热除气，温度控制于250℃。当真空度5×10-3Pa时，通入Ar气，温度控制在250℃，开偏压电源，对活塞环基体进行等离子体刻蚀。

[0038] 等离子体刻蚀结束后，将偏压调节为-200V，关闭Ar气通道，通入N2气，并将沉积腔真空度调节到2Pa，温度250℃，电弧蒸发钼靶，在活塞环基体上沉积厚度为3微米的氮化钼基础镀层。

[0039] 氮化钼基础镀层沉积结束后，关闭N2通道，通过空心阴极离子源通入H2S，将沉积腔真空度逐渐调节到2.0Pa，保持偏压-200V，温度250℃，连续增大通入H2S的流量，在氮化钼基础镀层上沉积厚度2微米的梯度结构的二硫化钼自润滑层。二硫化钼自润滑层沉积结束后，自然冷却至室温后取出活塞环，即得到沉积有二硫化钼自润滑复合涂层的活塞环。

[0040] 采用销盘摩擦磨损试验机测试二硫化钼自润滑复合涂层摩擦系数及其随摩擦时间的变化曲线，见图2，从图中可以看出二硫化钼自润滑复合涂层摩擦系数约0.3。采用纳米硬度计测量二硫化钼自润滑复合涂层的纳米硬度及其随压入深度的变化曲线，见图3，从图中可看出二硫化钼自润滑复合涂层纳米硬度约22GPa。