附着在活塞环表面的MoTiCrWN复合涂层、活塞环及其制备方法

摘要

本发明属于发动机配件表面处理领域，具体涉及一种附着在活塞环表面的MoTiCrWN复合涂层、活塞环及其制备方法。该复合涂层由CrWN过渡层、MoTiN/CrWN功能层和MoTiN表面层相互结合组成，层与层之间相互支撑，共同作用以保证活塞环的硬度、润滑度、耐磨性，增强活塞环的使用性能和使用寿命；采用电弧蒸镀系统，有利于形成均匀、较薄的涂层，显著减小了涂层的总厚度，降低了对工艺运行、设备要求，节省了生产成本，有利于技术推广。

权利要求

1.一种附着在活塞环表面的MoTiCrWN复合涂层，其特征在于，所述MoTiCrWN复合涂层由活塞环基体表面至外依次为CrWN过渡层、MoTiN/CrWN功能层和MoTiN表面层；

其中，所述CrWN过渡层的厚度为1～2μm，所述MoTiN/CrWN功能层的厚度为2～4μm，所述MoTiN表面层的厚度为0.5～1μm。

2.一种含有权利要求1所述MoTiCrWN复合涂层的活塞环。

3.一种权利要求2所述活塞环的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将活塞环基体进行等离子刻蚀后，利用电弧蒸镀系统，在氮气环境下，打开CrW靶，在活塞环基体上沉积得到CrWN过渡层；

S2、打开第一MoTi合金靶，在CrWN过渡层上沉积得到MoTiN/CrWN功能层；

S3、关掉CrW靶和第一MoTi合金靶，打开第二MoTi合金靶，在MoTiN/CrWN功能层上沉积得到MoTiN表面层，自然冷却，即得。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述CrW靶中Cr原子物质的量百分数为80～95％。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述第一MoTi合金靶中Ti原子物质的量百分数为5～10％。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述第二MoTi合金靶中Ti原子物质的量百分数为10～15％。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1、S2、S3中，所述沉积在200～

250℃温度下进行。

说明书

附着在活塞环表面的MoTiCrWN复合涂层、活塞环及其制备

方法

技术领域

[0001] 本发明属于发动机配件表面处理领域，更具体地，涉及一种附着在活塞环表面的MoTiCrWN复合涂层、活塞环及其制备方法。

背景技术

[0002] 活塞环是用于嵌入活塞槽沟内部的金属环，广泛用于各种动力机械上，如蒸汽机、柴油机、汽油机、压缩机、液压机等。并且，活塞环是发动机内部的核心部件，影响着发动机
的效率、载荷、速度和寿命，是影响发动机性能的主要因素之一。

[0003] 目前一般通过表面技术提高活塞环性能，如电镀铬、气体氮化、物理气相沉积涂层处理等。其中，表面镀铬能明显改善活塞环的耐磨性能，提高活塞环的使用寿命，但存在耗
能大、毒性大、污染环境等缺点；气体氮化方法具有经济可靠、环境友好等优点，但氮化后的
活塞环表面硬度不高且渗层深度不大，不能满足发动机的性能要求；物理气相沉积涂层处
理由于具有制备工艺简单、涂层性能良好等优点成为提高活塞环性能的研究重点之一，可
以利用物理气相沉积方法，在活塞环的滑动面上沉积带CrN相典型晶体结构的氮化铬涂层，
达到减少活塞环磨损，延长使用寿命的效果，但是达到上述效果要求氮化铬涂层较厚，在25
～50μm左右，显著提高了生产成本，严重制约了氮化铬涂层活塞环的推广使用。

[0004] 因此，迫切需要提供一种节约成本，利用物理气相沉积方法制备的附着在活塞环表面的厚度较薄的MoTiCrWN复合涂层，使该活塞环具有良好耐磨性、自润滑性能。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术电镀铬不环保、气体氮化不能满足发动机性能要求、气相沉积涂层较厚成本较高的缺陷和不足，提供一种利用物理气相沉积方法
制备附着在活塞环表面的厚度较薄的MoTiCrWN复合涂层，使该活塞环具有良好耐磨性、自
润滑性能。

[0006] 本发明另一目的是提供含有所述MoTiCrWN复合涂层的活塞环。

[0007] 本发明另一目的是提供所述活塞环的制备方法。

[0008] 本发明上述目的通过以下技术方案实现：

[0009] 一种附着在活塞环表面的MoTiCrWN复合涂层，所述MoTiCrWN复合涂层由活塞环基体表面至外依次为CrWN过渡层、MoTiN/CrWN功能层和MoTiN表面层。

[0010] 本发明中，过渡层CrWN可以有效提高活塞环基体的硬度，同时给予MoTiN/CrWN功能层以良好的支撑；MoTiN/CrWN功能层可以为MoTiN表面层提供支撑，提高活塞环的硬度，
为主耐磨层；MoTiN表面层可以使活塞环快速适应磨损情况。涂层中的金属Cr可以使涂层具
有良好的耐腐蚀性，MoTi通过与油中的S元素复合成MoTiS可以使活塞环具有自润滑特性，
大大提高了活塞环耐磨损性能，有效减小了涂层的总厚度，降低了对工艺运行、设备要求，
节省了生产成本。

[0011] 进一步地，所述CrWN过渡层的厚度为1～2μm。

[0012] 更进一步地，所述MoTiN/CrWN功能层的厚度为2～4μm。

[0013] 进一步地，所述MoTiN表面层的厚度为0.5～1μm。

[0014] 在实践中发现，采用上述厚度的过渡层、功能层和表面层制备的MoTiCrWN复合涂层既能具有较好的润滑性、硬度，也能显著减小涂层的总厚度。

[0015] 另外的，本发明还提供了一种含有所述MoTiCrWN复合涂层的活塞环。

[0016] 另外的，本发明还提供了一种所述活塞环的制备方法，包括以下步骤：

[0017] S1、将活塞环基体进行等离子刻蚀后，利用电弧蒸镀系统，在氮气环境下，打开CrW靶，在活塞环基体上沉积得到CrWN过渡层；

[0018] S2、打开第一MoTi合金靶，在CrWN过渡层上沉积得到MoTiN/CrWN功能层；

[0019] S3、关掉CrW靶和第一MoTi合金靶，打开第二MoTi合金靶，在MoTiN/CrWN功能层上沉积得到MoTiN表面层，自然冷却，即得。

[0020] 进一步地，步骤S1中，所述CrW靶中Cr原子物质的量百分数为80～95％。

[0021] 更进一步地，步骤S2中，所述第一MoTi合金靶中Ti原子物质的量百分数为5～10％。

[0022] 进一步地，步骤S3中，所述第二MoTi合金靶中Ti原子物质的量百分数为10～15％。

[0023] 更进一步地，步骤S1、S3中，所述氮气环境的真空度为0.5～1Pa；步骤S2中，所述氮气环境的真空度为1～2Pa。

[0024] 进一步地，步骤S1、S2、S3中，所述沉积在200～250℃温度下进行。

[0025] 更进一步地，步骤S1、S2、S3中，所述沉积在‑100～‑40V偏压下进行。

[0026] 优选地，步骤S1中，所述沉积在‑100～‑40V偏压下进行；步骤S2中，所述沉积在‑80～‑40V偏压下进行；步骤S3中，所述沉积在‑100～‑40V偏压下进行。

[0027] 进一步地，步骤S1中，所述活塞环基体需先经过200～250℃加热2～4h的加热除气步骤。

[0028] 本发明具有以下有益效果：

[0029] (1)本发明一种附着在活塞环表面的MoTiCrWN复合涂层，由CrWN过渡层、MoTiN/CrWN功能层和MoTiN表面层相互结合组成，层与层之间相互支撑，共同作用以保证活塞环的
硬度、润滑度、耐磨性，增强活塞环的使用性能和使用寿命。

[0030] (2)本发明一种含有MoTiCrWN复合涂层活塞环的制备方法，采用电弧蒸镀系统，有利于形成均匀、较薄的涂层，显著减小了涂层的总厚度，降低了对工艺运行、设备要求，节省
了生产成本，有利于技术推广。

附图说明

[0031] 图1为本发明实施例1制备的含有MoTiCrWN复合涂层的活塞环结构示意图；

[0032] 其中：1‑活塞环基体；2‑CrWN过渡层；3‑MoTiN/CrWN功能层；4‑MoTiN表面层。

[0033] 图2为本发明实施例1制备含有MoTiCrWN复合涂层的活塞环的设备结构示意图。

具体实施方式

[0034] 以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试
剂、方法和设备。

[0035] 除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

[0036] 实施例1一种含有MoTiCrWN复合涂层的活塞环

[0037] 采用如下方法制备得到所述含有MoTiCrWN复合涂层的活塞环：

[0038] S1、将表面清洗洁净的活塞环基体装夹在工件架上，控制温度为250℃，加热除气4h，对活塞环基体进行等离子体刻蚀，再利用电弧蒸镀系统，在氮气环境下，真空度为1Pa，
温度为250℃，偏压为‑100V，打开Cr原子物质的量百分数为95％的CrW靶，在活塞环基体上
沉积得到厚度为1μm的CrWN过渡层；

[0039] S2、调整真空度为2Pa，温度为250℃，偏压为‑80V，打开Ti原子物质的量百分数为5％的第一MoTi合金靶，在CrWN过渡层上沉积得到厚度为3μm的MoTiN/CrWN功能层；

[0040] S3、关掉CrW靶和第一MoTi合金靶，调整真空度为1Pa，温度为250℃，偏压为‑100V，打开Ti原子物质的量百分数为15％的第二MoTi合金靶，在MoTiN/CrWN功能层上沉积得到厚
度为1μm的MoTiN表面层，自然冷却，即得。

[0041] 实施例2一种含有MoTiCrWN复合涂层的活塞环

[0042] 采用如下方法制备得到所述含有MoTiCrWN复合涂层的活塞环：

[0043] S1、将表面清洗洁净的活塞环基体装夹在工件架上，控制温度为200℃，加热除气2h，对活塞环基体进行等离子体刻蚀，再利用电弧蒸镀系统，在氮气环境下，真空度为
0.5Pa，温度为200℃，偏压为‑40V，打开Cr原子物质的量百分数为90％的CrW靶，在活塞环基
体上沉积得到厚度为2μm的CrWN过渡层；

[0044] S2、调整真空度为1Pa，温度为200℃，偏压为‑40V，打开Ti原子物质的量百分数为10％的第一MoTi合金靶，在CrWN过渡层上沉积得到厚度为4μm的MoTiN/CrWN功能层；

[0045] S3、关掉CrW靶和第一MoTi合金靶，调整真空度为0.5Pa，温度为200℃，偏压为‑40V，打开Ti原子物质的量百分数为12％的第二MoTi合金靶，在MoTiN/CrWN功能层上沉积得
到厚度为0.5μm的MoTiN表面层，自然冷却，即得。

[0046] 实施例3一种含有MoTiCrWN复合涂层的活塞环

[0047] 采用如下方法制备得到所述含有MoTiCrWN复合涂层的活塞环：

[0048] S1、将表面清洗洁净的活塞环基体装夹在工件架上，控制温度为250℃，加热除气3h，对活塞环基体进行等离子体刻蚀，再利用电弧蒸镀系统，在氮气环境下，真空度为
0.8Pa，温度为220℃，偏压为‑70V，打开Cr原子物质的量百分数为88％的CrW靶，在活塞环基
体上沉积得到厚度为1.5μm的CrWN过渡层；

[0049] S2、调整真空度为1.5Pa，温度为220℃，偏压为‑60V，打开Ti原子物质的量百分数为8％的第一MoTi合金靶，在CrWN过渡层上沉积得到厚度2μm的MoTiN/CrWN功能层；

[0050] S3、关掉CrW靶和第一MoTi合金靶，调整真空度为0.8Pa，温度为220℃，偏压为‑50V，打开Ti原子物质的量百分数为10％的第二MoTi合金靶，在MoTiN/CrWN功能层上沉积得
到厚度为0.8μm的MoTiN表面层，自然冷却，即得。

[0051] 对比例1一种活塞环

[0052] 与实施例1不同之处在于，对比例1步骤S1中，将CrW靶替换为Cr靶，其余参数及操作参考实施例1。

[0053] 对比例2一种活塞环

[0054] 与实施例1不同之处在于，对比例2采用如下方法制备得到所述活塞环：将表面清洗洁净的活塞环基体装夹在工件架上，控制温度为250℃，加热除气4h，对活塞环基体进行
等离子体刻蚀，再利用电弧蒸镀系统，在氮气环境下，真空度为1Pa，温度为250℃，偏压为‑
100V，打开Cr靶，在活塞环基体上沉积得到厚度为5μm的CrN涂层，自然冷却，即得。

[0055] 对比例3一种活塞环

[0056] 与实施例1不同之处在于，对比例3去掉CrWN过渡层，在活塞环基体上直接沉积MoTiN/CrWN功能层和MoTiN表面层，并使复合涂层的总厚度与实施例1相同，其余参数及操
作参考实施例1。

[0057] 对比例4一种活塞环

[0058] 与实施例1不同之处在于，对比例4去掉MoTiN/CrWN功能层，在CrWN过渡层上直接沉积MoTiN表面层，并使复合涂层的总厚度与实施例1相同，其余参数及操作参考实施例1。

[0059] 对比例5一种活塞环

[0060] 与实施例1不同之处在于，对比例5去掉MoTiN表面层，在活塞环基体上只沉积CrWN过渡层和MoTiN/CrWN功能层，并使复合涂层的总厚度与实施例1相同，其余参数及操作参考
实施例1。

[0061] 实验例1活塞环的摩擦系数和硬度测定

[0062] 对实施例1～3和对比例1～5制备的活塞环的摩擦系数和硬度进行测试，测试结果参见表1。

[0063] 表1活塞环摩擦系数和硬度测试结果

[0064]组别 摩擦系数 硬度(HV) 附着力(N)
实施例1 0.50 2200 60
实施例2 0.55 2100 58
实施例3 0.53 2050 57
对比例1 0.50 1800 35
对比例2 0.72 1550 50
对比例3 0.61 1800 25
对比例4 0.61 1400 38
对比例5 0.72 1800 50

[0065] 由表1可见，本发明实施例1～3制备的活塞环的摩擦系数、硬度和附着力均处于较好的水平，而对比例1～5的各项性能均有不同程度的降低。

[0066] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。