[发明专利]一种基体表面的超厚CrSiBN复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及基体表面强化处理技术领域，尤其涉及一种基体表面的CrSiBN复合涂层及其制备方法。

背景技术

许多机械零部件等基体表面需要高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀以及抗接触疲劳等性能的强化处理。

例如，活塞环是发动机中服役工况最为苛刻的关键零部件，其耐磨和润滑性直接影响内燃机的燃油功率、油耗与服役寿命。活塞环-缸套摩擦副磨损最严重的部位是上止点区，其摩擦工况涉及到油润滑-高温油润滑-贫油润滑-无油润滑四种形式，特别是第一道活塞环经常在贫油及贫油-高温的苛刻环境下运转。

目前广泛采用的活塞环表面强化处理一般是利用传统的电化学镀技术在表面镀一层复合镀层（传统电镀铬、CKS和CDC），或者进行表面离子渗氮。然而，随着发动机不断向高功率、高转速、长寿命和低排放的方向发展，活塞环表面的磨损与腐蚀问题日益严重。因而对活塞环的抗高温氧化和抗高温磨损性能，与缸套匹配特性以及对绿色镀膜的更高要求促使物理气相沉积（PVC）CrN涂层在活塞环表面强化处理得到应用。CrN涂层具有高的硬度和热稳定性、强的附着力和优异的抗高温粘着磨损特性。其中，日本帝国（TP）活塞环株式会以及日本活塞环株式会社（NPR）利用PVC技术在柴油机上获得了厚度达20~40μm的高硬度CrN涂层。然而，具有较高摩擦系数的传统单一的CrN涂层已难以适应当前和未来高机械负荷和热负荷汽车发动机（尤其重型汽车、轮船、坦克用柴油发动机）的苛刻工况服役环境和性能要求，如重载高速下的低摩擦、长寿命和低排放等。

又例如，在大型超精度和超光滑的盘片抛光装备中，关键部件大尺寸齿轮处于高硬度微/纳米陶瓷颗粒磨料的强腐蚀抛光液环境中（pH值为0.2～4的强酸性或pH值为9～13的强碱性），导致齿轮系统在运行过程中发生严重的腐蚀、磨损和强耦合损伤，使高精度盘片产品表面产生划痕、凹坑、塌边等缺陷。传统的齿轮表面处理技术如电镀、渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属、激光表面强化、热喷涂等难以满足其高抗疲劳强度、低摩擦磨损以及承受抛光液腐蚀的要求。目前，利用PVD技术制备的CrN涂层是盘片抛光装备齿轮主要采用的防护涂层。然而，传统的具有柱状晶结构的CrN涂层在抛光液介质中容易腐蚀脱落，并且涂层脆性较大，在接触应力作用下，涂层缺陷（微凸、微坑、应力集中处等）处易于萌生裂纹，导致薄膜早期非正常剥落和加速疲劳磨损失效。

目前，应用于机械零部件等基体表面的高性能涂层的核心技术基本被德国、日本等发达国家掌握。鉴于上述汽车发动机活塞环和盘片抛光装备大尺寸齿轮等基体表面PVD-CrN涂层的性能瓶颈，亟需探索研究出具有高硬度、高耐磨、高耐蚀和抗接触疲劳特性的表面强化涂层，以满足诸如汽车产业高速发展对高性能活塞环的迫切需求，以及高精度盘片抛光对精密抛光装备正常运转的要求。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述基体表面CrN涂层的不足，提供一种基体表面的超厚CrSiBN复合涂层，该复合涂层具有高硬度、高耐磨、高热稳定性、高耐蚀和抗接触疲劳特性特性，能够解决现有的高载荷、高热负荷发动机活塞环（尤其重载柴油发动机）等基体表面的CrN涂层高摩擦磨损，以及盘片抛光装备中的大尺寸齿轮等基体表面的CrN涂层易于腐蚀脱落和疲劳磨损等问题。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种基体表面的超厚CrSiBN复合涂层，该超厚CrSiBN复合涂层是由自基体表面起依次镀覆的Cr过渡层、CrN支撑层以及CrSiBN抗磨润滑层组成，其中，CrSiBN抗磨润滑层中Si含量为0.5~30%，B含量为0.5~20%。

所述的CrSiBN抗磨润滑层的厚度范围可以是2~40μm，即该CrSiBN抗磨润滑层的厚度能够高达20~40μm；

所述的Cr过渡层的厚度优选为0.1~2μm，进一步优选为0.2~1μm；

所述的CrN支撑层的厚度优选为0.5μ~5μm，进一步优选为1~3μm；

所述的CrSiBN抗磨润滑层中Si含量优选为0.5~30%，进一步优选为2~20%；

所述的CrSiBN抗磨润滑层中B含量优选为0.5~20%，进一步优选为2~10%；

所述的基体不限，包括发动机活塞环、盘片抛光机齿轮等。