[实用新型]一种活塞环表面的多层多元复合硬质PVD镀层及活塞环

说明书

技术领域

本实用新型涉及活塞环表面处理技术领域，具体涉及一种活塞环表面的多层多元复合硬质PVD镀层及活塞环。 

背景技术

活塞环作为内燃机的关键部件之一，其磨损对发动机整体燃油消耗有着非常重要的影响。目前，车用发动机(尤其是柴油机)正在向高机械负荷、高输出功率(高热负荷)、低燃料消耗及低废气排放等方向发展。活塞环因此厚度变薄、重量变轻，这就要求活塞环具有很高的强度(热疲劳强度)，耐磨、耐拉缸性能，以及对缸套不会造成太大磨耗的滑动特性。先进表面处理工艺在活塞环领域得到大力的推广普及。近年来，以往多用于汽油机上的钢质活塞环被逐渐引入到柴油机领域，一些柴油机开始采用钢质环。而钢质环现已大量采用较先进的氮化、喷钼及PVD工艺。 

对于发动机活塞一环而言，在发动机运行时，不仅承受热疲劳、热应力的影响，同时承受由燃烧时气体爆发压力作用产生的大部分侧面压力所带来的磨损和黏着的影响。钢质活塞环表面处理已成为不可缺少的一道加工工艺。常用的方法是对钢环进行离子氮化处理，而形成耐磨氮化层，由于边缘区域的硬度明显提高以及随之而来的特殊氮析出物，使活塞环缸套副的磨损损害大大降低，活塞环侧面与环槽侧面的良协调性提高。但是，氮化钢环的耐磨性及其相对较低的热负荷承载能力，对应用于现代发动机机第一道活塞环而言，一般来说是不够的。 

最新一代的活塞环镀层是按物理气相沉积法(PVD)制造的。目前，主流 的表面处理方法是在活塞环的外圆工作面沉积氮化物镀层(TiN、CrN等)。形成的镀层的性能特点是具有较高的硬度(1000和2000HV之间和陶瓷结晶体组织，因此这种镀层显现出了低的磨损率和较高的化学稳定性。但是，由于这种从薄膜衍生而来的镀层工艺，使得PVD镀层在活塞环上的应用受到了限制。已经发现，在镀层厚度超过50μm的情况下，由于极高的镀层内应力，出现了镀层的附着和裂纹问题。 

为了提高活塞系统的效率和寿命，高硬度耐磨涂层逐渐被广泛采用，然而硬质涂层虽可大幅提高缸套与活塞环摩擦副的耐磨寿命，却仍然对其相对运动时的摩擦系数的影响不大。虽然有效的方法还有沉积兼具低摩擦与低磨损特性的非晶碳涂层，可以是DLC(类金刚石碳)，也有GLC(类石墨碳)，该类涂层除了硬度较高(～20GPa)外，还具备油环境特别是贫油工况下超低的摩擦系数(<0.1)，这就使其成为了目前最有前景的发动机系统减摩抗磨材料。但其无法彻底解决高温稳定性、镀层脆性和持久的耐磨性等问题。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于在单一高硬度耐磨镀层的基础上，通过添加合适的多元元素，降低镀层的摩擦系数，提高耐磨性能。同时利用多层镀层结构，降低镀层应力，提高镀层的结合力，增加镀层的沉积厚度。 

本实用新型是采用真空多弧离子镀气相沉积法，利用多个多弧离子源，结合配备不同的单一金属靶材和多元元素靶材，在钢质或铸铁活塞环(含氮化层或无氮化层)表面沉积多层多元复合低摩擦系数硬质活塞环PVD镀层。 

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案： 

本实用新型的目的之一在于提供一种活塞环表面的多层多元复合硬质PVD镀层，所述镀层从下至上依次为单一金属打底层、单一氮化物过渡层、单一氮 化物镀层、多元氮化物过渡层及多元氮化物镀层。 

本实用新型所述单一金属打底层为Cr打底层。所述单一氮化物过渡层为CrN过渡层，所述单一氮化物镀层为CrN镀层。 

所述多元氮化物过渡层为Cr(Me)N过渡层，所述多元氮化物镀层为Cr(Me)N镀层。其中，所述Me为Al、Mo、W、B、Si或Ti中的一种或至少两种的组合。其中Me的典型但非限制性的例子包括：Al，Mo，W，B，Si，Mo和B的组合，W和B的组合，Mo和Si的组合，Mo、W和Si的组合，W、Mo和B的组合等，皆可用于实施本实用新型。 

Al，Mo，W，Si，B，Ti等润滑元素可单独或组合添加进入镀层，形成最表层的Cr(Me)N硬质镀层，以保持或提高镀层的整体硬度，可达到1600～2600HV，同时其摩擦系数由0.6～0.7降低至0.3～0.6。 

所述单一金属打底层的厚度为1～4μm，例如1.01～3.9μm，1.2～3.56μm，1.43～3.3μm，2.7～3.14μm，2.95～3.1μm，3.04μm等。 

所述单一氮化物过渡层的厚度为1～6μm，例如1.01～5.9μm，1.2～4.56μm，2.43～3.3μm，2.7～3.14μm，2.95～3.1μm，3.04μm等。