| 专利名称： | 一种PVD活塞环及其制备方法 | ||
| 专利名称(英文)： | PVD (Physical Vapor Deposition) piston ring and preparation method thereof | ||
| 专利号： | CN201510223166.4 | 申请时间： | 20150505 |
| 公开号： | CN104847524A | 公开时间： | 20150819 |
| 申请人： | 东风商用车有限公司 | ||
| 申请地址： | 430056 湖北省武汉市汉阳区武汉经济技术开发区东风大道10号 | ||
| 发明人： | 卢求元; 赵俊平; 吴永强 | ||
| 分类号： | F02F5/00; C23C14/06; C23C14/16; C23C14/22 | 主分类号： | F02F5/00 |
| 代理机构： | 武汉荆楚联合知识产权代理有限公司 42215 | 代理人： | 王健 |
| 摘要： | 一种PVD活塞环，包括活塞环基体及其表面附着的复合涂层，复合涂层的厚度为10‐20μm，包括由内至外依次设置的纳米复合梯度过渡层、CrN层，其中，纳米复合梯度过渡层包括由内至外依次设置的Cr打底层、Cr过渡层、CrN过渡层，制备时，先在活塞环基体表面沉积Cr打底层，再逐层沉积Cr/CrN纳米复合梯度过渡层，然后采用循环控制偏压大小的方法沉积CrN层。本设计不仅获得了卓越的膜基结合力，而且摩擦系数小，磨损率低，显著降低了发动机摩擦功损失和燃油消耗。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention discloses a PVD (Physical Vapor Deposition) piston ring. The PVD piston ring comprises a piston ring matrix and a composite coating adhered to the surface of the piston ring matrix, the composite coating is 10-20 [mu]m thick, and comprises a nano-composite gradient transition layer and a CrN (Chromium Nitride) layer, wherein the nano-composite gradient transition layer comprises a Cr bottom coating, a Cr transition layer and a CrN transition layer which are arranged from inside to outside; when the composite coating is prepared, the Cr bottom coating is deposited on the surface of the piston ring matrix, the Cr/CrN nano-composite gradient transition layers are deposited layer by layer, and the CrN layer is deposited by adopting a method of circularly controlling the bias. According to the PVD piston ring, the excellent membrane-based bonding force can be obtained, the friction coefficient is small, the wear rate is low, and the frictional work loss and fuel consumption of an engine can be significantly reduced. | ||
1.一种PVD活塞环，包括活塞环基体（1）及其表面附着的复合涂层（2），其特征在于： 所述复合涂层（2）包括由内至外依次设置的纳米复合梯度过渡层（3）、CrN层（4），其中，所述纳米复合梯度过渡层（3）包括由内至外依次设置的Cr打底层（31）、Cr过渡层（32）、CrN过渡层（33）。
2.根据权利要求1所述的一种PVD活塞环，其特征在于：所述纳米复合梯度过渡层（3）还包括CrC过渡层（34），该CrC过渡层（34）位于Cr过渡层（32）、CrN过渡层（33）之间。
3.根据权利要求1或2所述的一种PVD活塞环，其特征在于：所述复合涂层（2）的厚度为10‐20μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种PVD活塞环，其特征在于：所述活塞环基体（1）的制造材料为氮化钢。
5.根据权利要求1所述的一种PVD活塞环的制备方法，其特征在于： 所述制备方法依次包括以下步骤： 1、先将经过初步清洗的活塞环基体（1）置于真空室中，通入氩气进行辉光清洗，然后引燃金属Cr靶，在450‐750V偏压下沉积Cr打底层（31）； 2、先将偏压降至140‐160V后沉积Cr过渡层（32），再关闭金属Cr靶； 3、先停止通入氩气，然后向真空室中通入氮气，再引燃金属Cr靶，将偏压降至130‐140V后沉积15‐20min； 4、在80‐200V偏压下继续沉积至预定的沉积时间，此时，PVD活塞环制备完毕。
6.根据权利要求5所述的一种PVD活塞环的制备方法，其特征在于： 所述步骤4依次包括以下操作： a、在100‐150V偏压下沉积15‐20min； b、在80‐100V偏压下沉积15‐20min； c、在150‐200V偏压下沉积15‐20min； d、循环重复操作a‐c，直至达到预定的沉积时间。
7.根据权利要求6所述的一种PVD活塞环的制备方法，其特征在于： 所述制备方法还包括CrC过渡层的制备步骤，该步骤位于步骤2、步骤3之间； 所述CrC过渡层的制备是指：先同时引燃金属Cr靶和C靶沉积CrC过渡层（34），再关闭金属Cr靶和C靶。
8.根据权利要求5或6所述的一种PVD活塞环的制备方法，其特征在于： 步骤1中， 所述初步清洗是指：先将活塞环基体（1）进行除油除锈，再依次用丙酮、酒精、去离子水对其进行超声清洗后干燥即可； 所述辉光清洗是指：先将经初步清洗的活塞环基体（1）置于真空室中，再于0.007‐0.008Pa的真空度下加热真空室腔壁至290‐310℃后保温1.5‐2.5h，然后通入350‐400sccm氩气，并于700‐800V的负偏压下辉光清洗25‐35min。
9.根据权利要求7所述的一种PVD活塞环的制备方法，其特征在于： 所述步骤1中，金属Cr靶源的电流为100‐110A，沉积Cr打底层（31）的时间为1‐3min； 所述步骤2中，沉积Cr过渡层（32）、沉积CrC过渡层（34）的时间均为5‐6min； 所述步骤3中，真空室的真空度为1.9‐2.3Pa，通入氮气的流量为180‐200sccm，金属Cr靶源的电流为120‐130A。
1.一种PVD活塞环，包括活塞环基体（1）及其表面附着的复合涂层（2），其特征在于： 所述复合涂层（2）包括由内至外依次设置的纳米复合梯度过渡层（3）、CrN层（4），其中，所述纳米复合梯度过渡层（3）包括由内至外依次设置的Cr打底层（31）、Cr过渡层（32）、CrN过渡层（33）。
2.根据权利要求1所述的一种PVD活塞环，其特征在于：所述纳米复合梯度过渡层（3）还包括CrC过渡层（34），该CrC过渡层（34）位于Cr过渡层（32）、CrN过渡层（33）之间。
3.根据权利要求1或2所述的一种PVD活塞环，其特征在于：所述复合涂层（2）的厚度为10‐20μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种PVD活塞环，其特征在于：所述活塞环基体（1）的制造材料为氮化钢。
5.根据权利要求1所述的一种PVD活塞环的制备方法，其特征在于： 所述制备方法依次包括以下步骤： 1、先将经过初步清洗的活塞环基体（1）置于真空室中，通入氩气进行辉光清洗，然后引燃金属Cr靶，在450‐750V偏压下沉积Cr打底层（31）； 2、先将偏压降至140‐160V后沉积Cr过渡层（32），再关闭金属Cr靶； 3、先停止通入氩气，然后向真空室中通入氮气，再引燃金属Cr靶，将偏压降至130‐140V后沉积15‐20min； 4、在80‐200V偏压下继续沉积至预定的沉积时间，此时，PVD活塞环制备完毕。
6.根据权利要求5所述的一种PVD活塞环的制备方法，其特征在于： 所述步骤4依次包括以下操作： a、在100‐150V偏压下沉积15‐20min； b、在80‐100V偏压下沉积15‐20min； c、在150‐200V偏压下沉积15‐20min； d、循环重复操作a‐c，直至达到预定的沉积时间。
7.根据权利要求6所述的一种PVD活塞环的制备方法，其特征在于： 所述制备方法还包括CrC过渡层的制备步骤，该步骤位于步骤2、步骤3之间； 所述CrC过渡层的制备是指：先同时引燃金属Cr靶和C靶沉积CrC过渡层（34），再关闭金属Cr靶和C靶。
8.根据权利要求5或6所述的一种PVD活塞环的制备方法，其特征在于： 步骤1中， 所述初步清洗是指：先将活塞环基体（1）进行除油除锈，再依次用丙酮、酒精、去离子水对其进行超声清洗后干燥即可； 所述辉光清洗是指：先将经初步清洗的活塞环基体（1）置于真空室中，再于0.007‐0.008Pa的真空度下加热真空室腔壁至290‐310℃后保温1.5‐2.5h，然后通入350‐400sccm氩气，并于700‐800V的负偏压下辉光清洗25‐35min。
9.根据权利要求7所述的一种PVD活塞环的制备方法，其特征在于： 所述步骤1中，金属Cr靶源的电流为100‐110A，沉积Cr打底层（31）的时间为1‐3min； 所述步骤2中，沉积Cr过渡层（32）、沉积CrC过渡层（34）的时间均为5‐6min； 所述步骤3中，真空室的真空度为1.9‐2.3Pa，通入氮气的流量为180‐200sccm，金属Cr靶源的电流为120‐130A。
翻译：技术领域
本发明涉及一种PVD活塞环，尤其涉及一种PVD活塞环及其制备方法，具体适用于降低发动机摩擦功损失和燃油消耗。
背景技术
活塞环和缸套是汽车发动机中一对重要的摩擦副，其摩擦学性能的优劣直接影响着发动机的功率输出、耐久性、燃油经济性、机油消耗量以及燃烧排放等重要指标，因此改善缸套和活塞环的摩擦学性能具有重要意义。为了提高活塞环的性能，除了进行设计优化和材质更新之外，工程师们更倾向于采用表面处理技术，如镀铬、离子氮化等。然而，由于当前汽车发动机尤其是重载柴油发动机，正在向高功率密度、高可靠性、低燃油消耗和低废气排放的方向发展，传统的表面处理方法已经不能满足需求。物理气相沉积技术（PVD）作为一种相对比较成熟的新兴技术在发动机活塞环的表面改性工作受到越来越广泛的关注和重视。
中国专利：公告号为CN101430004B，公告日为2010年6月2日的发明专利公开了一种PVD铬基陶瓷复合涂层活塞环及其制备方法，该复合涂层由粘结层、主耐磨层和减摩层构成，粘结层为Cr，主耐磨层在粘结层上面，为Cr和CrN交替构成的Cr/CrN多层涂层，减摩层在主耐磨层表面，为Cr和Cr2O3交替构成的Cr/ Cr2O3多层涂层。虽然该复合涂层具有良好的结合力、耐磨和抗腐蚀性能，可大幅度提高活塞环的使用寿命，但其并不能降低发动机摩擦功损失和燃油消耗。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的无法降低发动机摩擦功损失和燃油消耗的问题，提供一种能显著降低发动机摩擦功损失和燃油消耗的PVD活塞环及其制备方法。
为实现以上目的，本发明的技术方案如下：
一种PVD活塞环，包括活塞环基体及其表面附着的复合涂层；
所述复合涂层包括由内至外依次设置的纳米复合梯度过渡层、CrN层，其中，所述纳米复合梯度过渡层包括由内至外依次设置的Cr打底层、Cr过渡层、CrN过渡层。
所述纳米复合梯度过渡层还包括CrC过渡层，该CrC过渡层位于Cr过渡层、CrN过渡层之间。
所述复合涂层的厚度为10‐20μm。
一种PVD活塞环的制备方法，依次包括以下步骤：
1、先将经过初步清洗的活塞环基体置于真空室中，通入氩气进行辉光清洗，然后引燃金属Cr靶，在450‐750V偏压下沉积Cr打底层；
2、先将偏压降至140‐160V后沉积Cr过渡层，再关闭金属Cr靶；
3、先停止通入氩气，然后向真空室中通入氮气，再引燃金属Cr靶，将偏压降至130‐140V后沉积15‐20min；
4、在80‐200V偏压下继续沉积至预定的沉积时间，此时，PVD活塞环制备完毕。
所述步骤4依次包括以下操作：
a、在100‐150V偏压下沉积15‐20min；
b、在80‐100V偏压下沉积15‐20min；
c、在150‐200V偏压下沉积15‐20min；
d、循环重复操作a‐c，直至达到预定的沉积时间。
所述制备方法还包括CrC过渡层的制备步骤，该步骤位于步骤2、步骤3之间；
所述CrC过渡层的制备步骤是指：先同时引燃金属Cr靶和C靶沉积CrC过渡层，再关闭金属Cr靶和C靶。
步骤1中，
所述初步清洗是指：先将活塞环基体1进行除油除锈，再依次用丙酮、酒精、去离子水对其进行超声清洗后干燥即可；
所述辉光清洗是指：先将经初步清洗的活塞环基体置于真空室中，再于0.007‐0.008Pa的真空度下加热真空室腔壁至290‐310℃后保温1.5‐2.5h，然后通入350‐400sccm氩气，并于700‐800V的负偏压下辉光清洗25‐35min。
所述步骤1中，金属Cr靶源的电流为100‐110A，沉积Cr打底层的时间为1‐3min；
所述步骤2中，沉积Cr过渡层、沉积CrC过渡层的时间均为5‐6min。
所述步骤3中，真空室的真空度为1.9‐2.3Pa，通入氮气的流量为180‐200sccm，金属Cr靶源的电流为120‐130A。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种PVD活塞环中复合涂层包括纳米复合梯度过渡层，且纳米复合梯度过渡层包括由内至外依次设置的Cr打底层、Cr过渡层、CrN过渡层，该梯度过渡层可逐步建立并增强涂层与活塞环基体间的分子结合力，同时减弱过渡层间内应力的叠加，从而大大增强涂层的结合力，使其能够在活塞环-缸套苛刻的工况下充分发挥作用，并有效降低发动机摩擦功损失和燃油消耗。因此，本发明降低了发动机摩擦功损失和燃油消耗。
2、本发明一种PVD活塞环中Cr过渡层、CrN过渡层之间还设置有CrC过渡层，该CrC过渡层可梯度过渡涂层元素与活塞环基体间的化学亲和力，进一步提升涂层与活塞环基体的结合力。因此，本发明进一步提升了涂层与活塞环基体的结合力。
3、本发明一种PVD活塞环的制备方法中步骤1采用在450‐750V偏压下沉积Cr打底层的方法，该450‐750V的高偏压能促使环境中的氩离子和铬离子轰击活塞环基体表面，既能活化其表面，提高表面能，还可形成表层区的高密度缺陷，如空位、间隙原子、位错等，上述两点均大大有利于提升涂层与活塞环基体的结合力。因此，本发明方法使得涂层与活塞环基体之间具有卓越的结合力。
4、本发明一种PVD活塞环的制备方法中步骤5设置了100‐150V、80‐100V、150‐200V三个偏压范围进行沉积，并依次循环操作，该方法通过循环控制偏压大小来调整活塞环基体的温度，使其浮动在一个合适的范围，该合适的温度范围能够增强活塞环基体的表面活性，增大形核密度，减少界面孔隙，改善涂层的致密性以及强度，得到良好的微观结构，从而使得PVD活塞环具有优秀的耐磨、减摩特性，同时降低缸套的磨损率，大大提升了发动机的可靠性和耐久性。因此，本发明方法提升了涂层的耐磨损性能。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2为实施例2的结构示意图。
图3为实施例1的活塞环截面SEM形貌图。
图4为本发明的摩擦功台架试验测试结果。
图中：活塞环基体1、复合涂层2、纳米复合梯度过渡层3、Cr打底层31、Cr过渡层32、CrN过渡层33、CrC过渡层34、CrN层4。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1、图2，一种PVD活塞环，包括活塞环基体1及其表面附着的复合涂层2；
所述复合涂层2包括由内至外依次设置的纳米复合梯度过渡层3、CrN层4，其中，所述纳米复合梯度过渡层3包括由内至外依次设置的Cr打底层31、Cr过渡层32、CrN过渡层33。
所述纳米复合梯度过渡层3还包括CrC过渡层34，该CrC过渡层34位于Cr过渡层32、CrN过渡层33之间。
所述复合涂层2的厚度为10‐20μm。
所述活塞环基体1的制造材料为氮化钢。
一种PVD活塞环的制备方法，依次包括以下步骤：
1、先将经过初步清洗的活塞环基体1置于真空室中，通入氩气进行辉光清洗，然后引燃金属Cr靶，在450‐750V偏压下沉积Cr打底层31；
2、先将偏压降至140‐160V后沉积Cr过渡层32，再关闭金属Cr靶；
3、先停止通入氩气，然后向真空室中通入氮气，再引燃金属Cr靶，将偏压降至130‐140V后沉积15‐20min；
4、在80‐200V偏压下继续沉积至预定的沉积时间，此时，PVD活塞环制备完毕。
所述步骤5依次包括以下操作：
a、在100‐150V偏压下沉积15‐20min；
b、在80‐100V偏压下沉积15‐20min；
c、在150‐200V偏压下沉积15‐20min；
d、循环重复操作a‐c，直至达到预定的沉积时间。
所述制备方法还包括CrC过渡层的制备步骤，该步骤位于步骤2、步骤3之间；
所述CrC过渡层的制备步骤是指：先同时引燃金属Cr靶和C靶沉积CrC过渡层34，再关闭金属Cr靶和C靶。
步骤1中，
所述初步清洗是指：先将活塞环基体1进行除油除锈，再依次用丙酮、酒精、去离子水对其进行超声清洗后干燥即可；
所述辉光清洗是指：先将经初步清洗的活塞环基体1置于真空室中，再于0.007‐0.008Pa的真空度下加热真空室腔壁至290‐310℃后保温1.5‐2.5h，然后通入350‐400sccm氩气，并于700‐800V的负偏压下辉光清洗25‐35min。
所述步骤1中，金属Cr靶源的电流为100‐110A，沉积Cr打底层31的时间为1‐3min；
所述步骤2中，沉积Cr过渡层32、沉积CrC过渡层34的时间均为5‐6min。
所述步骤3中，真空室的真空度为1.9‐2.3Pa，通入氮气的流量为180‐200sccm，金属Cr靶源的电流为120‐130A。
本发明的原理说明如下：
本发明通过先在活塞环基体1上沉积一层Cr/CrC/CrN纳米复合梯度过渡层，然后采用循环控制偏压大小的方法沉积CrN层，制备得到具有卓越的膜基结合力（即复合涂层2与活塞环基体1的结合力）、摩擦系数小、磨损率低的PVD活塞环，从而能够提升发动机的可靠性和耐久性，该卓越的膜基结合力和优良的耐磨减摩性使得PVD零部件降摩擦功效果凸显，从而达到降低发动机油耗的效果。
本发明结构中，
纳米复合梯度过渡层3：纳米复合梯度过渡层3的建立能够使得CrN层4更好的生长在活塞环基体1的表面。由于活塞环基体1的主要组成元素通常为Fe、C、N等， Cr过渡层32中的Cr会与C、N结合形成Cr-C和Cr-N分子键，CrC过渡层和CrN过渡层则进一步加强这种分子间结合，从而达到逐步增强复合涂层2与活塞环基体1间结合力的效果。
涂层厚度：若复合涂层2的厚度小于10μm，则很难充分发挥出涂层的功效，若复合涂层2的厚度大于20μm，则涂层内应力过高，容易剥落，因此，本发明将其厚度控制在10‐20μm。另外，由于每个过渡层的厚度都较薄，因此有助于减小涂层的内应力，进一步提升涂层与活塞环基体的结合力。
为获得卓越的膜基结合力，本发明采用了纳米复合梯度过渡层的方法；为获得良好的涂层质量，减小涂层内应力，并进一步提升膜基结合力，本发明采用了独特的沉积工艺（即通过循环控制偏压大小沉积CrN层），其中，
步骤1：辉光清洗前，加热真空室腔壁至290‐310℃后保温1.5‐2.5h，该步可起到为真空室除气的目的，从而获得更好的背底真空。
步骤5：由于涂层的质量与活塞环基体温度密切相关，当温度较低时，到达活塞环基体的原子活性低，成核密度低，从而使得涂层与活塞环基体的界面处容易产生间隙；当温度过高时，又会促使涂层的晶粒粗大，内应力增大；只有在合适的温度下，活塞环基体才具有较高的表面活性，较大的形核密度，较少的界面孔隙，涂层具有良好的致密性以及强度。因此，本步骤通过循环控制偏压大小来调整活塞环基体温度，使其浮动在合适的范围内，因而制备的涂层晶粒细小，组织致密，良好的微观结构提升了涂层的耐磨损性能。
实施例1：
参见图1，一种PVD活塞环，包括活塞环基体1及其表面附着的复合涂层2，所述活塞环基体1的制造材料为氮化钢，复合涂层2的厚度为10μm，包括由内至外依次设置的纳米复合梯度过渡层3、CrN层4，其中，所述纳米复合梯度过渡层3包括由内至外依次设置的Cr打底层31、Cr过渡层32、CrN过渡层33。
上述PVD活塞环的制备方法依次包括以下步骤：
1、先将活塞环基体1进行除油除锈，再依次用丙酮、酒精、去离子水对其进行超声清洗后干燥，然后将干燥后的活塞环基体1置于真空室中，于0.007Pa的真空度下加热真空室腔壁至300℃后保温2h，接着通入360sccm氩气，并于800V的负偏压下辉光清洗30min，随后引燃金属Cr靶，在100A靶源电流、750V偏压下沉积1min以制备Cr打底层31；
2、先将偏压降至140V后沉积5min以得到Cr过渡层32，再关闭金属Cr靶；
3、先停止通入氩气，然后向真空室中通入180sccm氮气，再引燃金属Cr靶，将偏压降至135V后于120A靶源电流下沉积20min，其中，所述真空室的真空度为1.9Pa；
4、在100V偏压下沉积15min；
5、在100V偏压下沉积15min；
6、在200V偏压下沉积15min；
7、循环重复操作4‐6，直至沉积时间达到2h，此时，PVD活塞环制备完毕。
实施例2：
结构、步骤同实施例1，不同之处在于：
所述步骤1中，0.008Pa的真空度下加热真空室腔壁至290℃后保温2.5h，接着通入350sccm氩气，并于700V的负偏压下辉光清洗35min，随后引燃金属Cr靶，在110A靶源电流、450V偏压下沉积3min以制备Cr打底层31；
所述步骤2中，沉积Cr过渡层32的时间为6min；
所述步骤3中，真空室的真空度为2.3Pa，通入氮气的流量为200sccm，偏压为140V，靶源电流为130A，沉积时间为15min。
实施例3：
参见图2，一种PVD活塞环，其结构如实施例1，不同之处在于：
所述复合涂层2的厚度为20μm，纳米复合梯度过渡层3还包括CrC过渡层34，该CrC过渡层34位于Cr过渡层32、CrN过渡层33之间。
上述PVD活塞环的制备方法，其步骤如实施例1，不同之处在于：
所述步骤1中，金属Cr靶源的电流为110A，沉积Cr打底层31的偏压为500V，时间为2min；
所述制备方法还包括CrC过渡层的制备步骤，该步骤位于步骤2、步骤3之间；
所述CrC过渡层的制备步骤是指：先同时引燃金属Cr靶和C靶沉积CrC过渡层34，再关闭金属Cr靶和C靶；
所述步骤3中，真空室的真空度为2.0Pa，通入氮气的流量为200sccm，偏压为130V，靶源电流为130A；
步骤4：在150V偏压下沉积20min；
步骤5：在80V偏压下沉积20min；
步骤6：在180V偏压下沉积20min；
步骤7：循环重复操作4‐6，直至沉积时间达到4h。
实施例4：
结构、步骤同实施例3，不同之处在于：
步骤4：在120V偏压下沉积15min；
步骤5：在100V偏压下沉积15min；
步骤6：在150V偏压下沉积15min。
采用上述实施例制备的PVD活塞环，复合涂层2与活塞环基体1的结合力为临界载荷Lc≥100N，如图3，涂层与活塞环基体之间有清晰的界面，涂层均匀致密，膜基结合好；减摩效果好，在干摩擦状态下相比于未做PVD处理的活塞环摩擦系数降低了19%，可降低5%的发动机摩擦功损失以及0.5%的发动机燃油消耗，如图4，换装有本发明活塞环的发动机摩擦扭矩显著下降，下降幅度可达5%。
