CN108070858B - 纳米多层活塞环涂层及其制备方法与应用 - Google Patents

纳米多层活塞环涂层及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层及其制备方法与应用。所述纳米多层活塞环涂层形成在活塞环母材上，并且包括金属Cr过渡层和CrCN/Cr纳米多层涂层，所述CrCN/Cr多层涂层包括交替叠设的CrCN层和Cr层。所述制备方法包括：在镀膜设备中，采用多弧离子镀技术在所述活塞环母材上依次沉积金属Cr过渡层和CrCN/Cr纳米多层涂层，形成所述纳米多层活塞环涂层。本发明提供的纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层具有高硬度、高结合力、高耐磨性、低摩擦系数等优点，且制备方法简单易行，可控性高，成本低廉，可批量生产强韧与润滑一体化的活塞环涂层，具有良好的应用前景。

Description

纳米多层活塞环涂层及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种活塞环CrCN/Cr纳米复合涂层及其制备方法，属于材料表面处理技术领域。
背景技术
CrN涂层因具有高硬度、高耐磨性而在刀具、模具、发动机等领域获得广泛应用。CrN涂层的活塞环具有优异的耐磨性和耐熔着性能，例如“理研公司的CrN涂层活塞环”耐磨性、抗拉缸性能均优于镀铬活塞环和氮化环。同时，CrN涂层陶瓷活塞环可节省燃油3％～8％，缸套磨损减小1/3～1/2，导热性提高45％，尾气排放降低40％～60％，具有明显的节能降耗的优势。但是，硬质CrN活塞环因存在裂纹或缺口及其引起的涂层剥落等问题，导致活塞环不能发挥出性能优势。此外，干摩擦及油润滑条件下CrN涂层摩擦系数高，磨损率大等问题易引起活塞环的严重磨损而失效。石墨态的C元素作为润滑相获得了广泛应用，同样对改善CrN的摩擦磨损性能有明显效果。但是，掺杂C元素后的CrCN涂层存在的低结合力、高应力等问题，制约该涂层在发动机活塞环等零部件的应用。作为发动机的关键运转部件，活塞环的使役寿命与运行稳定性很大程度取决于部件的摩擦系数与磨损率。如何提高活塞环的耐磨性，降低活塞环的服役过程中摩擦系数，将对提高发动机的燃油效率，减低污染物排放，节约成本，提高发动机运行稳定性有关键性作用，而这也是本领域长期以来一直渴望解决的难题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种活塞环CrCN/Cr纳米复合涂层及其制备方法，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种纳米多层活塞环涂层，所述纳米多层活塞环涂层形成在活塞环母材上，并且所述纳米多层活塞环涂层包括金属Cr过渡层和CrCN/Cr纳米多层涂层，所述CrCN/Cr多层涂层包括交替层叠的CrCN层和Cr层。
较为优选的，所述CrCN层主要由CrN、碳化铬及单质C相等组成。
较为优选的，所述Cr层主要由金属Cr以及CrN相等组成。
本发明实施例还提供了一种制备所述纳米多层活塞环涂层的方法，其包括：将活塞环母材置于镀膜设备真空腔体中，采用多弧离子镀技术在所述活塞环母材上依次沉积金属Cr过渡层和CrCN/Cr纳米多层涂层，直至形成所述纳米多层活塞环涂层。
在一些实施方案中，所述多弧离子镀技术采用的工艺条件包括：Cr靶，靶电流为50A～100A，偏压-20A～-100A，温度350℃～450℃，工作气体包括氩气、氮气及烃类气。
较为优选的，沉积形成所述金属Cr过渡层的条件包括：氩气流量100sccm～400sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间5min～50min。
较为优选的，沉积形成CrCN层的条件包括：氩气流量0sccm，氮气流量300sccm～800sccm，烃类气流量10sccm～100sccm，沉积时间5min～50min。
较为优选的，沉积形成Cr层的条件包括：氩气流量100sccm～400sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间1min～10min。
在一些实施方案中，所述的制备方法包括：在沉积形成所述纳米多层活塞环涂层的过程中，至少通过控制氩气、氮气与烃类气的流量及沉积时间，实现对所述纳米多层活塞环涂层中各结构层的厚度及组分的调控。
在一些实施方案中，所述的制备方法还可包括：先对活塞环母材进行清洗、除油、表面活化处理，之后采用多弧离子镀技术在活塞环母材上形成所述纳米多层活塞环涂层。
较为优选的，所述的活化处理包括：将活塞环母材置于镀膜设备真空腔体中，并对所述镀膜设备真空腔体进行抽真空，之后将真空腔体内的温度升至350℃～450℃，并通入氩气，且对活塞环母材施加-800V～-1200V的偏压，从而引导氩离子对活塞环母材表面进行轰击活化。
较为优选的，在所述镀膜设备中设有相对安置的两组以上Cr靶。
较为优选的，所述Cr靶的纯度在99.95％以上。
在一些实施方案中，所述的制备方法还可包括：在交替沉积CrCN层和Cr层的过程中，于工艺气体切换使Cr靶保持在电弧放电状态。
在一些实施方案中，所述的制备方法还可包括：在形成所述纳米多层活塞环涂层之后，将所述镀膜设备真空腔体的温度降低至200℃以下(优选为100℃～200℃)，随后充入氮气炉冷至100℃以下(优选为室温RT～100℃)，之后取出具有纳米多层活塞环涂层的活塞环母材。
本发明实施例提供了一种活塞环，其包括：活塞环基体；以及，形成在活塞环基体上的、前述的任一种纳米多层活塞环涂层。
与现有技术相比，本发明提供的纳米多层活塞环涂层具有高硬度、高结合力、高耐磨性、低摩擦系数等优异性能，且制备工艺简单可控，成本低廉，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1中制得的纳米多层活塞环涂层的截面形貌图。
图2是本发明实施例1与实施例4中制得的纳米多层活塞环涂层的XRD图谱。
图3是本发明实施例1制得的纳米多层活塞环涂层与活塞环基体的结合力测试图。
图4是本发明实施例1制得的纳米多层活塞环涂层、CrN涂层以及CrCN涂层的硬度对比图。
图5是本发明实施例1制得的纳米多层活塞环涂层与CrN涂层在油润滑环境下的摩擦系数对比图。
图6是本发明实施例1制得的纳米多层活塞环涂层与CrN涂层对磨的铁基涂层在润滑环境下的磨损率对比图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供了一种纳米多层活塞环涂层，所述纳米多层活塞环涂层形成在活塞环母材上，并且所述纳米多层活塞环涂层包括金属Cr过渡层和CrCN/Cr纳米多层涂层，所述CrCN/Cr多层涂层包括交替层叠的CrCN层和Cr层。
较为优选的，所述金属Cr过渡层的厚度为0.1μm～2μm。
较为优选的，所述CrCN/Cr纳米多层涂层的厚度为5μm～50μm，以满足不同工况活塞环的使用需求，且所述CrCN/Cr纳米多层涂层与活塞环母材的结合力不小于50N。
较为优选的，所述CrCN层包括CrN、碳化铬(例如Cr7C3，但不限于此)及单质C相。进一步的，所述CrCN层由CrN、碳化铬(如Cr7C3)及单质C组成。
进一步的，所述CrCN层为C元素改性CrN涂层。其中，通过C元素的掺杂，CrN涂层由单一的CrN相转变为CrCN涂层的CrN、单质C及碳化铬(如Cr7C3)相，其中碳化铬(如Cr7C3)具有高硬度特性，单质C兼具有高硬度与低摩擦系数的特性，因此这些组分的复合可有效降低CrN涂层的摩擦系数，并提高其耐磨性。
较为优选的，所述CrCN层的厚度为0.1μm～5μm。
较为优选的，所述Cr层包括金属Cr以及CrN相。进一步的，所述Cr层由金属Cr及少量的CrN相组成。
较为优选的，所述Cr层的厚度为0.01μm～5μm。
进一步的，在所述CrCN/Cr纳米多层涂层中CrCN与Cr的交替层结构打断了单一方向的晶粒生长，形成了多相纳米晶-非晶复合，显著减小了涂层的晶粒尺寸和残余应力，提高了涂层沉积厚度，增强了涂层耐磨性能。
较为优选的，所述活塞环母材的材质包括不锈钢和氮化钢中的任意一种或多种的组合，但不限于此。
本发明纳米多层活塞环涂层通过采用多体系交替纳米多层结构，不仅降低薄膜的应力，还起到强化作用(包括但不限于细晶强化、位错强化等)，既解决了CrCN涂层高应力、低结合力的问题，还进一步改善了涂层的润滑及耐磨性能。
总之，本发明纳米多层活塞环涂层具有高硬度、高结合力、高耐磨性、低摩擦系数等性能，与活塞环母材结合性良好，对于活塞环具有强韧与润滑一体化的功能，具有良好的应用前景。
本发明实施例还提供了一种制备所述纳米多层活塞环涂层的方法，其主要是通过选择金属Cr为阴极，在氩气/氮气/烃类气的气氛下利用多弧离子镀技术制备金属Cr过渡层和CrCN/Cr纳米多层涂层，通过调控工艺气流量与沉积时间获得所述纳米多层活塞环涂层。
进一步的，所述制备方法包括：将活塞环母材置于镀膜设备真空腔体中，采用多弧离子镀技术在所述活塞环母材上依次沉积金属Cr过渡层和CrCN/Cr纳米多层涂层，直至形成所述纳米多层活塞环涂层。
在一些实施方案中，所述多弧离子镀技术采用的工艺条件包括：Cr靶，靶电流为50A～100A，偏压-20A～-100A，温度350℃～450℃，工作气体包括氩气、氮气及烃类气。
较为优选的，沉积形成所述金属Cr过渡层的条件包括：氩气流量100sccm～400sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间5min～50min。
较为优选的，沉积形成CrCN层的条件包括：氩气流量0sccm，氮气流量300sccm～800sccm，烃类气流量10sccm～100sccm，沉积时间5min～50min。
较为优选的，沉积形成Cr层的条件包括：氩气流量100sccm～400sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间1min～10min。
在一些实施方案中，所述的制备方法包括：在沉积形成所述纳米多层活塞环涂层的过程中，至少通过控制氩气、氮气与烃类气的流量及沉积时间，实现对所述纳米多层活塞环涂层中各结构层的厚度及组分的调控。
前述的烃类气可以是烷烃、烯烃、炔类等，且不限于此。
在一些更为具体的实施方案中，所述的制备方法可以包括以下步骤：
(1)对活塞环母材进行清洗、除油、表面活化处理；
(2)将清洗处理的活塞环母材置于镀膜设备真空腔体中，采用多弧离子镀技术制备活塞环涂层：Cr靶，靶电流为50A～100A，偏压-20A～-100A，温度350℃～450℃，氩气/氮气/烃类气。在沉积过程中，通过控制氩气、氮气与烃类气的流量及沉积时间在活塞环母材表面依次沉积金属Cr过渡层、CrCN/Cr交替层，具体如下：
氩气流量100sccm～400sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间5min～50min，获得金属Cr过渡层；
氩气流量0sccm，氮气流量300sccm～800sccm，烃类气流量10sccm～100sccm，沉积时间5min～50min，获得CrCN层；
氩气流量100sccm～400sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间1min～10min，获得金属Cr层；
按照一定的调制比交替沉积CrCN及Cr层，获得CrCN/Cr交替层结构涂层；
沉积结束后，真空炉冷至200℃，随后充入氮气炉冷至100℃，开炉取样，即在活塞环表面获得纳米多层结构CrCN/Cr涂层。
在一些实施方案中，所述的制备方法还可包括：先对活塞环母材进行清洗、除油、表面活化处理，之后采用多弧离子镀技术在活塞环母材上形成所述纳米多层活塞环涂层。
较为优选的，所述的活化处理包括：将活塞环母材置于镀膜设备真空腔体中，并对所述镀膜设备真空腔体抽真空至低于4×10-3Pa，之后将真空腔体内的温度升至350℃～450℃，并通入氩气(流量约80sccm～150sccm)，且对活塞环母材施加-800V～-1200V的偏压，从而引导氩离子对活塞环母材表面进行轰击活化。该离子活化过程不仅可以有效改善纳米多层活塞环涂层的内应力，同时还显著提高了纳米多层活塞环涂层与活塞环的结合力。
较为优选的，在所述镀膜设备中设有相对安置的两组以上Cr靶。
较为优选的，所述Cr靶的纯度在99.95％以上。
其中，高纯度的Cr靶可以确保所制备样品成分准确性，相对放置的Cr靶材可以确保活塞环涂层的均匀性。
在一些实施方案中，所述的制备方法还可包括：在交替沉积CrCN层和Cr层的过程中，于工艺气体切换使使Cr靶保持在电弧放电状态。Cr阴极电弧放电过程的持续确保切换过程中镀膜的稳定性，最终提高涂层的性能。
在一些实施方案中，所述的制备方法还可包括：在形成所述纳米多层活塞环涂层之后，将所述镀膜设备真空腔体的温度降低至200℃以下，随后充入氮气炉冷至100℃以下，之后取出具有纳米多层活塞环涂层的活塞环母材。
本发明采用多弧离子镀技术，通过控制工艺气体流量及沉积时间，获得了纳米多层活塞环涂层。与现有的活塞环CrN涂层制备工艺相比，该制备方法不需要对设备进行升级，仅需要改变工艺气体的流量及沉积时间等即可就制备纳米多层活塞环涂层，技术简单易行，可进行批量生产。
本发明实施例还提供了一种活塞环，其包括：活塞环基体；以及，形成在活塞环基体上的、前述的任一种纳米多层活塞环涂层。
以下结合附图和若干实施例对本发明的技术发明作进一步的解释说明。
实施例1：本实施例的纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层(亦称纳米多层活塞环涂层)由形成在活塞环母材上的金属Cr过渡层和形成在金属Cr过渡层上的CrCN/Cr层多层结构涂层组成。所述金属Cr过渡层的厚度约为1.3μm。所述CrCN/Cr层多层结构涂层的总厚度约为10.9μm。
所述纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层可以按照以下步骤制备：
(1)对活塞环母材进行清洗、除油、表面活化处理。首先利用乙醇、丙酮等溶剂对活塞环母材进行清洗、除油处理，随后放入多弧离子镀设备真空腔体中，进行氩等离子活化处理，其中氩气气体流量为120sccm，偏压为-1000V，处理时间为30min；
(2)将清洗处理的活塞环母材置于镀膜设备真空腔体中，采用多弧离子镀技术制备活塞环涂层：Cr靶，靶电流为70A，偏压-50V，温度450℃，氩气/氮气/烃类气。
不同层的沉积工艺分别为：
金属Cr过渡层：氩气流量300sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间30min，获得金属Cr过渡层；
CrCN层：氩气流量0sccm，氮气流量500sccm，烃类气流量80sccm，沉积时间16min，获得CrCN层；
Cr层：氩气流量300sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间2min，获得Cr层；
其中CrCN层与Cr层系交替沉积，形成层叠结构。
沉积结束后，真空炉冷至200℃，随后充入氮气炉冷至100℃，开炉取样，即在活塞环表面获得纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层。
作为对照，本案发明人还制备一种活塞环CrN涂层，其可以按照以下步骤制备：
(1)对活塞环母材进行清洗、除油、表面活化处理。首先利用乙醇、丙酮等溶剂对活塞环母材进行清洗、除油处理，随后放入多弧离子镀设备真空腔体中，进行氩等离子活化处理，其中氩气气体流量为120sccm，偏压为-1000V，处理时间为30min；
(2)将清洗处理的活塞环母材置于镀膜设备真空腔体中，采用多弧离子镀技术制备活塞环CrN涂层：Cr靶，氩气流量0sccm，氮气流量500sccm，靶电流为70A，偏压-50V，温度450℃，沉积时间180min；
沉积结束后，真空炉冷至200℃，随后充入氮气炉冷至100℃，开炉取样，即在活塞环表面获得纳米多层活塞环CrN涂层。
作为对照，本案发明人还制备一种活塞环CrCN涂层，其可以按照以下步骤制备：
(1)对活塞环母材进行清洗、除油、表面活化处理。首先利用乙醇、丙酮等溶剂对活塞环母材进行清洗、除油处理，随后放入多弧离子镀设备真空腔体中，进行氩等离子活化处理，其中氩气气体流量为120sccm，偏压为-1000V，处理时间为30min；
(2)将清洗处理的活塞环母材置于镀膜设备真空腔体中，采用多弧离子镀技术制备活塞环CrN涂层：Cr靶，氩气流量0sccm，氮气流量500sccm，烃类气流量80sccm，靶电流为70A，偏压-50V，温度450℃，沉积时间180min；
沉积结束后，真空炉冷至200℃，随后充入氮气炉冷至100℃，开炉取样，即在活塞环表面获得纳米多层活塞环CrCN涂层。
请参阅图1所示是本发明实施例1制得的纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层的截面形貌图。图2是本发明实施例1制得的纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层的XRD图谱。图3是本发明实施例1制得的纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层与活塞环基体的结合力测试图。图4是本发明实施例1制得的纳米多层活塞环涂层以及作为对照的CrN涂层的硬度对比图。图5是本发明实施例1制得的纳米多层活塞环涂层与作为对照的CrN涂层在油润滑环境下的摩擦系数对比图。图6是本发明实施例1中制得的纳米多层活塞环涂层与作为对照的CrN涂层对磨的铁基涂层在润滑环境下的磨损率对比图。
可以看到，所述纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层与活塞环母材的结合力高达71.2N，且所述纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层的硬度约为27.9Gpa，油润滑摩擦系数约为0.087，对偶磨损率约为1.12×10-6mm3N-1m-1。
此外，本案发明人还对前述的纳米多层活塞环CrCN涂层的相关性能(包括但不限于该涂层与活塞环母材的结合力、油润滑摩擦系数和对偶磨损率等)同样进行了测试，并将之与本实施例纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层进行了比对，可以发现，本实施例纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层的多项性能均明显优于纳米多层活塞环CrCN涂层。
实施例2：本实施例的纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层(亦称纳米多层活塞环涂层)由形成在活塞环母材上的金属Cr过渡层和形成在金属Cr过渡层上的CrCN/Cr层多层结构涂层组成。所述金属Cr过渡层的厚度约为1.3μm。所述CrCN/Cr层多层结构涂层的厚度约为11.8μm。经测试表明，该纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层与活塞环母材的结合力约为76.8N，硬度约为28.4Gpa，油润滑摩擦系数约为0.091。
所述纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层可以按照以下步骤制备：
(1)对活塞环母材进行清洗、除油、表面活化处理。首先利用乙醇、丙酮等溶剂对活塞环母材进行清洗、除油处理，随后放入多弧离子镀设备真空腔体中，进行氩等离子活化处理，其中氩气气体流量为80sccm，偏压为-800V，处理时间为30min；
(2)将清洗处理的活塞环母材置于镀膜设备真空腔体中，采用多弧离子镀技术制备活塞环涂层：Cr靶，靶电流为80A，偏压-60V，温度280℃，氩气/氮气/烃类气。不同层的沉积工艺分别为：
金属Cr过渡层：氩气流量200sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间30min，获得金属Cr过渡层；
CrCN层：氩气流量0sccm，氮气流量600sccm，烃类气流量50sccm，沉积时间8min，获得CrCN层；
Cr层：氩气流量250sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间12min，获得Cr层；
其中CrCN层与Cr层系交替沉积，形成层叠结构。
沉积结束后，真空炉冷至200℃，随后充入氮气炉冷至100℃，开炉取样，即在活塞环表面获得纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层。
实施例3：本实施例的纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层(亦称纳米多层活塞环涂层)由形成在活塞环母材上的金属Cr过渡层和形成在金属Cr过渡层上的CrCN/Cr层多层结构涂层组成。所述金属Cr过渡层的厚度约为1.3μm。所述CrCN/Cr层多层结构涂层的厚度约为12.6μm。该纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层与活塞环母材亦能紧密结合，并具有良好的硬度和油润滑摩擦系数。
所述纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层可以按照以下步骤制备：
(1)对活塞环母材进行清洗、除油、表面活化处理。首先利用乙醇、丙酮等溶剂对活塞环母材进行清洗、除油处理，随后放入多弧离子镀设备真空腔体中，进行氩等离子活化处理，其中氩气气体流量为150sccm，偏压为-1200V，处理时间为30min；
(2)将清洗处理的活塞环母材置于镀膜设备真空腔体中，采用多弧离子镀技术制备活塞环涂层：Cr靶，靶电流为50A，偏压-100V，温度350℃，氩气/氮气/烃类气。不同层的沉积工艺分别为：
金属Cr过渡层：氩气流量400sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间5min(，获得金属Cr过渡层；
CrCN层：氩气流量0sccm，氮气流量300sccm，烃类气流量100sccm，沉积时间4min，获得CrCN层；
Cr层：氩气流量100sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间10min，获得Cr层；
其中CrCN层与Cr层系交替沉积，形成层叠结构。
沉积结束后，真空炉冷至200℃，随后充入氮气炉冷至100℃，开炉取样，即在活塞环表面获得纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层。
实施例4：本实施例的纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层(亦称纳米多层活塞环涂层)由形成在活塞环母材上的金属Cr过渡层和形成在金属Cr过渡层上的CrCN/Cr层多层结构涂层组成。所述金属Cr过渡层的厚度约为1.3μm。所述CrCN/Cr层多层结构涂层的厚度约为13.2μm。图2示出了该纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层的XRD图谱。该纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层与活塞环母材亦能紧密结合，并具有良好的硬度和油润滑摩擦系数。
所述纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层可以按照以下步骤制备：
(1)对活塞环母材进行清洗、除油、表面活化处理。首先利用乙醇、丙酮等溶剂对活塞环母材进行清洗、除油处理，随后放入多弧离子镀设备真空腔体中，进行氩等离子活化处理，其中氩气气体流量为120sccm，偏压为-1000V，处理时间为30min；
(2)将清洗处理的活塞环母材置于镀膜设备真空腔体中，采用多弧离子镀技术制备活塞环涂层：Cr靶，靶电流为100A，偏压-20V，温度400℃，氩气/氮气/烃类气。不同层的沉积工艺分别为：
金属Cr过渡层：氩气流量100sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间50min，获得金属Cr过渡层；
CrCN层：氩气流量0sccm，氮气流量800sccm，烃类气流量10sccm，沉积时间50min，获得CrCN层；
Cr层：氩气流量400sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间10min，获得Cr层；
其中CrCN层与Cr层系交替沉积，形成层叠结构。
沉积结束后，真空炉冷至200℃，随后充入氮气炉冷至100℃，开炉取样，即在活塞环表面获得纳米多层活塞环CrCN/Cr涂层。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米多层活塞环涂层，所述纳米多层活塞环涂层形成在活塞环母材上，其特征在于：所述纳米多层活塞环涂层包括金属Cr过渡层和CrCN/Cr纳米多层涂层，所述CrCN/Cr多层涂层包括交替层叠的CrCN层和Cr层，所述CrCN层包括CrN、碳化铬及单质C相，所述Cr层包括金属Cr以及CrN相，所述金属Cr过渡层的厚度为0.1μm～2μm，所述CrCN层的厚度为0.1μm～5μm，所述Cr层的厚度为0.01μm～5μm。
2.根据权利要求1所述的纳米多层活塞环涂层，其特征在于：所述CrCN/Cr纳米多层涂层的厚度为5μm～50μm。
3.如权利要求1-2中任一项所述纳米多层活塞环涂层的制备方法，其特征在于包括：将活塞环母材置于镀膜设备真空腔体中，采用多弧离子镀技术在所述活塞环母材上依次沉积金属Cr过渡层和CrCN/Cr纳米多层涂层，直至形成所述纳米多层活塞环涂层；
所述多弧离子镀技术采用的工艺条件包括：Cr靶，靶电流为50A～100A，偏压-20A～-100A，温度350℃～450℃，工作气体包括氩气、氮气及烃类气；
其中，沉积形成所述金属Cr过渡层的条件包括：氩气流量100sccm～400sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间5min～50min；
沉积形成CrCN层的条件包括：氩气流量0sccm，氮气流量300sccm～800sccm，烃类气流量10sccm～100sccm，沉积时间5min～50min；
沉积形成Cr层的条件包括：氩气流量100sccm～400sccm，氮气流量0sccm，烃类气流量0sccm，沉积时间1min～10min。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于包括：在沉积形成所述纳米多层活塞环涂层的过程中，至少通过控制氩气、氮气与烃类气的流量及沉积时间，实现对所述纳米多层活塞环涂层中各结构层的厚度及组分的调控。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于包括：先对活塞环母材进行清洗、除油、表面活化处理，之后采用多弧离子镀技术在活塞环母材上形成所述纳米多层活塞环涂层。
6.如权利要求5所述的制备方法，所述的活化处理包括：将活塞环母材置于镀膜设备真空腔体中，并对所述镀膜设备真空腔体进行抽真空，之后将真空腔体内的温度升至350℃～450℃，并通入氩气，且对活塞环母材施加-800V～-1200V的偏压，从而引导氩离子对活塞环母材表面进行轰击活化。
7.如权利要求3-6中任一项所述的制备方法，其特征在于：在所述镀膜设备中设有相对安置的两组以上Cr靶，所述Cr靶的纯度在99.95%以上。
8.如权利要求3-6中任一项所述的制备方法，其特征在于包括：在交替沉积CrCN层和Cr层的过程中，于工艺气体切换使Cr靶保持在电弧放电状态。
9.如权利要求3-6中任一项所述的制备方法，其特征在于包括：在形成所述纳米多层活塞环涂层之后，将所述镀膜设备真空腔体的温度降低至200℃以下，随后充入氮气炉冷至100℃以下，之后取出具有纳米多层活塞环涂层的活塞环母材。
10.一种活塞环，其特征在于包括：活塞环基体；以及，形成在活塞环基体上的、如权利要求1-2中任一项所述的纳米多层活塞环涂层。
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