CN109988994B - 一种具有耐磨减摩作用的镀层、其制备方法及活塞环 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有耐磨减摩作用的镀层、其制备方法及活塞环，镀层依次包括粘结层、过渡层、梯度层和功能层；梯度层为Mo元素含量梯度增加的CrMoxN层；功能层包括至少一个循环层，每一个循环层由下至上依次包括第一CrMoxN层和第二CrMoxN层，第一CrMoxN层中的Mo元素含量低于第二CrMoxN层中的Mo元素含量。本发明提供的镀层相比于CrN镀层，摩擦系数降低10％～30％，摩擦系数为0.3～0.45；镀层的整体硬度可达到1400～2600HV，厚度可达80μm，能够满足活塞环全寿命的耐久性能的要求；镀层的制备工艺简单，可操作性强，便于工业化推广。
Description
技术领域
本发明属于表面处理技术领域，涉及一种镀层及其制备方法和用途，尤其涉及一种具有耐磨减摩作用的镀层、其制备方法及活塞环。
背景技术
要适应日趋收紧的燃油耗标准，提高发动机的燃烧效率，以及减少发动机各零部件的摩擦损失是应对的有效方法。其中活塞组件的摩擦损失在车用发动机的总摩擦损失中占40～60％。因此，降低活塞组件的摩擦损失至关重要，对活塞环提出了整个使用寿命中尽可能具有低摩擦性能的要求。
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。目前有两个发展方向，其一，软硬搭配的多层涂层成为涂层的发展方向之一，耐磨的硬涂层与减摩的软涂层组合能达到耐磨又减摩的双重作用。据报道，在冷冲模具钢Cr12MoV上物理气相沉积CrTiAlN/MoST复合涂层，CrTiAlN涂层的有利支撑使得MoST涂层充分发挥其润滑作用，而MoST涂层显著降低了CrTiAlN涂层的摩擦系数并有效地延长了涂层寿命。但是，其减摩的作用存在明显的限制，软涂层外层使得该复合涂层的硬度要明显低于传统硬涂层，且一旦软涂层外层剥落厚其减摩作用消失，复合涂层的磨损率呈上升趋势。其二，有效的方法还有沉积兼具低摩擦与低磨损特性的类金刚石镀层，但目前限制类金刚石镀层应用推广的瓶颈主要在于，现有方法制备的类金刚石镀层具有较高的内应力，镀层厚度越大，应力表现也越大，当超过10μm时，镀层本身所觉有的高内应力使得镀层很容易发生剥落，制约镀层制备得到更大的厚度和更长的使用寿命。
CN 103789725A公开了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。所述单一金属为Cr；所述单一氮化物为CrN；所述多元氮化物为Cr(Me)N；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。所述镀层共分五层结构，总厚度可达60μm。所述镀层与活塞环表面结合强度高，硬度高，摩擦系数低，耐磨性好。控制添加元素Al、Mo、W、B、Si、Ti的添加量可比单一TiN或CrN镀层的摩擦系数再降低5～20％。但是其耐磨、耐久性及减摩作用还需要进一步提高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有耐磨减摩作用的镀层、其制备方法及活塞环，所述镀层的层与层之间的结合力强，硬度高，摩擦系数小，同时具有耐磨及减摩作用，且其生命周期长。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种具有耐磨减摩作用的镀层，所述镀层位于基体表面，所述镀层由基体表面向外依次包括粘结层、过渡层、梯度层和功能层。
所述梯度层为Mo元素含量由2.0～3.0wt％递增到3.0～6.0wt％的CrMoxN层。所述梯度层为Mo元素含量递增的CrMoxN层，可以有效降低镀层内应力，确保镀层沉积得到更大的厚度。
所述功能层包括至少一个循环层，如所述功能层包括2个、3个、5个、7个、9个、10个、12个、15个、17个、19个、21个、25个或30个等循环层。每一个循环层由下至上依次包括第一CrMoxN层和第二CrMoxN层，第一CrMoxN层中的Mo元素含量低于第二CrMoxN层中的Mo元素含量。
所述循环层的个数本领域技术人员可根据基体的需要进行选择。当所述功能层包括至少两个循环层时，所述功能层为循环调幅结构。循环调幅结构保证了镀层中Mo含量产生明显的成分周期性变化，可使所述镀层的厚度达到80μm，大大提高了镀层的厚度。所述第一CrMoxN层中Mo元素的含量低于第二CrMoxN层中Mo元素的含量有利于降低层与层之间的内应力，提高其相互间的结合力，从而有利于镀层厚度的提高。
作为本发明一种优选的技术方案，所述第一CrMoxN层中的Mo元素含量为3.0～6.0wt％，如3.2wt％、3.5wt％、3.8wt％、4.1wt％、4.5wt％、4.8wt％、5.1wt％、5.3wt％、5.5wt％或5.8wt％等。
优选地，所述第二CrMoxN层中的Mo元素含量为10.0～15.0wt％，如10.2wt％、10.3wt％、10.5wt％、10.8wt％、11.2wt％、11.5wt％、11.8wt％、12.2wt％、12.5wt％、12.8wt％、13.1wt％、13.5wt％、13.8wt％、14.3wt％或14.8wt％等。
所述粘结层的作用为保证镀层具有良好的结合能力；所述过渡层的作用为在保证固有基本耐磨性要求前提下，降低镀层内应力；所述梯度层的作用为保证固有的耐磨性、低摩擦性要求前提下，降低镀层内应力；所述功能层的作用为兼具高耐磨性和低摩擦性能。
作为本发明一种优选的技术方案，所述功能层包括4～20个循环层，如所述功能层包括5个、6个、7个、8个、9个、10个、12个、15个、18个或19个循环层等。
作为本发明一种优选的技术方案，所述粘结层为Cr层。
优选地，所述过渡层为CrN层和/或Cr2N层。
优选地，所述基体为活塞环，所述活塞环由钢和/或铸铁制得。所述基体也可为其它物体，本领域的技术人员可根据实际需要进行选择。
作为本发明一种优选的技术方案，所述镀层的厚度为10～80μm，如12μm、15μm、18μm、20μm、23μm、25μm、28μm、31μm、35μm、38μm、40μm、42μm、45μm、48μm、50μm、52μm、55μm、57μm、60μm、61μm、65μm、68μm、70μm、72μm、75μm或78μm等。所述镀层的厚度本领域技术人员可根据实际的需要如基体的材质、用途等的不同进行确定。所述镀层的厚度可达80μm，可见各层之间的结合力较强。
优选地，所述功能层的厚度为7.5～55μm，如7.8μm、8.1μm、8.3μm、8.5μm、9.5μm、10.0μm、10.3μm、10.5μm、11.0μm、11.5μm、11.8μm、12.0μm、12.5μm、13.0μm、14.0μm、15.0μm、18.0μm、20.0μm、21.0μm、22.0μm、23.5μm、28.3μm、30.2μm、34.3μm、38.1μm、40.3μm、43.6μm、48.5μm、50.2μm、53.4μm等。
优选地，所述第二CrMoxN层与第一CrMoxN层的厚度比为(2～3):1，如厚度比为2.1:1、2.3:1、2.5:1、2.8:1或2.9:1等。
优选地，所述粘结层的厚度为0.5～3μm，如0.8μm、1.0μm、1.2μm、1.5μm、1.8μm、2.1μm、2.3μm、2.5μm或2.7μm等。
优选地，所述过渡层的厚度为1～11μm，如1.5μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm等。
优选地，所述梯度层的厚度为1～11μm，如1.5μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm等。
第二方面，本发明提供了一种活塞环，所述活塞环表面上镀有如上所述的镀层。表面具有如上所述镀层的活塞环具有优异的耐磨、减摩作用，其使用寿命大大延长。
第三方面，本发明提供了一种如第二方面所述镀层的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)清洗基体表面，得到清洗后的基体；
(2)采用多弧离子镀设备在基体表面沉积粘结层；
(3)采用多弧离子镀设备在粘结层表面沉积过渡层；
(4)采用多弧离子镀设备在过渡层表面梯度层；
(5)采用多弧离子镀设备在梯度层表面沉积至少一层循环层形成功能层，得到所述镀层。
所述镀层是可通过多弧离子镀设备制备得到，所述多弧离子镀设备可选自PVP多弧离子镀设备。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤(1)所述清洗包括如下步骤：
(a)将基体表面脱脂除油后进行超声波清洗，干燥后装入多弧离子镀设备，加热到380～450℃，如385℃、390℃、395℃、400℃、405℃、410℃、415℃、420℃、430℃、440℃或445℃等，抽真空到5.0×10-3Pa以下，如4.5×10-3Pa、4.3×10-3Pa、4.1×10-3Pa、3.8×10-3Pa、3.5×10-3Pa、3.1×10-3Pa、2.8×10-3Pa、2.5×10-3Pa、2.1×10-3Pa、1.8×10-3Pa、1.5×10- 3Pa、0.5×10-3Pa或0.1×10-3Pa等；
(b)向多弧离子镀设备中通入99.99％纯度的Ar，负偏压-800～-1200V下，如-850V、-900V、-1000V、-1050V、-1100V或-1150V等，Ar离子轰击清洗基体表面。
步骤(2)所述沉积粘结层的工艺条件为：以金属Cr靶为阴极，以Ar为工作反应气体，阴极电流80～120A，如82A、88A、94A、100A、108A或116A等，气压1～2Pa，如1.1Pa、1.2Pa、1.3Pa、1.5Pa、1.7Pa或1.9Pa等，基体加负偏压-17～-23V，如-18V、-19V、-20V、-21V、-22V或-22.5V等。
优选地，步骤(3)所述沉积过渡层的工艺条件为：以金属Cr靶为阴极，以N2为工作反应气体，阴极电流80～120A，如82A、88A、94A、100A、108A或116A等，气压4～6Pa，如4.2Pa、4.5Pa、4.8Pa、5.0Pa、5.2Pa、5.5Pa或5.8Pa等，基体施加负偏压-30～-40V，如-31V、-32V、-33V、-35V、-37V、-38V或-39V等。
优选地，步骤(4)所述沉积梯度层的工艺条件为：金属Cr靶材和CrMo为阴极，N2为工作反应气体，气压4～6Pa，如4.2Pa、4.5Pa、4.8Pa、5.0Pa、5.2Pa、5.5Pa或5.8Pa等，基体施加负偏压-30～-40Pa，如-31V、-32V、-33V、-35V、-37V、-38V或-39V等，CrMo阴极电流由30～45A递增到40～55A，如由30A递增到40A、由30A递增到45A、由30A递增到50A、由30A提增到55A、由35A递增到40A、由35A递增到45A、由35A递增到50A、由35A递增到55A、由40A递增到45A、由40A递增到50A、由40A递增到55A、由45A递增到50A或由45A递增到55A等。
优选地，步骤(5)所述沉积循环层的工艺条件为：以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压4～6Pa，如4.2Pa、4.5Pa、4.8Pa、5.0Pa、5.2Pa、5.5Pa或5.8Pa等，基体施加负偏压-30～-40V，如-31V、-32V、-33V、-35V、-37V、-38V或-39V等，CrMo阴极电流40～55A，如42A、43A、45A、48A、50A、52A或54A等，沉积第一CrMoxN层；之后，以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压4～6Pa，如4.2Pa、4.5Pa、4.8Pa、5.0Pa、5.2Pa、5.5Pa或5.8Pa等，基体施加负偏压-30～-40V，如-31V、-32V、-33V、-35V、-37V、-38V或-39V等，CrMo阴极电流80～95A，如82V、83V、85V、88V、90V、92V或94V等，沉积第二CrMoxN层。
优选地，步骤(5)所述循环层沉积4-20层，如5层、6层、7层、8层、9层、10层、12层、15层、18层或19层循环层等。
优选地，步骤(2)-(5)中所述的沉积过程的总时间为8～39h，如10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h、24h、26h、28h、30h、32h、34h、36h或38h等。
作为本发明一种优选的技术方案，所述镀层的制备方法包括如下步骤：
(1)清洗基体表面，得到清洗后的基体，所述清洗具体包括：
a将基体表面脱脂除油，并经过超声波清洗干净，烘干后装入多弧离子镀设备，加热到380～450℃，抽真空到5.0×10-3Pa以下；
b向多弧离子镀设备中通入99.99％纯度的Ar，负偏压-800～-1200V的情况下，Ar离子轰击清洗活塞环表面；
(2)以金属Cr靶为阴极，以Ar为工作反应气体，阴极电流80～120A，气压1～2Pa，基体加负偏压-17～-23V，在基体表面沉积粘结层Cr层；
(3)以金属Cr靶为阴极，以N2为工作反应气体，阴极电流80～120A，气压4～6Pa，基体施加负偏压-30～-40V，在Cr层上沉积过渡CrN层或Cr2N层；
(4)金属Cr靶材和CrMo为阴极，N2为工作反应气体，气压4～6Pa，基体施加负偏压-30～-40Pa，CrMo阴极电流由30～45A递增到40～55A，沉积Mo元素含量递增的CrMoxN层；
(5)以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压4～6Pa，基体施加负偏压-30～-40V，CrMo阴极电流40～55A，沉积第一CrMoxN层；之后，以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压4～6Pa，基体施加负偏压-30～-40V，CrMo阴极电流80～95A，沉积第二CrMoxN层；
(6)重复步骤(5)4～20个循环周期至工艺时间结束，炉温低于150℃后取出基体，得到位于基体表面的镀层；
其中，步骤(2)-步骤(5)中所述的沉积过程的总时间为8～39h。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)与现有的CrN镀层相比，本发明提供的镀层整体表现摩擦性能降低10％～30％，典型的CrN镀层摩擦系数在0.60～0.70，而本发明提供的镀层的摩擦系数为0.3～0.45；另外，所述的镀层的整体硬度可达到1400～2600HV，可见其硬度较大，耐磨；特别的，在镀层最表面采用了高Mo含量的CrMoxN层，有利于活塞环在发动机初期跑和阶段的磨合。
(2)本发明提供的镀层由于采用层状结构，有效避免了镀层中缺陷(液滴、粗大柱状晶等)的连续生长，以确保镀层厚度得以提高；另外，由于其中Mo含量产生明显的成分周期性变化，消除了各层之间的内应力，确保了镀层生长的连续性而达到超厚镀层(10～80μm)的目的；与常规工磨具CrN镀层相比，其厚度由原来的8μm左右增加至10～80μm，满足了活塞环全寿命的耐久性能的要求。
(3)本发明提供的镀层的制备工艺简单，可操作性强，由于采用了CrMo合金靶材，通过阴极电流高低的周期变化很容易实现功能层的形成，便于工业化推广。
附图说明
图1为本发明一种实施方式提供的位于基体表面的镀层的结构示意图。其中：1-基体；2-粘结层；3-过渡层；4-梯度层；5-第一CrMoxN层；6-第二CrMoxN层；7-功能层。
图2为本发明一种实施方式提供的镀层中各层的Cr和Mo含量图，其中，虚线表示Cr含量；实线表示Mo含量。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种镀层，如图1所示，所述镀层的厚度为10～80μm，所述镀层依次包括粘结层2、过渡层3、梯度层4和功能层7，所述粘结层2直接与基体1表面接触。
所述粘结层2为Cr层或Cr层，粘结层2的厚度为0.5～3μm。
所述过渡层3为CrN层和/或Cr2N层，过渡层3的厚度为1～11μm。
所述梯度层4为Mo元素含量梯度增加的CrMoxN层，梯度层4的厚度为1～11μm。
所述功能层7包括至少一个循环层(可包括2个、3个、4个、5个、8个、10个、15个、20个、25个、30个、35个或40个等循环层，图1中给出的是4个循环层的情况)，每一个循环层包括第一CrMoxN层5和覆盖于第一CrMoxN层5表面的第二CrMoxN层6。所述功能层7的厚度为7.5～55μm；所述第二CrMoxN层6与第一CrMoxN层5的厚度比为(2～3):1。
第一CrMoxN层5中的Mo元素含量低于第二CrMoxN层6中的Mo元素含量，具体地，所述第一CrMoxN层5中的Mo元素含量为3.0～6.0wt％；所述第二CrMoxN层6中的Mo元素含量为10.0～15.0wt％，粘结层2、过渡层3、梯度层4和功能层7中Cr和Mo的含量变化如图2所示。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种所述镀层的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)清洗基体1表面，得到清洗后的基体1，所述清洗具体包括：
(a)将基体1表面脱脂除油，并经过超声波清洗干净，烘干后装入多弧离子镀设备，加热到380～450℃，抽真空到5.0×10-3Pa以下；所述的基体1可为活塞环；
(b)向多弧离子镀设备中通入99.99％纯度的Ar，负偏压-800～-1200V的情况下，Ar离子轰击清洗活塞环表面。
(2)以金属Cr靶为阴极，以Ar为工作反应气体，阴极电流80～120A，气压1～2Pa，基体1加负偏压-17～-23V，在基体1表面沉积粘结层Cr层；
(3)以金属Cr靶为阴极，以N2为工作反应气体，阴极电流80～120A，气压4～6Pa，基体1施加负偏压-30～-40V，在Cr层上沉积过渡CrN层和/或Cr2N层；
(4)金属Cr靶材和CrMo为阴极，N2为工作反应气体，气压4～6Pa，基体1施加负偏压-30～-40Pa，CrMo阴极电流由30～45A递增到40～55A，沉积Mo元素含量梯度增加的CrMoxN层；
(5)以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压4～6Pa，基体1施加负偏压-30～-40V，CrMo阴极电流40～55A，沉积第一CrMoxN层5；之后，以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压4～6Pa，基体1施加负偏压-30～-40V，CrMo阴极电流80～95A，沉积第二CrMoxN层6；
(6)重复步骤(5)4～20个循环周期至工艺时间结束，炉温低于150℃后取出基体1，得到位于基体1表面的镀层；
其中，步骤(2)-步骤(5)中所述的沉积过程的总时间为8～39h。
实施例1
一种活塞环表面的镀层，所述镀层的厚度为10μm，所述镀层依次包括粘结层2、过渡层3、梯度层4和功能层7，所述粘结层2位于活塞环表面。
所述粘结层2为Cr层，粘结层2的厚度为0.5μm。
所述过渡层3为CrN层，过渡层3的厚度为1μm。
所述梯度层4为Mo元素含量梯度增加的CrMoxN层，梯度层4的厚度为1μm。
所述功能层7(调制结构)包括一个循环层，每一个循环层包括第一CrMoxN层5和覆盖于第一CrMoxN层5表面的第二CrMoxN层6，第一CrMoxN层5中的Mo元素含量低于第二CrMoxN层6中的Mo元素含量；所述第一CrMoxN层5中的Mo元素含量为3.0wt％；所述第二CrMoxN层6中的Mo元素含量为10.0wt％；所述功能层7的厚度为7.5μm；所述第二CrMoxN层6与第一CrMoxN层5的厚度比为2:1。
所述镀层的制备方法包括如下步骤：
(1)清洗基体1表面，得到清洗后的基体1，所述清洗具体包括：
(a)将基体1表面脱脂除油，并经过超声波清洗干净，烘干后装入多弧离子镀设备，加热到390℃，抽真空到5.0×10-3Pa以下；所述的基体1为活塞环；
(b)向多弧离子镀设备中通入99.99％纯度的Ar，负偏压-900V的情况下，Ar离子轰击清洗活塞环表面。
(2)以金属Cr靶为阴极，以Ar为工作反应气体，阴极电流85A，气压1.2Pa，基体1加负偏压-19V，在基体1表面沉积粘结层Cr层；
(3)以金属Cr靶为阴极，以N2为工作反应气体，阴极电流85A，气压4.2Pa，基体1施加负偏压-38V，在Cr层上沉积过渡层CrN层；
(4)金属Cr靶材和CrMo为阴极，N2为工作反应气体，气压4.2Pa，基体1施加负偏压-38V，CrMo阴极电流由32A递增到42A，沉积Mo元素含量梯度增加的CrMoxN层；
(5)以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压4.2Pa，基体1施加负偏压-38V，CrMo阴极电流43A，沉积第一CrMoxN层5；之后，以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压4.2Pa，基体1施加负偏压-38V，CrMo阴极电流82A，沉积第二CrMoxN层6；
(6)炉温低于150℃后取出基体1，得到位于基体1表面的镀层，步骤(2)-步骤(5)中所述的沉积过程的总时间8.6h。
对制备得到的镀层进行硬度及摩擦系数测试，镀层的摩擦系数为0.35，硬度为1800～1900。
实施例2
一种活塞环表面的镀层，所述镀层的厚度为80μm，所述镀层依次包括粘结层2、过渡层3、梯度层4和功能层7，所述粘结层2位于活塞环表面。
所述粘结层2为Cr层，粘结层2的厚度为3μm。
所述过渡层3为Cr2N层，过渡层3的厚度为11μm。
所述梯度层4为Mo元素含量梯度增加的CrMoxN层，梯度层4的厚度为11μm。
所述功能层7(调制结构)包括20个循环层，每一个循环层包括第一CrMoxN层5和覆盖于第一CrMoxN层5表面的第二CrMoxN层6，第一CrMoxN层5中的Mo元素含量低于第二CrMoxN层6中的Mo元素含量；所述第一CrMoxN层5中的Mo元素含量为6.0wt％；所述第二CrMoxN层6中的Mo元素含量为15.0wt％；所述功能层7的厚度为55μm；所述第二CrMoxN层6与第一CrMoxN层5的厚度比为3:1。
所述镀层的制备方法包括如下步骤：
(1)清洗基体1表面，得到清洗后的基体1，所述清洗具体包括：
(a)将基体1表面脱脂除油，并经过超声波清洗干净，烘干后装入多弧离子镀设备，加热到435℃，抽真空到5.0×10-3Pa以下；所述的基体1可为活塞环；
(b)向多弧离子镀设备中通入99.99％纯度的Ar，负偏压-1100v的情况下，Ar离子轰击清洗活塞环表面。
(2)以金属Cr靶为阴极，以Ar为工作反应气体，阴极电流110A，气压1.5Pa，基体1加负偏压-22V，在基体1表面沉积粘结层Cr层；
(3)以金属Cr靶为阴极，以N2为工作反应气体，阴极电流110A，气压5Pa，基体1施加负偏压-38V，在Cr层上沉积过渡层Cr2N层；
(4)金属Cr靶材和CrMo为阴极，N2为工作反应气体，气压5Pa，基体1施加负偏压-38Pa，CrMo阴极电流梯度由35A递增到53A，沉积Mo元素含量梯度增加的CrMoxN层；
(5)以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压5Pa，基体1施加负偏压-38V，CrMo阴极电流53A，沉积第一CrMoxN层5；之后，以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压5Pa，基体1施加负偏压-38V，CrMo阴极电流93A，沉积第二CrMoxN层6；
(6)重复步骤(5)20个循环周期至工艺时间结束，炉温低于150℃后取出基体1，得到位于基体1表面的镀层，步骤(2)-步骤(5)中所述的沉积过程的总时间为38h。
对制备得到的镀层进行硬度及摩擦系数测试，镀层的摩擦系数为0.4，硬度为1800～1900。
实施例3
一种活塞环表面的镀层，所述镀层的厚度为60μm，所述镀层依次包括粘结层2、过渡层3、梯度层4和功能层7，所述粘结层2直接与基体1表面接触。
所述粘结层2为Cr层，粘结层2的厚度为2μm。
所述过渡层3为CrN层，过渡层3的厚度为5μm。
所述梯度层4为Mo元素含量梯度增加的CrMoxN层，梯度层4的厚度为5μm。
所述功能层7包括4个循环层，每一个循环层包括第一CrMoxN层5和覆盖于第一CrMoxN层5表面的第二CrMoxN层6，第一CrMoxN层5中的Mo元素含量低于第二CrMoxN层6中的Mo元素含量；所述第一CrMoxN层5中的Mo元素含量为5.0wt％；所述第二CrMoxN层6中的Mo元素含量为12.0wt％；所述功能层7的厚度为48μm；所述第二CrMoxN层6与第一CrMoxN层5的厚度比为2.5:1。
所述镀层的制备方法包括如下步骤：
(1)清洗基体1表面，得到清洗后的基体1，所述清洗具体包括：
(a)将基体1表面脱脂除油，并经过超声波清洗干净，烘干后装入多弧离子镀设备，加热到420℃，抽真空到5.0×10-3Pa以下；所述的基体1可为活塞环；
(b)向多弧离子镀设备中通入99.99％纯度的Ar，负偏压-1000V的情况下，Ar离子轰击清洗活塞环表面。
(2)以金属Cr靶为阴极，以Ar为工作反应气体，阴极电流100A，气压1.7Pa，基体1加负偏压-20V，在基体1表面沉积粘结层Cr层；
(3)以金属Cr靶为阴极，以N2为工作反应气体，阴极电流100A，气压5.2Pa，基体1施加负偏压-35V，在Cr层上沉积过渡层CrN层；
(4)金属Cr靶材和CrMo为阴极，N2为工作反应气体，气压5.2Pa，基体1施加负偏压-35Pa，CrMo阴极电流由33A递增到49A，沉积Mo元素含量梯度增加的CrMoxN层；
(5)以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压5.2Pa，基体1施加负偏压-35V，CrMo阴极电流50A，沉积第一CrMoxN层5；之后，以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压5.2Pa，基体1施加负偏压-35V，CrMo阴极电流89A，沉积第二CrMoxN层6；
(6)重复步骤(5)4个循环周期至工艺时间结束，炉温低于150℃后取出基体1，得到位于基体1表面的镀层，其中，步骤(2)-步骤(5)中所述的沉积过程的总时间为30h。
对制备得到的镀层进行硬度及摩擦系数测试，镀层的摩擦系数为0.32，硬度为1800～1900。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (21)
1.一种具有耐磨减摩作用的镀层，所述镀层位于基体表面，其特征在于，所述镀层沿基体表面向外依次包括粘结层、过渡层、梯度层和功能层；
所述梯度层为Mo元素含量由2.0～3.0wt％递增到3.0～6.0wt％的CrMoxN层；
所述功能层包括4～20个循环层，每一个循环层由下至上依次包括第一CrMoxN层和第二CrMoxN层，第一CrMoxN层中的Mo元素含量低于第二CrMoxN层中的Mo元素含量。
2.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于，所述第一CrMoxN层中的Mo元素含量为3.0～6.0wt％。
3.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于，所述第二CrMoxN层中的Mo元素含量为10.0～15.0wt％。
4.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于，所述粘结层为Cr层。
5.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于，所述过渡层为CrN层和/或Cr2N层。
6.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于，所述基体为活塞环，所述活塞环由钢和/或铸铁制得。
7.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于，所述镀层的厚度为10～80μm。
8.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于，所述功能层的厚度为7.5～55μm。
9.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于，所述第二CrMoxN层与第一CrMoxN层的厚度比为(2～3):1。
10.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于，所述粘结层的厚度为0.5～3μm。
11.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于，所述过渡层的厚度为1～11μm。
12.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于，所述梯度层的厚度为1～11μm。
13.一种活塞环，其特征在于，所述活塞环上设置有权利要求1-12之一所述的镀层。
14.根据权利要求1-12之一所述的镀层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)清洗基体表面，得到清洗后的基体；
(2)采用多弧离子镀设备在基体表面沉积粘结层；
(3)采用多弧离子镀设备在粘结层表面沉积过渡层；
(4)采用多弧离子镀设备在过渡层表面沉积梯度层；
(5)采用多弧离子镀设备在梯度层表面沉积4～20个循环层形成功能层，得到所述镀层。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述清洗包括如下步骤：
(a)将基体表面脱脂除油后进行超声波清洗，干燥后装入多弧离子镀设备，加热到380～450℃，抽真空到5.0×10-3Pa以下；
(b)向多弧离子镀设备中通入99.99％纯度的Ar，负偏压-800～-1200V下，Ar离子轰击清洗基体表面。
16.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述沉积粘结层的工艺条件为：以金属Cr靶为阴极，以Ar为工作反应气体，阴极电流80～120A，气压1～2Pa，基体加负偏压-17～-23V。
17.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述沉积过渡层的工艺条件为：以金属Cr靶为阴极，以N2为工作反应气体，阴极电流80～120A，气压4～6Pa，基体施加负偏压-30～-40V。
18.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述沉积梯度层的工艺条件为：金属Cr靶材和CrMo为阴极，N2为工作反应气体，气压4～6Pa，基体施加负偏压-30～-40Pa，CrMo阴极电流由30～45A递增到40～55A。
19.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述沉积循环层的工艺条件为：以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压4～6Pa，基体施加负偏压-30～-40V，CrMo阴极电流40～55A，沉积第一CrMoxN层；之后，以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压4～6Pa，基体施加负偏压-30～-40V，CrMo阴极电流80～95A，沉积第二CrMoxN层。
20.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)-(5)中所述的沉积过程的总时间为8～39h。
21.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述镀层的制备方法包括如下步骤：
(1)清洗基体表面，得到清洗后的基体，所述清洗具体包括：
a将基体表面脱脂除油，并经过超声波清洗干净，烘干后装入多弧离子镀设备，加热到380～450℃，抽真空到5.0×10-3Pa以下；
b向多弧离子镀设备中通入99.99％纯度的Ar，负偏压-800～-1200V的情况下，Ar离子轰击清洗活塞环表面；
(2)以金属Cr靶为阴极，以Ar为工作反应气体，阴极电流80～120A，气压1～2Pa，基体加负偏压-17～-23V，在基体表面沉积粘结层Cr层；
(3)以金属Cr靶为阴极，以N2为工作反应气体，阴极电流80～120A，气压4～6Pa，基体施加负偏压-30～-40V，在Cr层上沉积过渡CrN层和/或Cr2N层；
(4)金属Cr靶材和CrMo为阴极，N2为工作反应气体，气压4～6Pa，基体施加负偏压-30～-40Pa，CrMo阴极电流由30～45A递增到40～55A，沉积Mo元素含量递增的CrMoxN层；
(5)以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压4～6Pa，基体施加负偏压-30～-40V，CrMo阴极电流40～55A，沉积第一CrMoxN层；之后，以金属Cr靶和CrMo靶为阴极，以N2为工作反应气体，气压4～6Pa，基体施加负偏压-30～-40V，CrMo阴极电流80～95A，沉积第二CrMoxN层；
(6)重复步骤(5)4～20个循环周期至工艺时间结束，炉温低于150℃后取出基体，得到位于基体表面的镀层；
其中，步骤(2)-步骤(5)中所述的沉积过程的总时间为8～39h。
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