一種多層復(fù)合類富勒烯薄膜在汽車發(fā)動機(jī)上產(chǎn)業(yè)化的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種表面處理產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方法，特別是涉及一種具有高硬度、低摩擦、低磨損和高結(jié)合力的多層復(fù)合類富勒烯碳薄膜在汽車發(fā)動機(jī)上產(chǎn)業(yè)化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著對汽車節(jié)能減排、環(huán)保方面嚴(yán)苛要求以及不斷提升的高精度、高可靠性和長壽命方面的高標(biāo)準(zhǔn)要求，新一代節(jié)能、降耗、低碳型的發(fā)動機(jī)對新型強(qiáng)化與潤滑一體化表面防護(hù)技術(shù)提出了迫切需求。如發(fā)動機(jī)是由高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、氣門挺柱、挺桿、活塞環(huán)、活塞銷、凸輪軸等不同形狀尺寸的部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，這些部件是由鑄鐵、碳鋼、合金鋼等不同金屬基材組成，具有不同的物理和機(jī)械性能，這些發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件常見的問題就是摩擦磨損，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡，油耗增加，排氣冒煙。因此，要想使機(jī)動車節(jié)省能量、減少排放量，就必須降低摩擦磨損，縮小配合間隙。而減小摩擦、降低磨損從而延長運(yùn)動部件的工作壽命并提高其運(yùn)行的可靠性的主要途徑之一在于作用于摩擦副表面的潤滑材料。其中，固體潤滑涂層如氮化物、碳化物等涂層因具有高硬度與耐磨損等特性優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)零部件表面。但是，氮化物、碳化物等涂層存在摩擦系數(shù)高、內(nèi)應(yīng)力大、壽命短等缺點(diǎn)，因此，需要尋找一種具備低摩擦、低磨損、高硬度、低內(nèi)應(yīng)力固體潤滑涂層來應(yīng)對發(fā)動機(jī)高速，高載、貧油等苛刻工況條件。
[0003]類富勒稀(Fullerene-Like Carbon，F(xiàn)LC)薄膜由于其具有五元、七元環(huán)導(dǎo)致平面六元環(huán)結(jié)構(gòu)彎曲，彎曲結(jié)構(gòu)有利于吸收應(yīng)變能量，降低了薄膜內(nèi)應(yīng)力，因而具有極高的硬度、極好的化學(xué)惰性、極低的摩擦系數(shù)、優(yōu)良的抗磨性和良好的熱傳導(dǎo)性等優(yōu)異特性，因此在機(jī)械、摩擦學(xué)、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]目前，困擾類富勒烯薄膜產(chǎn)業(yè)化的主要瓶頸是:①類富勒烯薄膜與不銹鋼、軸承鋼、模具鋼、碳素鋼和鑄鐵等工件基底表面的結(jié)合力較差，在磨損或腐蝕工況下極易脫落和失效；②發(fā)動機(jī)共軌系統(tǒng)和配氣系統(tǒng)的部分組件形狀復(fù)雜，如氣門挺柱、挺桿、活塞環(huán)、活塞銷、凸輪軸、曲軸和控制活塞等，要求在不同直徑的表面或錐面上同時沉積厚度均一并可控的薄膜。③類富勒烯薄膜在發(fā)動機(jī)部件的產(chǎn)業(yè)化一致性技術(shù)，即要保證整個真空腔上下左右各個部件鍍膜后一致性。
[0005]目前常用的幾種制備薄膜的手段，主要有電弧離子鍍、磁控濺射和等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)。其中電弧離子鍍離化率和能量高，通常被用來沉積硬質(zhì)薄膜，但是其沉積的薄膜粗糙度大，不適合精密部件的加工；傳統(tǒng)的磁控濺射雖然可以獲得性能優(yōu)異的薄膜，卻存在繞鍍性和結(jié)合力差的問題，且在遠(yuǎn)離靶的垂直方向上薄膜厚度差大；化學(xué)氣相沉積技術(shù)通常都需要高的溫度來實(shí)現(xiàn)良的結(jié)合力，雖然等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積可以實(shí)現(xiàn)低溫沉積，卻因沉積條件要求較高難以實(shí)現(xiàn)大面積沉積；磁過濾電弧雖然解決了薄膜表面光潔度的問題，但是高的沉積溫度和長的沉積時間使其難以產(chǎn)業(yè)化。
[0006]為了解決由于膜基結(jié)合差和膜厚不均而無法在發(fā)動機(jī)摩擦副表面獲得一致性類富勒烯薄膜產(chǎn)業(yè)化的問題，本發(fā)明提供了一種高結(jié)合力、膜厚均一的多層復(fù)合類富勒烯薄膜制備方法，該方法能夠在發(fā)動機(jī)上在各類摩擦副部件及材質(zhì)上實(shí)現(xiàn)類富勒烯薄膜產(chǎn)業(yè)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是通過陰極電弧與非平衡磁控濺射相結(jié)合的一體化技術(shù)，并配合高功率脈沖離子源來提高鍍膜區(qū)域的等離子體密度技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)多層復(fù)合類富勒烯薄膜在汽車發(fā)動機(jī)上的產(chǎn)業(yè)化。
[0008]本發(fā)明的制備方法包括下列步驟:
將要沉積薄膜的發(fā)動機(jī)部件，依次通過除油、漂洗、除銹、漂洗、脫水的清洗裝置后，裝入真空腔中；將真空腔真空度依次通過機(jī)械栗、羅茨栗、分子栗、低溫水汽栗抽至2.0X 10 3Pa;在鍍膜前利用高功率脈沖離子源進(jìn)行高強(qiáng)度的氣體離子轟擊清洗，去除待鍍工件表面的氧化(鈍化)層、污物和毛刺等；接下來采用陰極電弧技術(shù)進(jìn)行高能金屬離子轟擊來鍍粘結(jié)層，然后利用高功率脈沖離子源離化反應(yīng)氣體，提高鍍膜區(qū)域的等離子體密度，并配合非平衡磁控濺射技術(shù)依次在工件上沉積高性能金屬氮化物、金屬碳氮化物、類富勒烯薄膜的沉積。
[0009]所述可沉積薄膜的發(fā)動機(jī)部件可以是缸體、曲軸、活塞銷或控制活塞，材質(zhì)可以為熱處理回火溫度大于150°C、表面光潔度Ra〈0.6ym、表面無銹點(diǎn)、凹坑的不銹鋼、軸承鋼、豐吳具鋼、碳素鋼、鑄鐵等材料。
[0010]所述清洗裝置中除油采用的中性或弱酸性水基除油劑，漂洗采用去離子水溢流方式，除銹采用弱酸性除銹劑，脫水采用無水乙醇，整個清洗過程均在超聲波震蕩下進(jìn)行。
[0011]抽真空先用機(jī)械栗將真空腔抽至800Pa，然后打開羅茨栗將真空腔抽至1Pa，最后開分子栗和低溫水汽栗將真空抽至2.0X 10 3 Pa。
[0012]利用高功率脈沖離子源進(jìn)行高強(qiáng)度氣體離子轟擊時要通入純度大于99.99%的Ar氣，轟擊過程中保持腔內(nèi)氣壓在0.35-0.45Pa，離子源電流強(qiáng)度在8-12A ;直流脈沖偏壓為600-800V,占空比 40-60%，頻率 40_80KHz，轟擊時間為 15min。
[0013]采用陰極電弧轟擊高能金屬離子時要通入純度大于99.99%的Ar氣，轟擊過程中保持腔內(nèi)氣壓在0.35-0.40Pa，轟擊的高能金屬離子源為純度大于99.99%Ti靶，靶基距為8-12cm，陰極電弧Ti電流為120-150A ;直流脈沖偏壓為400-600V，占空比40_60%，頻率40-80KHz，轟擊時間為20min。
[0014]沉積高性能金屬氮化物時，通入純度大于99.99%的Ar、N2氣，N 2與Ar的百分比濃度為(N2/Ar) 40-60%，反應(yīng)氣體壓強(qiáng)為0.45-0.55Pa ;高功率脈沖離子源電流強(qiáng)度8-12A ;非平衡磁控濺射Ti和Cr靶電流為10-12A，占空比為40_60%，頻率為40_80KHz ;陰極電弧Ti電流為100-120A ;直流脈沖偏壓為200-400V，占空比40_60%，頻率40_80KHz，沉積時間35min0
[0015]沉積高性能金屬碳氮化物時，通入純度大于99.99%的Ar、N2、CH4S C 2H2氣體，化與Ar的百分比濃度為(N2/Ar) 40-60%,反應(yīng)氣體壓強(qiáng)為0.45-0.55Pa ;014或C 2H2氣體通入量與Ar百分比濃度CH4/Ar或C2H2/Ar按5%/2min依次增加到100% ;高功率脈沖離子源電流強(qiáng)度8-12A ;非平衡磁控濺射Ti和Cr靶電流為10-12A，占空比為40_60%，頻率為40_80KHz ；陰極電弧Ti電流為100-120A ;直流脈沖偏壓為100-200V，占空比40_60%，頻率40_80KHz，沉積時間40min。
[0016]沉積高性能類富勒烯納米結(jié)構(gòu)碳薄膜時，通入純度大于99.99%的Ar、N2, 014或C2H2氣體，N2ig Ar的百分比濃度為(N 2/Ar) 40-60%, 014或C 2H2氣體通入量與Ar百分比濃度CH4/Ar或C2H2/Ar為100% ;高功率脈沖離子源電流強(qiáng)度8-12A ;非平衡磁控濺射Ti和Cr靶電流為10-12A，占空比為40-60%，頻率為40-80KHZ ;陰極電弧Ti電流為100-120A ;直流脈沖偏壓為100-200V，占空比40-60%，頻率40_80KHz，沉積時間30min。
[0017]采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對本發(fā)明在汽車發(fā)動機(jī)曲軸上制備的類富勒烯薄膜進(jìn)行性能評價，摩擦條件采用球-盤往復(fù)模式，往復(fù)滑動行程為5mm，往復(fù)頻率為12Hz，法向載荷為20N，摩擦對偶為Φ5πιπι的GCrl5鋼球，測試環(huán)境為大氣。另外采用劃痕儀對類富勒烯薄膜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)劃痕實(shí)驗(yàn)，評價其膜基結(jié)合性能。測試結(jié)果:發(fā)動機(jī)曲軸試樣基底上類富勒烯薄膜摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.035，磨損率低至1.5X10 1V3ZNm,膜基結(jié)合強(qiáng)度達(dá)72N，顯示出高膜基結(jié)合強(qiáng)度、超低摩擦系數(shù)、高抗磨性能。
[0018]本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于:
一種用以上方法實(shí)現(xiàn)多層復(fù)合類富勒烯薄膜在汽車發(fā)動機(jī)上產(chǎn)業(yè)化，所設(shè)計的多種鍍膜技術(shù)復(fù)合的可大面積低成本制備表面光潔致密、平滑細(xì)膩，