CN103160780A - 凸轮轴表面多层纳米复合类金刚石薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸轮轴表面多层纳米复合类金刚石薄膜的制备方法。本发明利用高频高功率脉冲磁控溅射技术，在凸轮轴表面沉积纳米多层复合类金刚石薄膜。复合薄膜粘着层厚度为0.2～0.5μm、承载层厚度为1～3μm，表层厚度为1～3μm，复合薄膜凸轮轴表面结合力高达60N。

Description

凸轮轴表面多层纳米复合类金刚石薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种凸轮轴(材质：45#碳素钢、球墨铸铁、80B和各类合金钢)桃心及轴表面类金刚石润滑薄膜的制备方法，具体是利用多靶磁控溅射设备在凸轮轴(材质：45#碳素钢、球墨铸铁、80B和各类合金钢)桃心及轴表面纳米多层复合类金刚石薄膜。

背景技术

凸轮轴的主体是一根与汽缸组长度相同的圆柱形棒体。上面套有若干个凸轮，用于驱动气门，凸轮轴的常见故障包括异常磨损、异响以及断裂，异响和断裂发生之前往往先出现异常磨损的症状。如果机油泵因为使用时间过长等原因出现供油压力不足，或润滑油道堵塞造成润滑油无法到达凸轮轴，或轴承盖紧固螺栓拧紧力矩过大造成润滑油无法进入凸轮轴间隙，均会造成凸轮轴的异常磨损。总的来看，凸轮轴的磨损是由于润滑失效导致的。因此，解决凸轮轴的润滑问题成为提升凸轮轴可靠性和长寿命的关键。类金刚石薄膜由于其该硬度、低摩擦系数(小于0.06)和磨损率、耐腐蚀等性能而备受关注，尤其在制造行业，如刀具、钻头、模具等方面得到越来越多的应用。如果能够在凸轮轴桃心及轴表面成功制备具有高结合力、低摩擦系数的类金刚石薄膜，将会显著降低启动与运转时润滑油不足引起的摩擦磨损、减少功率消耗，并能改善磨合状况，延长使用寿命。然而直接在凸轮轴表面制备类金刚石膜，由于热匹配、结构匹配性差，会导致应力大，引起脱落和剥离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种凸轮轴表面多层纳米复合类金刚石薄膜的制备方法。

解决类金刚石薄膜在不同材质表面的附着力，是解决类金刚石薄膜在凸轮轴上应用的关键，进而将解决凸轮轴表面的摩擦磨损、提高发动机的效率、节省能量和降低排放量，提高发动机的可靠性和寿命。

本发明利用高频高功率脉冲磁控溅射技术，在凸轮轴表面沉积纳米多层复合类金刚石薄膜。

一种凸轮轴表面多层纳米复合类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于该方法依次具体步骤为：

A将凸轮轴进行常规除油清洗，然后在丙酮和乙醇溶液中依次进行超声清洗；

B将凸轮轴样品置于多靶溅射真空系统中并预抽真空至2×10^-3Pa；

C高功率脉冲或高频脉冲磁控溅射粘接层，以金属Ti靶为阴极，工作气体为氩气，沉积时间10～30min；

D反应磁控溅射承载层，以金属靶为阴极，工作气体为氩气和甲烷或氩气和乙烯，沉积时间30～60min；

E反应溅射沉积成分渐变复合类金刚石薄膜，工作气体为氩气和甲烷或氩气和乙烯，沉积时间20～60min；自然冷却后得到多层类金刚石复合薄膜。

复合类金刚石薄膜，依次由粘着层、过渡层、功能层三部分构成，底层为Ti、Cr、Mo或其混合层构成、过渡层为Ti、Cr、Mo的碳化物层或与Si的混合梯度层、表层为成分渐变类金刚石薄膜。

上述多层类金刚石复合薄膜，粘着层厚度为0.2～0.5μm、承载层厚度为1～3μm，表层厚度为1～3μm。

本发明得到的多层类金刚石复合薄膜凸轮轴表面结合力高达60N(HF1)，在微震摩擦试验机上、载荷200N，贫油润滑条件下摩擦系数低于0.12，为没有处理工件表面的1/3左右，大大降低了摩擦系数和磨损率。

本发明的高硬度、低摩擦低磨损纳米多层复合类金刚石薄膜改善凸轮轴在油润滑不纯分的情况下引起的摩擦磨损，降低干摩擦下磨损引起的动力不足，提高凸轮轴的实用寿命和可靠性。

本发明具有以下优点：

制备的凸轮轴表面多层纳米复合类金刚石薄膜具有良好的膜基结合力，具有优异的抗磨与自润滑性能，即使在短期过载以及发动机变工况导致润滑不良条件下，也具有良好的抗磨与润滑效果，能够满足现代发动机高速、高功效以及低排放的要求。

凸轮轴表面处理方法属于真空离子镀膜范畴，具有节能环保，绿色高效的优点。所采用的真空镀膜设备易于放大、利于工业化生产。该发明的推广使用，可以摆脱依赖进口获取高性能凸轮轴的影响。

具体实施方式

实施例1

45#碳素钢凸轮轴表面多层纳米复合类金刚石薄膜由涂层基体/Ti层/TiSi层/TiSiC层/类金刚石层，处理工艺按照以下步骤进行：1)将45#碳素钢凸轮轴进行常规除油清洗，然后在三氯甲烷溶液中依次进行超声清洗；(2)将45#碳素钢凸轮轴置于多靶复合溅射沉积系统进行氩等离子体溅射清洗，氩气气压2～5Pa，偏压为1000～1600V，频率60～200KHz，15～20min；(3)磁控溅射镀Ti层，金属Ti靶为阴极，处理时间15～30min，偏压600～1200V，频率60～160KHz；靶电流12～20A，频率60～160KHz；(4)磁控溅射镀TiSi层，保持上述条件不变，沉积时间10～20min；(5)磁控溅射镀TiSiC层(6)溅射沉积成分渐变含氢类金刚石薄膜，其他条件保持不变，氩气和甲烷流量比到1/3V沉积时间20～60min，自然冷却后得到多层纳米复合类金刚石薄膜。

实施例2

80B凸轮轴表面多层纳米复合类金刚石薄膜由涂层基体/Cr层/TiCri层/TiCrC层/类金刚石层，处理工艺按照以下步骤进行：1)将80B凸轮轴进行常规除油清洗，然后在三氯甲烷溶液中依次进行超声清洗；(2)将45#碳素钢凸轮轴置于多靶复合溅射沉积系统进行氩等离子体溅射清洗，氩气气压2～5Pa，偏压为1000～1600V，频率60～200KHz，15～20min；(3)磁控溅射镀Ti层，金属Ti靶为阴极，处理时间15～30min，偏压600～1200V，频率60～160KHz；靶电流12～20A，频率60～160KHz；(4)磁控溅射镀TiCr层，保持上述条件不变，沉积时间10～20min；(5)磁控溅射镀TiCrC层，(6)关闭磁控溅射靶，在保持气氛的条件下调节气压到20-40Pa，偏压800～1600V，频率60～160KHz，沉积30分钟后关闭系统，冷却后得到多层纳米复合类金刚石薄膜。

Claims (1)

1.一种凸轮轴表面多层纳米复合类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于该方法依次具体步骤为：

A将凸轮轴进行常规除油清洗，然后在丙酮和乙醇溶液中依次进行超声清洗；

B将凸轮轴样品置于多靶溅射真空系统中并预抽真空至2×10^-3Pa；

C高功率脉冲或高频脉冲磁控溅射粘接层，以金属Ti靶为阴极，工作气体为氩气，沉积时间10～30min；

D反应磁控溅射承载层，以金属靶为阴极，工作气体为氩气和甲烷或氩气和乙烯，沉积时间30～60min；

E反应溅射沉积成分渐变复合类金刚石薄膜，工作气体为氩气和甲烷或氩气和乙烯，沉积时间20～60min；自然冷却后得到多层类金刚石复合薄膜。