CN103695843A - 一种制备类金刚石膜球墨铸铁活塞环的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一种制备类金刚石膜球墨铸铁活塞环的工艺，其特征在于步骤如下：清洗干燥、工件抛研、预处理、再次清洗干燥、涂层面形核、沉积打底层、沉积DLC工作涂层，采用本发明工艺涂层的类金刚石膜涂层摩擦系数小，附着力强，其摩擦系数极低（0.2以下），因此是改进发动机的燃烧效率、减少尾气排放、提高活塞环的技术性能指标，使之满足国家发动机强制排放标准要求的理想工艺。

Description

一种制备类金刚石膜球墨铸铁活塞环的工艺

技术领域

本发明涉及无机非金属材料在高速往复运动的汽车发动机球墨铸铁活塞环的应用，同时也可以应用于其他材质的汽车发动机活塞环沉积类金刚石膜（DLC）的涂层工艺方法，尤其一种高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备以及利用该设备制备类金刚石膜球墨铸铁活塞环的工艺。

背景技术

汽车尾气污染是我国大气污染的重要来源。随着我国对汽车发动机采取更为严格的排放标准，如何改进发动机的燃烧效率、减少尾气排放、提高活塞环的技术性能指标，使之满足国家发动机强制排放标准要求，是活塞环生产企业面临的技术难题。类金刚石涂层兼具了金刚石和石墨的特性，由于含有金刚石成分，涂层硬度高，具有更高的耐磨损性能，同时由于含有石墨成分，其摩擦系数极低（0.2以下），因此是适宜提升活塞环性能的理想工艺。

本发明之前也有涉及汽车活塞环表面涂层的工艺技术，这些方法存在着如下问题：1、之前的方法不能在球墨铸铁表面上生长致密的膜层。因为球墨铸铁表面金相组织结构疏松，存在很多不规则的空隙，使用传统的涂层工艺方法无法覆盖，更无法生长致密的类金刚石膜层；2、之前的方法操作实施复杂，有的要镀五层叠加膜，费时费力，效率低下，生产成本高，不具备实际使用价值；3、之前的方法所述在镀叠加膜或者层叠复合膜的第一层都是电镀铬（Cr）电镀铬是高污染的淘汰工艺方法是环保管理不能允许的。

发明内容

本发明解决技术问题采用如下方案：

在试验球墨铸铁涂活塞环涂层类金刚石膜过程中，我们先后使用过多种方法。其中包括磁控溅射法。使用这种方法我们在球墨铸铁活塞环外圆沉积了致密的类金刚石膜。但是，由于球墨铸铁活塞环和气缸是高速往复运动的运动付，必须有极低摩擦系数和极高的耐摩擦性能，因此，涂层的附着力成为至关重要的问题。

为了得到很高的涂层附着力，我们研制了“高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备”并发明新的工艺方法。

高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备，是本发明人研制的新原理涂层设备。它包括涂层室、行星旋转工件架、磁过滤弧源、分子泵、真空系统，所述涂层室为立式圆柱形，整体双层水冷式结构，所述涂层室前部设有进料门，所述涂层室的顶部设有管状加热器、热电偶接口，所述涂层室的底部设有进气口和行星旋转工件架，所述行星旋转工件架底部连接有驱动系统，所述涂层室的侧壁安装有磁过滤弧源，所述涂层室的后部安装有分子泵和真空系统。 

所述磁过滤弧源由引弧电极、阴极支架、靶材、推弧电磁线圈、聚焦电磁线圈、弯头组成，所述靶材安装在阴极支架上，所述引弧电极和所述阴极支架外接引弧电源，所述推弧电磁线圈和所述聚焦电磁线圈安装在所述引弧电极和阴极支架产生电弧处的外围。

进一步的，所述弯头为锥度2°弯曲弧度为100°的锥度弯头，所述锥度弯头的外表面安装有多个弯曲弧电磁线圈，在锥度弯头内形成强度为0～20 mT的弯曲磁场。

该设备充分利用弧源中的触发电极和石墨阴极之间产生真空电弧放电，激发高离化率的碳等离子体，采用磁过滤线圈过滤掉弧源产生的大颗粒和中性原子，可使到达衬底的几乎全部是碳离子，可以用较高的沉积速率制备出无氢膜，采用此技术可以获得sp3键含量高达70%、硬度高达～4500HV0.025的无氢碳膜，其性质与多晶金刚石膜（CVD）相近。

本发明利用自制的“高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备”，采取如下工艺方法规模化生产类金刚石膜涂层球墨铸铁活塞环：

第一步：清洗干燥：将工件送入高压喷淋清洗机进行除油、清洗、烘干，温度控制在60-80℃；

第二步：工件预处理喷砂：用金刚石W10微粉喷射活塞环外圆，刻蚀工件表面，使涂层类金刚石膜形成框架基础；

第三步：工件预处理抛研：用金刚石W5微粉抛研活塞环外圆，进一步刻蚀工件表面；

第四步：将工件放入超声波清洗机中，使用帕卡濑津脱脂剂FC-4360进行脱脂清洗干燥；

第五步：将工件放入另一超声波清洗机中，使用丙酮+无水乙醇，按照重量比3:7配比，再次进行脱脂、去污、清洗、干燥；

第六步：将再次清洗干燥后的工件装入高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备中；

第七步：通入Ar至0.5-1.5Pa，对工件加偏压600-800V；

第八步：通入N和C、H至1-2Pa,对工件涂层面形核，即：为涂层致密的打底层和工作层编织构架；

第九步：通入N和O2，开启弧靶阴极采用99.9%金属Cr靶，沉积氮氧化铬过渡层（打底层）NCr,厚度20-30μm；

第十步：通入N和H、CH4，开启磁过滤弧源，阴极采用99.9%石墨靶，沉积DLC涂层，厚度10-15μm。

本发明的积极效果是：1、本发明采用两步物理方式预处理工件，用物理方法刻蚀工件表面为形成高附着力打好基础：A、将筒装工件置于喷砂机，启动旋转，用金刚石W10微粉喷射活塞环外园，刻蚀工件表面，使涂层类金刚石膜工件表面初步形成框架基础（别的发明只有很简单的“普通方法清洗”“丙酮清洗”）；B、物理方式预处理：将筒装工件置于抛研机，启动旋转，用金刚石W5微粉研磨活塞环外园，进一步刻蚀工件表面，使涂层类金刚石膜形成密集的框架基础。

2、本发明采用离子轰击刻蚀技术：通入Ar至约1Pa，对工件加负偏压，将Ar电离并对工件产生离子轰击作用，去除工件表面微观杂质及刻蚀活化表面的作用，有利于提高沉积结合力。

3、本发明工件装入设备框室后，所有操作是连续的。不像现有技术，每镀一层就必须停止关机，然后再镀第二层。

4、采用本发明工艺形成的类金刚石膜涂层摩擦系数可达到0.13，涂层表面形貌及成分质量优良，涂层附着力可达到37N，涂层厚度可达到10-15μm，远远优于传统的镀膜装置和工艺。

附图说明

图1为高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备的俯视图。

图2为高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备的左视图。

图3为磁过滤弧源的结构示意图。

图4为球墨铸铁活塞环类金刚石膜涂层生产工艺流程图。

附图中：1—磁过滤弧源，2—涂层室，3—真空系统，4—机架，5—分子泵，6—行星旋转工件架，7—进料门，8—热电偶接口，9—管状加热器，10—驱动系统，11—进气口，12—阴极支架，13—引弧电极，14—推弧电磁线圈，15—靶材，16—弯头，17—弯曲弧电磁线圈，18—聚焦电磁线圈。

具体实施方式

为进一步描述本发明，以下以具体的实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不仅限于此。

如图1、图2所示，一种高附着力高硬度低摩擦系数类金刚石膜的涂层设备，包括涂层室2、行星旋转工件架6、磁过滤弧源1、分子泵5、机架4。

涂层室2固定安装在机架4上，涂层室2采用立式圆柱形结构Ф900×900mm，不锈钢材质，整体双层水冷式结构，前开门结构，便于更换样品、靶材15及日常维护。真空室整体焊接后进行热处理消除焊接应力防止焊后变形。涂层室2前部开有进料门7和观察窗，涂层室2的顶部设有管状加热器9、热电偶接口8、充气阀及预留CF35法兰接口。所述涂层室2的后部安装有分子泵5和真空系统3。

涂层室2的底部设有进气口11和行星旋转工件架6，所述行星旋转工件架6底部连接有驱动系统10，所述行星旋转工件架6是由直流电机将旋转动力传递给行星齿轮机构（行星齿轮机构由太阳齿轮、行星齿轮和内齿轮组成），驱动与行星齿轮连接的工件挂架作自转，同时又驱动与内齿轮连接的大圆盘作公转，从而实现工件在沉积过程中“自转”和“公转”保证工件全方位，均匀的沉积DLC膜层。行星旋转工件架6是专为大批量、产业化生产设计的，工位多，基片装载范围大，旋转速度为0～20RPM可调，装载量：以φ130件计算，可装2000件/炉。

涂层室2的侧壁安装有多个磁过滤弧源1，如图3所示，所述磁过滤弧源1由引弧电极13、阴极支架12、靶材15、推弧电磁线圈14、聚焦电磁线圈18、弯头16组成。所述靶材15安装在阴极支架12上，所述引弧电极13和所述阴极支架12外接引弧电源，该引弧电源具有能够识别电弧的燃烧或熄灭状态环节，根据需要而发出引弧脉冲，进行启动时的自动引弧和熄弧后自动再引弧。所述推弧电磁线圈14和所述聚焦电磁线圈18安装在所述引弧电极13和阴极支架12产生电弧处的外围。推弧电磁线圈14可以使电弧引燃后迅速过渡到阴极的表面，也可以防止电弧引燃后向水冷阴极支架12根部燃烧。聚焦电磁线圈18产生的推动力将电弧推向前方，适当调节推弧电磁线圈14和聚焦电磁线圈18的线圈电流，还可以控制阴极斑点在阴极表面运动的范围，使阴极进行均匀刻蚀，得到一个稳定燃烧的冷等离子体电弧。两线圈均可产生0～40 mT的电磁场。

如图3所示，所述弯头16为锥度2°弯曲弧度为100°的锥度弯头16，所述锥度弯头16，所述锥度弯头16的外表面安装有多个弯曲弧电磁线圈17，在锥度弯头16内形成强度为0～20 mT的弯曲磁场，起到弯曲电弧过滤中性粒子等宏观粒子团的作用。

本发明利用自制的“高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备”，采取如下工艺方法规模化生产类金刚石膜涂层球墨铸铁活塞环（如图4所示）。

实施例1：以卡车Φ130球墨铸铁活塞环沉积DLC涂层为例：

球墨铸铁油环（以下简称“工件”），外园直径Φ130，厚度3.5mm，数量：2000件。

第一步：将工件清洗干燥：将待清洗的工件放于输送带送入高压喷淋清洗机，设定工作程序，除油30min；清洗30min；烘干温度70℃，时间10min、然后由输送带自动送出。

喷淋清洗机使用的清洗液：金属洗涤剂＋除油剂按1:1配比；

工件安装入以内孔定芯的专用夹具，一筒可以装Φ130活塞环200件；

第二步：物理方式预处理：将筒装工件置于喷砂机，启动旋转，用金刚石W10微粉喷射活塞环外园，刻蚀工件表面，使涂层类金刚石膜形成框架基础；

第三步：物理方式预处理：将筒装工件置于抛研机，启动旋转，用金刚石W5微粉研磨活塞环外园，进一步刻蚀工件表面；

第四步：工件预处理脱脂，将工件置于超声波清洗机中使用帕卡濑津脱脂剂FC-4360进行脱脂清洗；

第五步：使用超声波清洗机再次清洗干燥，清洗液为：丙酮+无水乙醇（3:7配比）；

第五步：将再次清洗干燥后的工件装入“高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备”框室挂架（10串2000件）；

第六步：抽真空至热偶计示数为5-6Pa，30-40min通入Ar至0.5-1.5Pa，对工件加负偏压600-800V；

第七步：通入N和C、H至1-2Pa,对工件涂层面形核40min，即：为涂层致密的打底层和工作层编织构架；

第八步：通入N和O2，开启2个弧靶，阴极采用99.9%金属Cr靶材，沉积氮氧化铬过渡层（打底层）NO2Cr, 操作时间3-4小时，达到NO2Cr厚度20-30μm；

第九步：通入N和H、CH4，开启8个磁过滤弧源,阴极采用99.9%石墨靶材，沉积DLC涂层，时间5-6小时，达到DLC涂层厚度10-15μm。

实施例2：以卡车Φ123球墨铸铁活塞环沉积DLC涂层为例：

球墨铸铁油环（以下简称“工件”），外园直径Φ123，

厚度2.8mm，数量：2500件。

第一步：将工件清洗干燥：将待清洗的工件放于输送带送入高压喷淋清洗机，设定工作程序，除油30min；清洗30min；烘干温度70℃，时间10min、然后由输送带自动送出。

喷淋清洗机使用的清洗液：金属洗涤剂＋除油剂按1:1配比

工件安装入以内孔定芯的专用夹具，一筒可以装Φ123活塞环250件；

第二步：物理方式预处理：将筒装工件置于喷砂机，启动旋转，用金刚石W10微粉喷射活塞环外园，刻蚀工件表面，使涂层类金刚石膜形成框架基础；

第三步：物理方式预处理：将筒装工件置于抛研机，启动旋转，用金刚石W5微粉研磨活塞环外园，进一步刻蚀工件表面；

第四步：工件预处理脱脂，将工件置于超声波清洗机中使用帕卡濑津 脱脂剂FC-4360进行脱脂清洗；

第五步：使用超声波清洗机再次清洗干燥，清洗液为：丙酮+无水乙醇（3:7配比）；

第六步：将再次清洗干燥后的工件装入“高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备”框室挂架（10串2500件）；

第七步：抽真空至热偶计示数为5-6Pa，30-40min通入Ar至0.5-1.5Pa，对工件加负偏压600-800V；

第八步：通入N和C、H至1-2Pa,对工件涂层面形核40min，即：为涂层致密的打底层和工作层编织构架；

第九步：通入N和O2，开启2个弧靶，阴极采用99.9%金属Cr靶材，沉积氮氧化铬过渡层（打底层）NO2Cr, 操作时间3-4小时，达到NO2Cr厚度20-30μm；

第十步：通入N和H、CH4，开启8个磁过滤弧源,阴极采用99.9%石墨靶材，沉积DLC涂层，时间5-6小时，达到DLC涂层厚度10-15μm。

对采用本发明工艺制作的球墨铸铁活塞环类金刚石膜涂层（DLC）与镀铬、CrN涂层进行对比检测，其结果如下表所示：

表一、球墨铸铁活塞环类金刚石膜与其他涂层比对产品性能指标

比较指标	涂层前	镀铬	CrN	本发明DLC
					摩擦系数	1.0左右	0.7左右	0.35左右	0.1左右
显微硬度HV	400HV	800～1000 HV	1600左右	2500～3500 HV

从上表可以看出，本发明制作的DLC涂层的摩擦系数为0.1左右，远低于其他涂层的摩擦系数，可有效地降低内燃机摩擦损耗的功率20～30%（活塞/活塞环摩擦损耗功占发动机总摩擦损失功的40～50%）和提高使用寿命；提高了环的抗拉缸性。本发明制作的DLC涂层具有2500～3500 HV的高显微硬度，可以提高球墨铸铁活塞环的使用寿命1.5-2倍。DLC兼具金刚石和石墨特性，具有较低的摩擦系数，优化了活塞环与缸套的匹配性能。发动机在高速运转时产生的高温、高压、高摩擦，决定了传统活塞环是内燃机最容易损坏的关键部件。鉴于DLC耐磨、耐蚀、低摩擦系数等特征，有效提高了活塞环的使用寿命，有效地保证了活塞环的密封性，使得燃烧更充分，从而达到降低燃油耗；减少了尾气排放的目的。

Claims (1)

1.一种制备类金刚石膜球墨铸铁活塞环的工艺，其特征在于步骤如下：

第一步：清洗干燥：将工件送入高压喷淋清洗机进行除油、清洗、烘干，温度控制在60-80℃；

第二步：工件预处理喷砂：用金刚石W10微粉喷射活塞环外圆，刻蚀工件表面，使涂层类金刚石膜形成框架基础；

第三步：工件预处理抛研：用金刚石W5微粉抛研活塞环外圆，进一步刻蚀工件表面；

第四步：将工件放入超声波清洗机中，使用帕卡濑津脱脂剂FC-4360进行脱脂清洗干燥；

第五步：将工件放入另一超声波清洗机中，使用丙酮+无水乙醇，按照重量比3:7配比，再次进行脱脂、去污、清洗、干燥；

第六步：将再次清洗干燥后的工件装入高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备中；

第七步：通入Ar至0.5-1.5Pa，对工件加偏压600-800V；

第八步：通入N和C、H至1-2Pa,对工件涂层面形核，即：为涂层致密的打底层和工作层编织构架；

第九步：通入N和O2，开启弧靶阴极采用99.9%金属Cr靶，沉积氮氧化铬过渡层（打底层）NCr,厚度20-30μm；

第十步：通入N和H、CH4，开启磁过滤弧源，阴极采用99.9%石墨靶，沉积DLC涂层，厚度10-15μm。

Images