CN103866252A - 在活塞表面制备复合薄膜技术 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在活塞表面制备复合薄膜技术。技术方案是:磁控溅射镀CrAl粘结层;磁控溅射沉积金属氮化物梯度层;掺杂类金刚石梯度复合涂层沉积,最后在碳素钢、铝合金等表面获得多层梯度类金刚石纳米复合涂层。
Description
技术领域
本发明涉及一种在碳素钢、铝合金表面MeN-MeC/Me-DLC薄膜的制备及其在活塞上的制备技术,具体是采用物理气相沉积技术在碳素钢、铝合金表面获得梯度多层类金刚石纳米复合涂层,属于真空表面处理和材料表面保护领域。
背景技术
我国机动车燃油消耗量占石油销量的1/3左右,耗能仅次于建筑,随着环境污染的加剧,对机动车节能减排提出了越来越高的要求,尤其是随着欧四标准实施期限的临近,机动车节能减排任务日益艰巨。在众多的节能减排技术中,表面处理技术已经在切削、钻头等方面取得了显著成效。目前,日本的尼桑、德国的大众都等实用了类金刚石薄膜技术,实现了节能减排2%的目标。
如果国产汽车也实用类金刚石薄膜技术,对比现有水平,在主要摩擦副的抗磨损寿命提高3倍以上,产品寿命周期提高2倍以上,样机和样车能产生2%以上的整车的综合节能效果;预计汽车行业每年的经济效益100亿元以上,同时具有显著的社会效益。提高我国整个汽车行业的摩擦学科学和工程技术的应用水平。
活塞上制备类金刚石薄膜,可有效降低发动机的振动,显著提高发动机的动力性能,延长发动机的寿命。
但是活塞通常由碳素钢、铝合金等材料制造,物理硬度较低,在其表面制备类金刚石薄膜非常困难。为解决这一问题,首先考虑在其表面沉积金属和金属氮化物,这一技术是成熟的,唯一缺点在于金属氮化物薄膜摩擦系数较大。在活塞上制备类金刚石薄膜可以使其摩擦系数降低到1/4。由于引入一定厚度的金属氮化物层,在受外界压力的情况下薄膜变形可以通过氮化物层吸收。
发明内容
本发明的目的是提供一种在碳素钢、铝合金表面MeN-MeC/Me-DLC薄膜的制备及其在活塞上的制备技术
为实现上述目的,本发明提供的技术方案是:
(1)磁控溅射镀CrAl 粘结层;(2)磁控溅射沉积金属氮化物梯度层;(3)掺杂类金刚石梯度复合涂层沉积,最后在碳素钢、铝合金等表面获得多层梯度类金刚石纳米复合涂层。
在活塞表面制备复合薄膜技术,具体步骤如下:
1)超声波清洗线清洗和脱水、烘干活塞;
2) 抽至预定真空度,充入氩气,偏压600-1000V等离子处理时间5~10min;
3)打开溅射靶1、3,电流6-14A,偏压200-400V,磁控溅射沉积CrAl金属层;
4) 充入氮气,氮气和氩气流量比为15-40%,保持电流不变,偏压200-400V,磁控溅射沉积CrAlN金属层厚度1-3微米;
5)关闭上述溅射靶、打开金属靶2、4,靶电流控制在8~16A,甲烷流量以10sccm/min的增长速率,增加到200sccm,通过逐渐增加甲烷流量来控制成分变化,样品上施加600~1000V的负偏压,处理时间为90min,自然冷却,最后在碳素钢、不锈钢、硬质合金表面获得多层梯度类金刚石纳米复合涂层。
采用本发明在碳素钢、铝合金等表面MeN-MeC/Me-DLC薄膜与碳素钢、铝合金基底结合牢固,在高温环境下具有优异的摩擦与自润滑性能。其特点在于多层梯度过渡层提供了良好的支撑和界面结合,通过硅掺杂和类金刚石薄膜内部结构的设计,提高了高温环境下的抗氧化性能,增强了薄膜的热稳定性能,有效地阻止了薄膜的石墨化,改善了薄膜在高温环境下的摩擦磨损性能。
本发明的碳素钢、不锈钢、硬质合金表面加工方法属于真空等离子范畴,绿色环保,不会对环境造成污染。所采用的复合工艺稳定,可实现批量生产。作为金属保护涂层,薄膜在摩擦过程中会有升温过程,通过在碳素钢、不锈钢、硬质合金表面多层多元素耐高温类金刚石纳米复合薄膜材料制备,可以大大提高薄膜的使用温度范畴,并且在长时间摩擦过程中能有效的抵抗温升所带来的缺陷,使得DLC薄膜使用寿命增加。
具体实施方式
(1)将活塞在超声波清洗线上清洗干净、风干、烘烤后装炉;
(2)本底真空抽至3x10-3 Pa;
(3)打开1、3号靶,靶1、3分别为Cr、Al靶,调节靶电流分别为6A、10A, Ar流量160 sccm,偏压400V,沉积40min;
(4)充入50 sccmN气体,Cr靶调整电流8A,偏压280V,沉积120min;
(5)关闭N气体,关闭1、3号靶,打开2、4号靶,靶材为Ti(Cr、W等金属)甲烷流量以10sccm/min的增长速率,增加到200sccm,偏压600V,沉积180分钟;
关闭系统,自然冷却至室温取出。
Claims (1)
1.一种在活塞表面制备复合薄膜技术,其特征在于具体步骤为:
1)超声波清洗线清洗和脱水、烘干活塞;
2) 抽至预定真空度,充入氩气,偏压600-1000V等离子处理时间5~10min;
3)打开溅射靶1、3,电流6-14A,偏压200-400V,磁控溅射沉积CrAl金属层;
4) 充入氮气,氮气和氩气流量比为15-40%,保持电流不变,偏压200-400V,磁控溅射沉积CrAlN金属层厚度1-3微米;
5)关闭上述溅射靶、打开金属靶2、4,靶电流控制在8~16A,甲烷流量以10sccm/min的增长速率,增加到200sccm,通过逐渐增加甲烷流量来控制成分变化,样品上施加600~1000V的负偏压,处理时间为90min,自然冷却,最后在碳素钢、不锈钢、硬质合金表面获得多层梯度类金刚石纳米复合涂层。
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