專利名稱：凸輪軸表面多層納米復合類金剛石薄膜的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種凸輪軸(材質:45#碳素鋼、球墨鑄鐵、80B和各類合金鋼)桃心及軸表面類金剛石潤滑薄膜的制備方法，具體是利用多靶磁控濺射設備在凸輪軸(材質:45#碳素鋼、球墨鑄鐵、80B和各類合金鋼)桃心及軸表面納米多層復合類金剛石薄膜。
背景技術：
凸輪軸的主體是一根與汽缸組長度相同的圓柱形棒體。上面套有若干個凸輪，用于驅動氣門，凸輪軸的常見故障包括異常磨損、異響以及斷裂，異響和斷裂發生之前往往先出現異常磨損的癥狀。如果機油泵因為使用時間過長等原因出現供油壓力不足，或潤滑油道堵塞造成潤滑油無法到達凸輪軸，或軸承蓋緊固螺栓擰緊力矩過大造成潤滑油無法進入凸輪軸間隙，均會造成凸輪軸的異常磨損。總的來看，凸輪軸的磨損是由于潤滑失效導致的。因此，解決凸輪軸的潤滑問題成為提升凸輪軸可靠性和長壽命的關鍵。類金剛石薄膜由于其該硬度、低摩擦系數(小于0.06)和磨損率、耐腐蝕等性能而備受關注，尤其在制造行業，如刀具、鉆頭、模具等方面得到越來越多的應用。如果能夠在凸輪軸桃心及軸表面成功制備具有高結合力、低摩擦系數的類金剛石薄膜，將會顯著降低啟動與運轉時潤滑油不足引起的摩擦磨損、減少功率消耗，并能改善磨合狀況，延長使用壽命。然而直接在凸輪軸表面制備類金剛石膜，由于熱匹配、結構匹配性差，會導致應力大，引起脫落和剝離
發明內容
本發明的目的在于提供一種凸輪軸表面多層納米復合類金剛石薄膜的制備方法。解決類金剛石薄膜在不同材質表面的附著力，是解決類金剛石薄膜在凸輪軸上應用的關鍵，進而將解決凸輪軸表面的摩擦磨損、提高發動機的效率、節省能量和降低排放量，提高發動機的可靠性和壽命。本發明利用高頻高功率脈沖磁控濺射技術，在凸輪軸表面沉積納米多層復合類金剛石薄膜。一種凸輪軸表面多層納米復合類金剛石薄膜的制備方法，其特征在于該方法依次具體步驟為:A將凸輪軸進行常規除油清洗，然后在丙酮和乙醇溶液中依次進行超聲清洗；B將凸輪軸樣品置于多靶濺射真空系統中并預抽真空至2X 10_3Pa ；C高功率脈沖或高頻脈沖磁控濺射粘接層，以金屬Ti靶為陰極，工作氣體為氬氣，沉積時間10 30min ；D反應磁控濺射承載層，以金屬靶為陰極，工作氣體為氬氣和甲烷或氬氣和乙烯，沉積時間30 60min ；E反應濺射沉積成分漸變復合類金剛石薄膜，工作氣體為氬氣和甲烷或氬氣和乙烯，沉積時間20 60min ；自然冷卻后得到多層類金剛石復合薄膜。復合類金剛石薄膜，依次由粘著層、過渡層、功能層三部分構成，底層為T1、Cr、Mo或其混合層構成、過渡層為T1、Cr、Mo的碳化物層或與Si的混合梯度層、表層為成分漸變類金剛石薄膜。
上述多層類金剛石復合薄膜，粘著層厚度為0.2 0.5 μ m、承載層厚度為I 3 μ m,表層厚度為I 3 μ m。本發明得到的多層類金剛石復合薄膜凸輪軸表面結合力高達60N(HF1)，在微震摩擦試驗機上、載荷200N，貧油潤滑條件下摩擦系數低于0.12，為沒有處理工件表面的1/3左右，大大降低了摩擦系數和磨損率。本發明的高硬度、低摩擦低磨損納米多層復合類金剛石薄膜改善凸輪軸在油潤滑不純分的情況下引起的摩擦磨損，降低干摩擦下磨損引起的動力不足，提高凸輪軸的實用壽命和可靠性。本發明具有以下優點:制備的凸輪軸表面多層納米復合類金剛石薄膜具有良好的膜基結合力，具有優異的抗磨與自潤滑性能，即使在短期過載以及發動機變工況導致潤滑不良條件下，也具有良好的抗磨與潤滑效果，能夠滿足現代發動機高速、高功效以及低排放的要求。凸輪軸表面處理方法屬于真空離子鍍膜范疇，具有節能環保，綠色高效的優點。所采用的真空鍍膜設備易于放大、利于工業化生產。該發明的推廣使用，可以擺脫依賴進口獲取高性能凸輪軸的影響。
具體實施例方式實施例145#碳素鋼凸輪軸表面多層納米復合類金剛石薄膜由涂層基體/Ti層/TiSi層/TiSiC層/類金剛石層，處理工藝按照以下步驟進行:1)將45#碳素鋼凸輪軸進行常規除油清洗，然后在三氯甲烷溶液中依次進行超聲清洗；(2)將45#碳素鋼凸輪軸置于多靶復合濺射沉積系統進行氬等離子體濺射清洗，氬氣氣壓2 5Pa，偏壓為1000 1600V，頻率60 200KHz, 15 20min ； (3)磁控濺射鍍Ti層，金屬Ti靶為陰極，處理時間15 30min，偏壓600 1200V,頻率60 160KHz ;靶電流12 20A,頻率60 160KHz ； (4)磁控濺射鍍TiSi層，保持上述條件不變，沉積時間10 20min ； (5)磁控濺射鍍TiSiC層(6)濺射沉積成分漸變含氫類金剛石薄膜，其他條件保持不變，氬氣和甲烷流量比到1/3V沉積時間20 60min，自然冷卻后得到多層納米復合類金剛石薄膜。實施例280B凸輪軸表面多層納米復合類金剛石薄膜由涂層基體/Cr層/TiCri層/TiCrC層/類金剛石層，處理工藝按照以下步驟進行:1)將80B凸輪軸進行常規除油清洗，然后在三氯甲烷溶液中依次進行超聲清洗；(2)將45#碳素鋼凸輪軸置于多靶復合濺射沉積系統進行氬等離子體濺射清洗，氬氣氣壓2 5Pa，偏壓為1000 1600V，頻率60 200KHz，15 20min ； (3)磁控派射鍍Ti層，金屬Ti祀為陰極，處理時間15 30min,偏壓600 1200V,頻率60 160KHz ;靶電流12 20A,頻率60 160KHz ； (4)磁控濺射鍍TiCr層，保持上述條件不變，沉積時間10 20min ； (5)磁控濺射鍍TiCrC層，(6)關閉磁控濺射靶，在保持氣氛的條件下調節氣壓到20-40Pa，偏壓800 1600V，頻率60 160KHz，沉積30分鐘后關閉系統，冷卻后得到多層納米復合類金剛石薄膜。
權利要求
1.一種凸輪軸表面多層納米復合類金剛石薄膜的制備方法，其特征在于該方法依次具體步驟為: A將凸輪軸進行常規除油清洗，然后在丙酮和乙醇溶液中依次進行超聲清洗； B將凸輪軸樣品置于多靶濺射真空系統中并預抽真空至2X KT3Pa ； C高功率脈沖或高頻脈沖磁控濺射粘接層，以金屬Ti靶為陰極，工作氣體為氬氣，沉積時間10 30min ； D反應磁控濺射承載層，以金屬靶為陰極，工作氣體為氬氣和甲烷或氬氣和乙烯，沉積時間30 60min ； E反應濺射沉積成分漸變復合類金剛石薄膜，工作氣體為氬氣和甲烷或氬氣和乙烯，沉積時間20 60min ； 自然冷卻后得到多層類金剛石復合薄膜。
全文摘要
本發明公開了一種凸輪軸表面多層納米復合類金剛石薄膜的制備方法。本發明利用高頻高功率脈沖磁控濺射技術，在凸輪軸表面沉積納米多層復合類金剛石薄膜。復合薄膜粘著層厚度為0.2～0.5μm、承載層厚度為1～3μm，表層厚度為1～3μm，復合薄膜凸輪軸表面結合力高達60N。
文檔編號C23C14/34GK103160780SQ20111042622
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者張俊彥, 張斌, 張克金, 強力, 魏曉川, 安宇鵬, 武斌 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所