[發明專利]在汽車發動機氣門挺柱表面制備類金剛石涂層的方法

無效

• 申請號: 201110428096.8
• 申請日: 2011-12-16
• 公開（公告）號: CN103160782A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 張俊彥;張斌;張克金;強力;魏曉川;安宇鵬;武斌
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘭州化學物理研究所
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/00;C23C14/35
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司 62002
• 代理人: 方曉佳

技術領域

本發明屬于汽車配件表面處理和真空處理領域。本發明涉及一種在汽車發動機氣門挺柱表面制備類金剛石涂層的方法，具體是利用中高頻雙極脈沖磁控濺射和反應濺射復合的方法，在氣門頂柱表面制備具有高結合力、減磨抗磨功能的類金剛石涂層。

背景技術

自2009哥本哈根峰會召開以來，“節能環保”已經成為全球最受關注的話題之一。汽車是能源消耗和污染物排放的‘大戶’，也是節能減排工作的重點，所以汽車行業推進節能減排工作的意義尤為重大。發動機節能減排的關鍵性問題之一是潤滑問題，而液體潤滑難以滿足目前發動機關鍵部位的低摩擦、長壽命、高承載、可靠性的要求。

類金剛石涂層具有高硬度、低摩擦、良好的耐腐蝕性能等優點，被認為是目前最優秀的固體潤滑涂層之一。現有的汽車配件大部分都是用TiN涂層技術，類金剛石涂層如果能替代TiN，有望使摩擦系數降低1/6。

氣門挺柱是汽車發動機進氣系統的關鍵部件，在發動機運行過程中直接同凸輪軸接觸，通過油滴潤滑來減少阻力。油泵壓力不足或堵塞時會造成油潤滑是小引發粘著磨損，磨損嚴重會影響發動機的正常運轉，導致燃燒不純分和啟動困難。由于凸輪軸/挺柱系統是發動機內部消耗功率最多的組件，因此降低氣門挺柱表面的摩擦磨損，提高挺柱的可靠性是關系到降低發動機摩擦損耗、提高發動機燃油經濟型是提高發動機性能的關鍵因素。

類金剛石涂層具有具有良好的自潤滑性能，如果能將類金剛石涂層應用到挺柱表面，對應對因油滴潤滑不良早成的粘著磨損、點蝕磨損等問題，太高發動機工作效率，減少發動機使用故障等由重要意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種在汽車發動機氣門挺柱表面制備類金剛石涂層的方法。

本發明利用高功率脈沖磁控濺射技術在氣門挺柱表面制備結合強度高的類金剛石涂層。

一種在汽車發動機氣門挺柱表面制備類金剛石涂層的方法，其特征在于該方法步驟為：

A將汽車發動機氣門挺柱進行常規除油清洗，然后在丙酮和乙醇溶液中依次進行超聲清洗；

B將氣門挺柱置于多靶復合濺射沉積系統中并預抽真空至2×10^-3Pa；

C高頻率脈沖磁控濺射粘著層，以Ti、Si靶為陰極，工作氣體為氬氣，沉積時間10～30min；

D反應磁控濺射緩沖層，以Ti、Si靶為陰極，工作氣體為氬氣和甲烷或氬氣和乙烯或氬氣和氮氣，沉積時間30～60min；

E反應濺射沉積成分漸變復合類金剛石涂層，工作氣體為氬氣和甲烷或氬氣和乙烯，沉積時間600～120min；自然冷卻后得到多層類金剛石復合涂層。

本發明方法制備的涂層結合力≥80N，摩擦系數低至0.04N。

本發明采用的磁控濺射工藝成熟、設備簡單、沉積溫度低、成膜均勻、重復性好的優點，結合高功率脈沖高離化率、高能密度的優點，在碳素鋼、不銹鋼表面、硬質合金等表面通過梯度技術和復合技術獲得結合力高，摩擦學性能和電化學性能優良的類金剛石薄膜，為類金剛石薄膜在極壓、腐蝕環境下的應用提供了可能。

在氣門挺柱表面制備的類金剛石薄膜依次由基體/粘著層/梯度層/功能層組成。基體是氣門挺柱表面等需要類金剛石薄膜處理的表面；粘著層由Cr、Ti、Si等單一或多組分組成；梯度層從下到上由金屬層想碳化物層過渡/金屬層想氮化物層過渡；功能層即類金剛石薄膜。上述多層類金剛石復合涂層，粘著層厚度為0.2～1μm、梯度層厚度為1～3μm，表層厚度為1～5μm。

本發明屬于真空表面處理范疇，沒有廢水廢氣等污染物，屬于環境友好綠色環保鍍膜。

具體實施方式

實施例1

取氣門挺柱，氣門挺柱表面高結合力合類金剛石薄膜由基體/TiSi層/梯度TiC層/類金剛石層，處理工藝按照以下步驟進行：(1)將氣門挺柱進行常規除油清洗，然后在三氯甲烷溶液中依次進行超聲清洗；(2)將氣門挺柱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60～150KHz，15～20min；(3)磁控濺射鍍TiSi層，以Ti、Si靶為陰極，處理時間15～30min，偏壓800～1600V，頻率60～150KHz；靶電流8～20A，頻率60～150KHz；(4)磁控濺射鍍TiSiC層，逐漸增加甲烷到預定值，30～60min；(5)濺射沉積成分漸變含氫類金剛石薄膜，其他條件保持不變，降低氬氣和甲烷流量比到2/3V沉積時間20～120min，自然冷卻后得到多層納米復合類金剛石涂層。

實施例2

取氣門挺柱，氣門挺柱表面類金剛石薄膜由涂層基體/TiSi層/梯度TiSiN層/類金剛石層，處理工藝按照以下步驟進行：(1)將氣門挺柱進行常規除油清洗，然后在三氯甲烷溶液中依次進行超聲清洗；(2)將氣門挺柱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TiSi層，以Ti、Si靶為陰極，處理時間15～30min，偏壓600～1200V，頻率60～200KHz；靶偏壓800～2000V，頻率60～150KHz；(4)磁控濺射鍍TiSiN層，逐漸增加甲烷到預定值，沉積時間10～40min；(5)關閉氮氣，調整氬氣和甲烷流量比到1/5V沉積TiSi摻雜類金剛石涂層，時間20～120min，自然冷卻后得到多層納米復合類金剛石涂層。