[發(fā)明專利]一種制備類金剛石膜球墨鑄鐵活塞環(huán)的工藝

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• 申請日: 2013-12-25
• 公開（公告）號: CN103695843A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳遠達;王勝云;何靜
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南中航超強金剛石膜高科技有限公司
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/02;C23C14/32
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無機非金屬材料在高速往復(fù)運動的汽車發(fā)動機球墨鑄鐵活塞環(huán)的應(yīng)用，同時也可以應(yīng)用于其他材質(zhì)的汽車發(fā)動機活塞環(huán)沉積類金剛石膜（DLC）的涂層工藝方法，尤其一種高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設(shè)備以及利用該設(shè)備制備類金剛石膜球墨鑄鐵活塞環(huán)的工藝。

背景技術(shù)

汽車尾氣污染是我國大氣污染的重要來源。隨著我國對汽車發(fā)動機采取更為嚴格的排放標準，如何改進發(fā)動機的燃燒效率、減少尾氣排放、提高活塞環(huán)的技術(shù)性能指標，使之滿足國家發(fā)動機強制排放標準要求，是活塞環(huán)生產(chǎn)企業(yè)面臨的技術(shù)難題。類金剛石涂層兼具了金剛石和石墨的特性，由于含有金剛石成分，涂層硬度高，具有更高的耐磨損性能，同時由于含有石墨成分，其摩擦系數(shù)極低（0.2以下），因此是適宜提升活塞環(huán)性能的理想工藝。

本發(fā)明之前也有涉及汽車活塞環(huán)表面涂層的工藝技術(shù)，這些方法存在著如下問題：1、之前的方法不能在球墨鑄鐵表面上生長致密的膜層。因為球墨鑄鐵表面金相組織結(jié)構(gòu)疏松，存在很多不規(guī)則的空隙，使用傳統(tǒng)的涂層工藝方法無法覆蓋，更無法生長致密的類金剛石膜層；2、之前的方法操作實施復(fù)雜，有的要鍍五層疊加膜，費時費力，效率低下，生產(chǎn)成本高，不具備實際使用價值；3、之前的方法所述在鍍疊加膜或者層疊復(fù)合膜的第一層都是電鍍鉻（Cr）電鍍鉻是高污染的淘汰工藝方法是環(huán)保管理不能允許的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下方案：

在試驗球墨鑄鐵涂活塞環(huán)涂層類金剛石膜過程中，我們先后使用過多種方法。其中包括磁控濺射法。使用這種方法我們在球墨鑄鐵活塞環(huán)外圓沉積了致密的類金剛石膜。但是，由于球墨鑄鐵活塞環(huán)和氣缸是高速往復(fù)運動的運動付，必須有極低摩擦系數(shù)和極高的耐摩擦性能，因此，涂層的附著力成為至關(guān)重要的問題。

為了得到很高的涂層附著力，我們研制了“高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設(shè)備”并發(fā)明新的工藝方法。

高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設(shè)備，是本發(fā)明人研制的新原理涂層設(shè)備。它包括涂層室、行星旋轉(zhuǎn)工件架、磁過濾弧源、分子泵、真空系統(tǒng)，所述涂層室為立式圓柱形，整體雙層水冷式結(jié)構(gòu)，所述涂層室前部設(shè)有進料門，所述涂層室的頂部設(shè)有管狀加熱器、熱電偶接口，所述涂層室的底部設(shè)有進氣口和行星旋轉(zhuǎn)工件架，所述行星旋轉(zhuǎn)工件架底部連接有驅(qū)動系統(tǒng)，所述涂層室的側(cè)壁安裝有磁過濾弧源，所述涂層室的后部安裝有分子泵和真空系統(tǒng)。?

所述磁過濾弧源由引弧電極、陰極支架、靶材、推弧電磁線圈、聚焦電磁線圈、彎頭組成，所述靶材安裝在陰極支架上，所述引弧電極和所述陰極支架外接引弧電源，所述推弧電磁線圈和所述聚焦電磁線圈安裝在所述引弧電極和陰極支架產(chǎn)生電弧處的外圍。

進一步的，所述彎頭為錐度2°彎曲弧度為100°的錐度彎頭，所述錐度彎頭的外表面安裝有多個彎曲弧電磁線圈，在錐度彎頭內(nèi)形成強度為0～20?mT的彎曲磁場。

該設(shè)備充分利用弧源中的觸發(fā)電極和石墨陰極之間產(chǎn)生真空電弧放電，激發(fā)高離化率的碳等離子體，采用磁過濾線圈過濾掉弧源產(chǎn)生的大顆粒和中性原子，可使到達襯底的幾乎全部是碳離子，可以用較高的沉積速率制備出無氫膜，采用此技術(shù)可以獲得sp3鍵含量高達70%、硬度高達～4500HV0.025的無氫碳膜，其性質(zhì)與多晶金剛石膜（CVD）相近。

本發(fā)明利用自制的“高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設(shè)備”，采取如下工藝方法規(guī)模化生產(chǎn)類金剛石膜涂層球墨鑄鐵活塞環(huán)：

第一步：清洗干燥：將工件送入高壓噴淋清洗機進行除油、清洗、烘干，溫度控制在60-80℃；

第二步：工件預(yù)處理噴砂：用金剛石W10微粉噴射活塞環(huán)外圓，刻蝕工件表面，使涂層類金剛石膜形成框架基礎(chǔ)；

第三步：工件預(yù)處理拋研：用金剛石W5微粉拋研活塞環(huán)外圓，進一步刻蝕工件表面；

第四步：將工件放入超聲波清洗機中，使用帕卡瀨津脫脂劑FC-4360進行脫脂清洗干燥；

第五步：將工件放入另一超聲波清洗機中，使用丙酮+無水乙醇，按照重量比3:7配比，再次進行脫脂、去污、清洗、干燥；

第六步：將再次清洗干燥后的工件裝入高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設(shè)備中；

第七步：通入Ar至0.5-1.5Pa，對工件加偏壓600-800V；

第八步：通入N和C、H至1-2Pa,對工件涂層面形核，即：為涂層致密的打底層和工作層編織構(gòu)架；

第九步：通入N和O2，開啟弧靶陰極采用99.9%金屬Cr靶，沉積氮氧化鉻過渡層（打底層）NCr,厚度20-30μm；