[發明專利]一種用于軸瓦上的細Sn相AlSn20Cu涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201410766300.0
• 申請日: 2014-12-12
• 公開（公告）號: CN104532189A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 劉智勇;楊潤田;洪春福;王志鋒;任麗宏;唐緯虹;劉若濤
• 申請（專利權）人: 中國兵器科學研究院寧波分院
• 主分類號: C23C14/14
• 分類號: C23C14/14;C23C14/32;C23C14/35;B32B15/01
• 代理公司: 寧波誠源專利事務所有限公司 33102
• 代理人: 袁忠衛

技術領域

本發明涉及柴油機軸瓦的表面鍍膜技術領域，具體指一種用于軸瓦上的細Sn相AlSn20Cu涂層及其制備方法。

背景技術

軸瓦是柴油機系統的重要傳動零件之一，其性能與結構不僅影響柴油機的性能、工作可靠性和壽命，也對柴油機本身的結構設計具有重要影響。目前，軸瓦通常由鋼基復合耐磨合金雙金屬與減摩合金表面層復合組成。AlSn20Cu減摩合金是一種環境友好的軸瓦材料，它可以通過無污染的物理氣相沉積工藝(例如：磁控濺射)涂覆到鋼基銅鉛或鋼基鋁鋅等雙金屬軸瓦抗承載表面。涂覆層厚度僅20μm左右，且涂覆層組織結構致密、具有極高的耐磨性和抗疲勞強度，可使軸瓦抗承載能力可提高到100MPa以上，不但保留了AlSn20Cu良好的抗咬合性，而且壽命幾乎無限長，特別適用于功率密度和可靠性要求極高的高性能柴油機，是目前國際上最先進的軸瓦涂覆層。

然而，制備高質量的AlSn20Cu減摩合金卻往往比較困難，因為硬的高熔點金屬A1、Cu和軟的低熔點金屬Sn的相容性不好，而且密度相差很大，在形成合金時很難形成均勻分布的混合體。授權公告號為CN101922514B的中國發明專利《一種具有真空濺鍍鍍層的軸瓦及其生產方法》(申請號：201010243608.9)披露了一種AlSn20Cu減摩層，其是采用磁控真空濺射沉積的方法在軸瓦表面制備AlSn20Cu減摩層。根據Thornton磁控濺射沉積涂層組織結構理論，磁控濺射沉積溫度越高，所獲得的涂層組織才能越細化和致密化。但是，過高的磁控濺射沉積功率所產生的輻射高溫，會使低熔點金屬Sn相發生偏聚與長大現象，導致Sn相在AlSn20Cu減摩合金中分布不夠均勻、結合強度不高；通常磁控濺射沉積時需要降低磁控靶功率甚至采用專用的水冷夾具給軸瓦基體降溫，這樣就很難獲得高質量的AlSn20Cu涂層。因此，利用磁控濺射沉積技術制備高性能減摩合金材料時需嚴格控制沉積溫度，現有技術中，具有水冷裝置的軸瓦生產設備的沉積溫度上限是170℃，這在一定程度上制約了磁控濺射沉積技術在制造高性能減摩合金涂層方面的優勢。

目前，國內也有其它研究AlSn20Cu涂層的文獻，但均是局限于應用磁控濺射單一技術方面，所制備的AlSn20Cu涂層性能不高，形成實際產品和進行工程化應用仍然存在一定距離。因此，對于目前用于軸瓦上的AlSn20Cu涂層及其制備方法，有待于做進一步改進。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的現狀，提供一種能有效抑制Sn相組織長大、Sn相分布細密均勻且結合強度高的用于軸瓦上的細Sn相AlSn20Cu涂層。

本發明所要解決的另一個技術問題是針對現有技術的現狀，提供一種上述細Sn相AlSn20Cu涂層的制備方法，該方法突破了現有技術中沉積溫度不能高于170℃、涂覆時軸瓦夾具需要水冷的限制，且工藝穩定、運行成本低。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種用于軸瓦上的細Sn相AlSn20Cu涂層，其特征在于：包括磁控濺射沉積而成的AlSn20Cu層和電弧蒸發離子摻鍍Al的AlSn20Cu+Al混合層，所述的AlSn20Cu層與AlSn20Cu+Al混合層交替沉積，且每個AlSn20Cu層的厚度為1μm～3μm，每個AlSn20Cu+Al混合層的厚度為0.5μm～1μm。

一種上述細Sn相AlSn20Cu涂層的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)設備準備

真空室內具有用于放置軸瓦的工件轉架，真空室上工件轉架的一側設置有兩個相鄰布置的中頻磁控裝置，靠近工件轉架設置有兩個分別與各自中頻磁控裝置相連接的中頻磁控濺射源；真空室上工件轉架的另一側設置有兩個相鄰布置的電弧發生裝置，靠近工件轉架設置有兩個分別與電弧發生裝置相連接的電弧蒸發源；一Ar瓶通過導氣管與真空室相連通，且該導氣管上設置有能調節通氣量的閥門；

選用AlSn20Cu合金為中頻磁控濺射靶材，其中Al、Sn和Cu重量百分比分別為79％、20％和1％；分別選用純度不小于99.99％的Al、純度不小于99.99％的Ni作為電弧蒸發離子源靶材；

(2)軸瓦鍍膜前處理

將拋光、清洗后的軸瓦毛坯裝入真空室內，調節真空室內的真空度至4╳10^-3～7╳10^-3Pa，向真空室內充入Ar氣至1～4Pa，加偏壓800～1200V，對軸瓦毛坯表面進行Ar離子轟擊清洗，去除軸瓦毛坯表面殘留的吸附物及氧化物；

(3)軸瓦鍍膜