一種制備類金剛石膜球墨鑄鐵活塞環(huán)的工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種一種制備類金剛石膜球墨鑄鐵活塞環(huán)的工藝，其特征在于步驟如下：清洗干燥、工件拋研、預(yù)處理、再次清洗干燥、涂層面形核、沉積打底層、沉積DLC工作涂層，采用本發(fā)明工藝涂層的類金剛石膜涂層摩擦系數(shù)小，附著力強(qiáng)，其摩擦系數(shù)極低（0.2以下），因此是改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)，使之滿足國家發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)制排放標(biāo)準(zhǔn)要求的理想工藝。
【專利說明】一種制備類金剛石膜球墨鑄鐵活塞環(huán)的工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無機(jī)非金屬材料在高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)球墨鑄鐵活塞環(huán)的應(yīng)用，同時(shí)也可以應(yīng)用于其他材質(zhì)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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)】
[0002]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(dòng)機(jī)采取更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，如何改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)，使之滿足國家發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)制排放標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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。
[0003]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?yàn)榍蚰T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(shí)施復(fù)雜，有的要鍍五層疊加膜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下，生產(chǎn)成本高，不具備實(shí)際使用價(jià)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】

[0004]本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下方案:` 在試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)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。
[0005]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。
[0006]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(jìn)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(jìn)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(dòng)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)。
[0007]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。[0008]進(jìn)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(gè)彎曲弧電磁線圈，在錐度彎頭內(nèi)形成強(qiáng)度為O~20 mT的彎曲磁場。
[0009]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(dá)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(dá)70%、硬度高達(dá)~4500HV0.025的無氫碳膜，其性質(zhì)與多晶金剛石膜(CVD)相近。
[0010]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(jī)進(jìn)行除油、清洗、烘干，溫度控制在60-80 0C ；
第二步:工件預(yù)處理噴砂:用金剛石WlO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(jìn)一步刻蝕工件表面； 第四步:將工件放入超聲波清洗機(jī)中，使用帕卡瀨津脫脂劑FC-4360進(jìn)行脫脂清洗干
燥；
第五步:將工件放入另一超聲波清洗機(jī)中，使用丙酮+無水乙醇，按照重量比3:7配比，再次進(jìn)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l-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02，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 20-30μπι;
第十步:通入N和H、CH4，開啟磁過濾弧源，陰極采用99.9%石墨靶，沉積DLC涂層，厚度 10-15 μ m。
[0011]本發(fā)明的積極效果是:1、本發(fā)明采用兩步物理方式預(yù)處理工件，用物理方法刻蝕工件表面為形成高附著力打好基礎(chǔ):A、將筒裝工件置于噴砂機(jī)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，用金剛石WlO微粉噴射活塞環(huán)外園，刻蝕工件表面，使涂層類金剛石膜工件表面初步形成框架基礎(chǔ)(別的發(fā)明只有很簡單的“普通方法清洗” “丙酮清洗”)；B、物理方式預(yù)處理:將筒裝工件置于拋研機(jī)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，用金剛石W5微粉研磨活塞環(huán)外園，進(jìn)一步刻蝕工件表面，使涂層類金剛石膜形成密集的框架基礎(chǔ)。
[0012]2、本發(fā)明采用離子轟擊刻蝕技術(shù):通入Ar至約IPa，對工件加負(fù)偏壓，將Ar電離并對工件產(chǎn)生離子轟擊作用，去除工件表面微觀雜質(zhì)及刻蝕活化表面的作用，有利于提高沉積結(jié)合力。
[0013]3、本發(fā)明工件裝入設(shè)備框室后，所有操作是連續(xù)的。不像現(xiàn)有技術(shù)，每鍍一層就必須停止關(guān)機(jī)，然后再鍍第二層。
[0014]4、采用本發(fā)明工藝形成的類金剛石膜涂層摩擦系數(shù)可達(dá)到0.13，涂層表面形貌及成分質(zhì)量優(yōu)良，涂層附著力可達(dá)到37N，涂層厚度可達(dá)到10-15 μ m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的鍍膜裝置和工藝。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設(shè)備的俯視圖。
[0016]圖2為高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設(shè)備的左視圖。
[0017]圖3為磁過濾弧源的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4為球墨鑄鐵活塞環(huán)類金剛石膜涂層生產(chǎn)工藝流程圖。
[0019]附圖中:I一磁過濾弧源，2—涂層室，3—真空系統(tǒng)，4一機(jī)架，5—分子泵，6—行星旋轉(zhuǎn)工件架，7—進(jìn)料門，8—熱電偶接口，9一管狀加熱器，10—驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，11一進(jìn)氣口，12—陰極支架，13—引弧電極，14 一推弧電磁線圈，15—靶材，16—彎頭，17—彎曲弧電磁線圈，18—聚焦電磁線圈。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為進(jìn)一步描述本發(fā)明，以下以具體的實(shí)施例來說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅限于此。
[0021]如圖1、圖2所示，一種高附著力高硬度低摩擦系數(shù)類金剛石膜的涂層設(shè)備，包括涂層室2、行星旋轉(zhuǎn)工件架6、磁過濾弧源1、分子泵5、機(jī)架4。
[0022]涂層室2固定安裝在機(jī)架4上，涂層室2采用立式圓柱形結(jié)構(gòu)Φ900 X 900mm，不銹鋼材質(zhì)，整體雙層水冷式結(jié)構(gòu)`，前開門結(jié)構(gòu)，便于更換樣品、靶材15及日常維護(hù)。真空室整體焊接后進(jìn)行熱處理消除焊接應(yīng)力防止焊后變形。涂層室2前部開有進(jìn)料門7和觀察窗，涂層室2的頂部設(shè)有管狀加熱器9、熱電偶接口 8、充氣閥及預(yù)留CF35法蘭接口。所述涂層室2的后部安裝有分子泵5和真空系統(tǒng)3。
[0023]涂層室2的底部設(shè)有進(jìn)氣口 11和行星旋轉(zhuǎn)工件架6，所述行星旋轉(zhuǎn)工件架6底部連接有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)10，所述行星旋轉(zhuǎn)工件架6是由直流電機(jī)將旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞給行星齒輪機(jī)構(gòu)(行星齒輪機(jī)構(gòu)由太陽齒輪、行星齒輪和內(nèi)齒輪組成)，驅(qū)動(dòng)與行星齒輪連接的工件掛架作自轉(zhuǎn)，同時(shí)又驅(qū)動(dòng)與內(nèi)齒輪連接的大圓盤作公轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)工件在沉積過程中“自轉(zhuǎn)”和“公轉(zhuǎn)”保證工件全方位，均勻的沉積DLC膜層。行星旋轉(zhuǎn)工件架6是專為大批量、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)的，工位多，基片裝載范圍大，旋轉(zhuǎn)速度為O~20RPM可調(diào)，裝載量:以Φ 130件計(jì)算，可裝2000件/爐。
[0024]涂層室2的側(cè)壁安裝有多個(gè)磁過濾弧源1，如圖3所示，所述磁過濾弧源I由引弧電極13、陰極支架12、靶材15、推弧電磁線圈14、聚焦電磁線圈18、彎頭16組成。所述靶材15安裝在陰極支架12上，所述引弧電極13和所述陰極支架12外接引弧電源，該引弧電源具有能夠識別電弧的燃燒或熄滅狀態(tài)環(huán)節(jié)，根據(jù)需要而發(fā)出引弧脈沖，進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)的自動(dòng)引弧和熄弧后自動(dòng)再引弧。所述推弧電磁線圈14和所述聚焦電磁線圈18安裝在所述引弧電極13和陰極支架12產(chǎn)生電弧處的外圍。推弧電磁線圈14可以使電弧引燃后迅速過渡到陰極的表面，也可以防止電弧引燃后向水冷陰極支架12根部燃燒。聚焦電磁線圈18產(chǎn)生的推動(dòng)力將電弧推向前方，適當(dāng)調(diào)節(jié)推弧電磁線圈14和聚焦電磁線圈18的線圈電流，還可以控制陰極斑點(diǎn)在陰極表面運(yùn)動(dòng)的范圍，使陰極進(jìn)行均勻刻蝕，得到一個(gè)穩(wěn)定燃燒的冷等離子體電弧。兩線圈均可產(chǎn)生O~40 mT的電磁場。
[0025]如圖3所示，所述彎頭16為錐度2°彎曲弧度為100°的錐度彎頭16，所述錐度彎頭16，所述錐度彎頭16的外表面安裝有多個(gè)彎曲弧電磁線圈17，在錐度彎頭16內(nèi)形成強(qiáng)度為O~20 mT的彎曲磁場，起到彎曲電弧過濾中性粒子等宏觀粒子團(tuán)的作用。
[0026]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)(如圖4所示)。
[0027]實(shí)施例1:以卡車Φ 130球墨鑄鐵活塞環(huán)沉積DLC涂層為例:
球墨鑄鐵油環(huán)(以下簡稱“工件”)，外園直徑Φ 130，厚度3.5mm,數(shù)量:2000件。
[0028]第一步:將工件清洗干燥:將待清洗的工件放于輸送帶送入高壓噴淋清洗機(jī)，設(shè)定工作程序，除油30min ;清洗30min ;烘干溫度70°C,時(shí)間lOmin、然后由輸送帶自動(dòng)送出。
[0029]噴淋清洗機(jī)使用的清洗液:金屬洗滌劑+除油劑按1:1配比；
工件安裝入以內(nèi)孔定芯的專用夾具，一筒可以裝Φ 130活塞環(huán)200件；
第二步:物理方式預(yù)處理:將筒裝工件置于噴砂機(jī)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，用金剛石WlO微粉噴射活塞環(huán)外園，刻蝕工件表面，使涂層類金剛石膜形成框架基礎(chǔ)；
第三步:物理方式預(yù)處理:將筒裝工件置于拋研機(jī)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，用金剛石W5微粉研磨活塞環(huán)外園，進(jìn)一步刻蝕工件表面；
第四步:工件預(yù)處理脫脂，將工件置于超聲波清洗機(jī)中使用帕卡瀨津脫脂劑FC-4360進(jìn)行脫脂清洗；
第五步:使用超聲波清洗機(jī)再次清洗干燥，清洗液為:丙酮+無水乙醇(3:7配比)；第五步: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”框室掛架(10串2000件)；
第六步:抽真空至熱偶計(jì)示數(shù)為5-6Pa, 30-40min通入Ar至0.5-1.5Pa,對工件加負(fù)偏壓 600-800V ；
第七步:通入N和C、H至l-2Pa，對工件涂層面形核40min，即:為涂層致密的打底層和工作層編織構(gòu)架；
第八步:通入N和02，開啟2個(gè)弧靶，陰極采用99.9%金屬Cr靶材，沉積氮氧化鉻過渡層(打底層)N02Cr,操作時(shí)間3-4小時(shí)，達(dá)到N02Cr厚度20-30 μ m ；
第九步:通入N和H、CH4，開啟8個(gè)磁過濾弧源，陰極采用99.9%石墨靶材，沉積DLC涂層，時(shí)間5-6小時(shí)，達(dá)到DLC涂層厚度10-15 μ m。
[0030]實(shí)施例2:以卡車Φ 123球墨鑄鐵活塞環(huán)沉積DLC涂層為例:
球墨鑄鐵油環(huán)(以下簡稱“工件”)，外園直徑Φ 123，
厚度2.8mm，數(shù)量:2500件。
[0031]第一步:將工件清洗干燥:將待清洗的工件放于輸送帶送入高壓噴淋清洗機(jī)，設(shè)定工作程序，除油30min ;清洗30min ;烘干溫度70°C,時(shí)間lOmin、然后由輸送帶自動(dòng)送出。
[0032]噴淋清洗機(jī)使用的清洗液:金屬洗滌劑+除油劑按1:1配比
工件安裝入以內(nèi)孔定芯的專用夾具，一筒可以裝Φ 123活塞環(huán)250件；
第二步:物理方式預(yù)處理:將筒裝工件置于噴砂機(jī)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，用金剛石WlO微粉噴射活塞環(huán)外園，刻蝕工件表面，使涂層類金剛石膜形成框架基礎(chǔ)；
第三步:物理方式預(yù)處理:將筒裝工件置于拋研機(jī)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，用金剛石W5微粉研磨活塞環(huán)外園，進(jìn)一步刻蝕工件表面；
第四步:工件預(yù)處理脫脂，將工件置于超聲波清洗機(jī)中使用帕卡瀨津脫脂劑FC-4360進(jìn)行脫脂清洗；
第五步:使用超聲波清洗機(jī)再次清洗干燥，清洗液為:丙酮+無水乙醇(3:7配比)；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”框室掛架(10串2500件)；
第七步:抽真空至熱偶計(jì)示數(shù)為5-6Pa, 30-40min通入Ar至0.5-1.5Pa,對工件加負(fù)偏壓 600-800V ；
第八步:通入N和C、H至l-2Pa，對工件涂層面形核40min，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02，開啟2個(gè)弧靶，陰極采用99.9%金屬Cr靶材，沉積氮氧化鉻過渡層(打底層)N02Cr,操作時(shí)間3-4小時(shí)，達(dá)到N02Cr厚度20-30 μ m ；
第十步:通入N和H、CH4，開啟8個(gè)磁過濾弧源，陰極采用99.9%石墨靶材，沉積DLC涂層，時(shí)間5-6小時(shí)，達(dá)到DLC涂層厚度10-15 μ m。
[0033]對采用本發(fā)明工藝制作的球墨鑄鐵活塞環(huán)類金剛石膜涂層(DLC)與鍍鉻、CrN涂層進(jìn)行對比檢測，其結(jié)果如下表所示:
表一、球墨鑄鐵活塞環(huán)類金剛石膜與其他涂層比對產(chǎn)品性能指標(biāo)
【權(quán)利要求】
1.一種制備類金剛石膜球墨鑄鐵活塞環(huán)的工藝，其特征在于步驟如下: 第一步:清洗干燥:將工件送入高壓噴淋清洗機(jī)進(jìn)行除油、清洗、烘干，溫度控制在60-80 0C ； 第二步:工件預(yù)處理噴砂:用金剛石WlO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(jìn)一步刻蝕工件表面； 第四步:將工件放入超聲波清洗機(jī)中，使用帕卡瀨津脫脂劑FC-4360進(jìn)行脫脂清洗干燥； 第五步:將工件放入另一超聲波清洗機(jī)中，使用丙酮+無水乙醇，按照重量比3:7配比，再次進(jìn)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l-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02，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 20-30 μ m ； 第十步:通入N和H、CH4，開啟磁過濾弧源，陰極采用99.9%石墨靶，沉積DLC涂層，厚度 10-15 μ m。
【文檔編號】C23C14/02GK103695843SQ201310725829
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】陳遠(yuǎn)達(dá), 王勝云, 何靜 申請人:湖南中航超強(qiáng)金剛石膜高科技有限公司