一種用于軸瓦上的細(xì)Sn相AlSn20Cu涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及柴油機軸瓦的表面鍍膜技術(shù)領(lǐng)域，具體指一種用于軸瓦上的細(xì)Sn相AlSn20Cu涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]軸瓦是柴油機系統(tǒng)的重要傳動零件之一，其性能與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要影響。目前，軸瓦通常由鋼基復(fù)合耐磨合金雙金屬與減摩合金表面層復(fù)合組成。AlSn20Cu減摩合金是一種環(huán)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20 μπι左右，且涂覆層組織結(jié)構(gòu)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10MPa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。
[0003]然而，制備高質(zhì)量的AlSn20Cu減摩合金卻往往比較困難，因為硬的高熔點金屬Al、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(quán)公告號為CN101922514B的中國發(fā)明專利《一種具有真空濺鍍鍍層的軸瓦及其生產(chǎn)方法》(申請?zhí)?201010243608.9)披露了一種AlSn20Cu減摩層，其是采用磁控真空派射沉積的方法在軸瓦表面制備AlSn20Cu減摩層。根據(jù)Thornton磁控派射沉積涂層組織結(jié)構(gòu)理論，磁控濺射沉積溫度越高，所獲得的涂層組織才能越細(xì)化和致密化。但是，過高的磁控濺射沉積功率所產(chǎn)生的輻射高溫，會使低熔點金屬Sn相發(fā)生偏聚與長大現(xiàn)象，導(dǎo)致Sn相在AlSn20Cu減摩合金中分布不夠均勻、結(jié)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(zhì)量的AlSn20Cu涂層。因此，利用磁控濺射沉積技術(shù)制備高性能減摩合金材料時需嚴(yán)格控制沉積溫度，現(xiàn)有技術(shù)中，具有水冷裝置的軸瓦生產(chǎn)設(shè)備的沉積溫度上限是170°C，這在一定程度上制約了磁控濺射沉積技術(shù)在制造高性能減摩合金涂層方面的優(yōu)勢。
[0004]目前，國內(nèi)也有其它研宄AlSn20Cu涂層的文獻，但均是局限于應(yīng)用磁控濺射單一技術(shù)方面，所制備的AlSn20Cu涂層性能不高，形成實際產(chǎn)品和進行工程化應(yīng)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(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種能有效抑制Sn相組織長大、Sn相分布細(xì)密均勻且結(jié)合強度高的用于軸瓦上的細(xì)Sn相AlSn20Cu涂層。
[0006]本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種上述細(xì)Sn相AlSn20Cu涂層的制備方法，該方法突破了現(xiàn)有技術(shù)中沉積溫度不能高于170°C、涂覆時軸瓦夾具需要水冷的限制，且工藝穩(wěn)定、運行成本低。
[0007]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種用于軸瓦上的細(xì)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(fā)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I μ m?3 μ m，每個AlSn20Cu+Al混合層的厚度為0.5 μ m?I μ m。
[0008]一種上述細(xì)Sn相AlSn20Cu涂層的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
[0009](I)設(shè)備準(zhǔn)備
[0010]真空室內(nèi)具有用于放置軸瓦的工件轉(zhuǎn)架，真空室上工件轉(zhuǎn)架的一側(cè)設(shè)置有兩個相鄰布置的中頻磁控裝置，靠近工件轉(zhuǎn)架設(shè)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(zhuǎn)架的另一側(cè)設(shè)置有兩個相鄰布置的電弧發(fā)生裝置，靠近工件轉(zhuǎn)架設(shè)置有兩個分別與電弧發(fā)生裝置相連接的電弧蒸發(fā)源；一 Ar瓶通過導(dǎo)氣管與真空室相連通，且該導(dǎo)氣管上設(shè)置有能調(diào)節(jié)通氣量的閥門；
[0011]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(fā)離子源靶材；
[0012](2)軸瓦鍍膜前處理
[0013]將拋光、清洗后的軸瓦毛坯裝入真空室內(nèi)，調(diào)節(jié)真空室內(nèi)的真空度至4XlO_3?7 X l(T3Pa，向真空室內(nèi)充入Ar氣至I?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；
[0014]⑶軸瓦鍍膜
[0015]減少真空室內(nèi)Ar氣至2X 10_2?4X 10_2Pa，加偏壓150?300V，設(shè)定工件轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)速為4?8轉(zhuǎn)/min，沉積偏壓為150?250V，沉積溫度為150?200°C，啟動Ni電弧蒸發(fā)源用于沉積Ni柵層，工作20?40min ；
[0016]向真空室內(nèi)加充Ar氣至2 X KT1?4 X KT1Pa,關(guān)閉Ni電弧蒸發(fā)源并啟動磁控濺射源，用于沉積AlSn20Cu層，一段時間后開啟Al電弧蒸發(fā)源，用于沉積AlSn20Cu+Al混合層；在整個沉積膜涂層的過程中，Al電弧蒸發(fā)源每工作5?lOmin，關(guān)閉20?50min，以此重復(fù)操作直至達到所需總的膜涂層厚度。
[0017]作為優(yōu)選，所述軸瓦毛坯表面共有8?12層鍍膜涂層，且該鍍膜涂層中AlSn20Cu層與AlSn20Cu+Al混合層交替沉積。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0019](l)AlSn20Cu層與AlSn20Cu+Al混合層交替分布，有效地抑制了 AlSn20Cu涂層中Sn相組織的長大，且涂層成分的多元化、結(jié)構(gòu)的多層化有效改善了涂層的應(yīng)力分布，所得涂層中Sn相分布更加細(xì)密均勻、顯微硬度更大，提高了 Sn相在涂層中的結(jié)合強度，大幅度增強了 AlSn20Cu涂層的抗疲勞性能；
[0020](2)突破了目前軸瓦減摩涂層制備時溫度不能高于170°C的限制，涂覆時軸瓦夾具無需設(shè)置水冷裝置，擴大了涂覆工藝參數(shù)的調(diào)整范圍，簡化了涂覆設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)；
[0021](3)本發(fā)明涂層的制備方法所用靶材廉價易得，工藝穩(wěn)定、運行成本低，對獲得更高品質(zhì)軸瓦減摩涂層具有較好的適用性。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實施例1、2、3中真空室的部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明實施例1、2、3中涂層制備方法的流程圖；
[0024]圖3為本發(fā)明實施例1中所得涂層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4為本發(fā)明實施例1中所得涂層膜球磨后的50倍放大圖；
[0026]圖5為本發(fā)明實施例1中所得涂層膜放大2000倍的掃描電鏡圖；
[0027]圖6為本發(fā)明實施例1中所得涂層膜的洛式壓坑圖。
【具體實施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。
[0029]實施例1:
[0030]如圖1?6所示，本實施例的用于軸瓦上的細(xì)Sn相AlSn20Cu涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0031](I)設(shè)備準(zhǔn)備
[0032]真空室100內(nèi)具有用于放置軸瓦的工件轉(zhuǎn)架3，真空室100上工件轉(zhuǎn)架3的一側(cè)設(shè)置有兩個相鄰布置的中頻磁控裝置2，靠近工件轉(zhuǎn)架3設(shè)置有兩個分別與各自中頻磁控裝置2相連接的中頻磁控濺射源21 ;真空室100上工件轉(zhuǎn)架3的另一側(cè)設(shè)置有兩個相鄰布置的電弧發(fā)生裝置I，靠近工件轉(zhuǎn)架3設(shè)置有兩個分別與電弧發(fā)生裝置I相連接的電弧蒸發(fā)源11 ;一 Ar瓶4通過導(dǎo)氣管與真空室100相連通，且該導(dǎo)氣管上設(shè)置有能調(diào)節(jié)通氣量的閥門41 ；
[0033]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(fā)離子源靶材；
[0034](2)軸瓦鍍膜前處理
[0035]選取鋼/CuPb22Sn4軸瓦毛坯，該鋼/CuPb22Sn4軸瓦毛坯是尺寸為C 83 X 29mm3、厚2.5mm的半園瓦，軸瓦毛還經(jīng)研磨拋光處理后，依次用丙酮、酒精超聲波清洗30min，烘干后裝入真空室內(nèi)，調(diào)節(jié)真空室內(nèi)的真空度至5 X 10_3Pa，加熱至150°C，設(shè)定工件轉(zhuǎn)架3的轉(zhuǎn)速為6轉(zhuǎn)/min ;向真空室內(nèi)充入Ar氣至3Pa，加偏壓1000V，對軸瓦毛還表面進行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；
[0036](3)軸瓦鍍膜
[0037]減少真空室內(nèi)Ar氣至3 X W2Pa,加偏壓200V，設(shè)定工件轉(zhuǎn)架3的轉(zhuǎn)速為6轉(zhuǎn)/min,沉積偏壓為200V，沉積溫度為150°C，啟動Ni電弧蒸發(fā)源用于沉積Ni柵層，工作30min ；
[0038]向真空室內(nèi)加充Ar氣至3 X KT1Pa,關(guān)閉Ni電弧蒸發(fā)源并啟動磁控濺射源，用于沉積AlSn20Cu層，一段時間后開啟Al電弧蒸發(fā)源，用于沉積AlSn20Cu+Al混合層；在整個沉積膜涂層的過程中，Al電弧蒸發(fā)源每工作6min，關(guān)閉30min，以此重復(fù)操作五個周期，停止鍍膜，待真空室100冷卻至室溫時，打開爐門，取出軸瓦毛坯。
[0039]本實施例中軸瓦毛坯200表面共有10層鍍膜，每個周期鍍膜涂層均包括磁控濺射沉積而成的AlSn20Cu層和電弧蒸發(fā)離子摻鍍Al的AlSn20Cu+Al混合層，AlSn20Cu層與AlSn20Cu+Al混合層交替沉積，如圖3所示，第一周期鍍膜層中AlSn20Cu層Ia的厚度為
2.2 μπι, AlSn20Cu+Al混合層Ib的厚度為0.8 μπι;第二周期鍍膜層中AlSn20Cu層2a的厚度為2.7 μ??，AlSn20Cu+Al混合層2b的厚度為0.8 ym ;第三周期鍍膜層中AlSn20Cu層3a厚度為2.8 μπι，AlSn20Cu+Al混合層3b的厚度為0.8 ym ;第四周期鍍膜層中AlSn20Cu層4a厚度為2.5 μπι，AlSn20Cu+Al混合層4b的厚度為0.8 μ m ;第五周期鍍膜層中AlSn20Cu層5a厚度為2.6 μπι，AlSn20Cu+Al混合層5b的厚度為0.8 μπι。
[0040]如圖5所示，鍍膜涂層呈多層結(jié)構(gòu)分布，Sn相(即圖中的白亮點)細(xì)密均勻且分布良好，鍍膜涂層的總厚度為16.8 μπι;如圖6所示，加載60K