[发明专利]合金工具钢柱塞表面批量化沉积类富勒烯碳薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生产方法，特别是涉及一种合金工具钢柱塞表面批量化沉积类富勒烯碳薄膜的方法。

背景技术

随着环境污染的加剧，矿物能源的消耗，迫使越来越多的国家开始重视提高燃油效率和降低排放量。从全球来看，CO₂排放量的25％左右来自于汽车尾气，因此，在发达国家，汽车决定着石油需求，也是氮化物、碳化物、硫化物等有害气体的重要的大气污染源。随着全球经济的不断发展，作为交通工具的汽车日益增多。日益增长的道路行驶车辆和节能减排工作矛盾加剧。因此，汽车行业在节能减排工作方面的责任重大，各国政府普遍把发展节能环保汽车看成实现其能源环境政策和汽车工业可持续发展的重要组成部分。

柱塞作为油泵的关键偶件，常见的问题就是磨损，进而导致配合表面沟痕深度大于配合间隙，引起漏油量大，供油量减少，油压不足，雾化不良，最终导致发动机运转不平衡，气缸与活塞磨损增加，油泵零件磨损增加，油耗增加，排气冒烟。要想使机动车节省能量、减少排放量，就必须消除柱塞偶见的磨损，缩小配合间隙。

减小摩擦、降低磨损从而延长运动部件的工作寿命并提高其运行的可靠性的关键在于作用于摩擦副表面的润滑材料。因而，摩擦磨损以及润滑是所有运动部件节能降耗、延长工作寿命和提高可靠性的共性问题。相对于常用固体润滑薄膜材料如MoS₂，Au/Ag，石墨，氮化物、碳化物等，类金刚石碳膜由于具有较高硬度、超平整表面(粗造度可以达到<)、良好的化学稳定性、生物相容性及独特的光学性能，尤其是良好的机械和润滑性能，引起科技工作者和工程师们的广泛关注。

从汽车行业使用电镀技术以来，固体润滑薄膜经历了三代技术的发展，即电镀六价铬镀层，氮化物涂层，类金刚石薄膜(始于2007年)。早在上个世纪，类金刚石薄膜作为固体自润滑薄膜就被认为在汽车节能减排方面存在潜力，美国在上世纪90年代成立了专门的部门来领导类金刚石薄膜在汽车发动机方面的研究，减少和降低发动机和传动装置的摩擦磨损据估计每年可以为美国节省120亿美元。2007年，Nissan公司宣布发动机摩擦运动部件表面应用类金刚石碳薄膜后，降低发动机摩擦系数40％，节约2％的燃油(日产汽车和其合作伙伴Riken、Hitachi和NipponITF四家公司共同开发完成了无氢类金刚石薄膜的开发和在气门挺杆上的应用，提高了燃料的使用效率)。随后，北美、欧洲、亚洲的新加坡、韩国等国家相继报道了在这方面的应用。

目前国Ⅲ及以下标准都使用裸件，欧Ⅲ以上都使用表面氮化钛(TiN)处理的柱塞，即在柱塞表面先用金属Ti(或Cr)打底，然后通入N₂，通过反应磁控溅射在表面形成Ti。然而，在内燃机启停中，同时伴随着贫油润滑等复杂过程。传统氮化钛、聚四氟乙烯和二硫化钼等固体润滑材料，存在着耐磨性差、摩擦系数高和环境适应性差的缺陷，已不能完全满足其苛刻的耐磨、润滑和承载要求。例如，过渡金属硫化物在真空中具有很好的润滑性能，然而在潮湿环境下由于氧化反应的发生导致其摩擦系数升高。相反石墨在潮湿的气氛下由于层间吸附了水气而降低了层间剪切力，显示出较低的摩擦系数，但真空中其摩擦系数较高。

类富勒烯碳(Fullerene-Like Carbon，FLC)薄膜由于其具有五元、七元环导致平面六元环结构弯曲，弯曲结构有利于吸收应变能量，降低了薄膜内应力，因而具有极高的硬度、极好的化学惰性、极低的摩擦系数、优良的抗磨性和良好的热传导性等优异特性，因此在机械、摩擦学、航空航天等领域具有广泛的应用前景。

和TiN相比较，类富勒烯碳薄膜的摩擦系数约降低1/6。也就是说如果使用类富勒烯碳薄膜处理的柱塞，摩擦损耗将降低1/6，同时会降低对偶件的磨损。目前类富勒烯碳薄膜在金属基底上的沉积往往需要先镀上一层过渡层，这是为了提高薄膜与基底的结合力。但是在过渡层的镀制过程中存在着工艺复杂、成本高昂以及镀膜周期长等缺点，限制了其大规模的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种合金工具钢柱塞表面批量化沉积类富勒烯碳薄膜的方法，其能利用类富勒烯碳薄膜的高硬度、高弹性、低摩擦、耐腐蚀等性能，提高发动机运动偶件的使用寿命，降低摩擦损耗，进而提高发动机的可靠性、降低维修费用，最终达到降噪、节能和减排的目的。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种合金工具钢柱塞表面批量化沉积类富勒烯碳薄膜的方法，其特征在于，所述方法采用磁控溅射沉积多层多组分类富勒烯碳薄膜且包括以下步骤：

步骤一、清洗：除油→漂洗→除锈→漂洗→中和→漂洗→脱水；