[发明专利]一种多层复合类富勒烯薄膜在汽车发动机上产业化的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面处理产业化生产方法，特别是涉及一种具有高硬度、低摩擦、低磨损和高结合力的多层复合类富勒烯碳薄膜在汽车发动机上产业化的方法。

背景技术

随着对汽车节能减排、环保方面严苛要求以及不断提升的高精度、高可靠性和长寿命方面的高标准要求，新一代节能、降耗、低碳型的发动机对新型强化与润滑一体化表面防护技术提出了迫切需求。如发动机是由高压共轨燃油喷射系统、气门挺柱、挺杆、活塞环、活塞销、凸轮轴等不同形状尺寸的部件组成的复杂系统，这些部件是由铸铁、碳钢、合金钢等不同金属基材组成，具有不同的物理和机械性能，这些发动机关键零部件常见的问题就是摩擦磨损，进而导致发动机运转不平衡，油耗增加，排气冒烟。因此，要想使机动车节省能量、减少排放量，就必须降低摩擦磨损，缩小配合间隙。而减小摩擦、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主要途径之一在于作用于摩擦副表面的润滑材料。其中，固体润滑涂层如氮化物、碳化物等涂层因具有高硬度与耐磨损等特性优势，被广泛应用于汽车发动机零部件表面。但是，氮化物、碳化物等涂层存在摩擦系数高、内应力大、寿命短等缺点，因此，需要寻找一种具备低摩擦、低磨损、高硬度、低内应力固体润滑涂层来应对发动机高速，高载、贫油等苛刻工况条件。

类富勒烯(Fullerene-LikeCarbon，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。

目前，困扰类富勒烯薄膜产业化的主要瓶颈是：①类富勒烯薄膜与不锈钢、轴承钢、模具钢、碳素钢和铸铁等工件基底表面的结合力较差，在磨损或腐蚀工况下极易脱落和失效；②发动机共轨系统和配气系统的部分组件形状复杂，如气门挺柱、挺杆、活塞环、活塞销、凸轮轴、曲轴和控制活塞等，要求在不同直径的表面或锥面上同时沉积厚度均一并可控的薄膜。③类富勒烯薄膜在发动机部件的产业化一致性技术，即要保证整个真空腔上下左右各个部件镀膜后一致性。

目前常用的几种制备薄膜的手段，主要有电弧离子镀、磁控溅射和等离子体加强化学气相沉积技术。其中电弧离子镀离化率和能量高，通常被用来沉积硬质薄膜，但是其沉积的薄膜粗糙度大，不适合精密部件的加工；传统的磁控溅射虽然可以获得性能优异的薄膜，却存在绕镀性和结合力差的问题，且在远离靶的垂直方向上薄膜厚度差大；化学气相沉积技术通常都需要高的温度来实现良的结合力，虽然等离子体加强化学气相沉积可以实现低温沉积，却因沉积条件要求较高难以实现大面积沉积；磁过滤电弧虽然解决了薄膜表面光洁度的问题，但是高的沉积温度和长的沉积时间使其难以产业化。

为了解决由于膜基结合差和膜厚不均而无法在发动机摩擦副表面获得一致性类富勒烯薄膜产业化的问题，本发明提供了一种高结合力、膜厚均一的多层复合类富勒烯薄膜制备方法，该方法能够在发动机上在各类摩擦副部件及材质上实现类富勒烯薄膜产业化。

发明内容

本发明的目的是通过阴极电弧与非平衡磁控溅射相结合的一体化技术，并配合高功率脉冲离子源来提高镀膜区域的等离子体密度技术，来实现多层复合类富勒烯薄膜在汽车发动机上的产业化。

本发明的制备方法包括下列步骤：

将要沉积薄膜的发动机部件，依次通过除油、漂洗、除锈、漂洗、脱水的清洗装置后，装入真空腔中；将真空腔真空度依次通过机械泵、罗茨泵、分子泵、低温水汽泵抽至2.0×10^-3Pa；在镀膜前利用高功率脉冲离子源进行高强度的气体离子轰击清洗，去除待镀工件表面的氧化（钝化）层、污物和毛刺等；接下来采用阴极电弧技术进行高能金属离子轰击来镀粘结层，然后利用高功率脉冲离子源离化反应气体，提高镀膜区域的等离子体密度，并配合非平衡磁控溅射技术依次在工件上沉积高性能金属氮化物、金属碳氮化物、类富勒烯薄膜的沉积。

所述可沉积薄膜的发动机部件可以是缸体、曲轴、活塞销或控制活塞，材质可以为热处理回火温度大于150℃、表面光洁度Ra<0.6μm、表面无锈点、凹坑的不锈钢、轴承钢、模具钢、碳素钢、铸铁等材料。

所述清洗装置中除油采用的中性或弱酸性水基除油剂，漂洗采用去离子水溢流方式，除锈采用弱酸性除锈剂，脱水采用无水乙醇，整个清洗过程均在超声波震荡下进行。