合金工具钢柱塞表面批量化沉积类富勒烯碳薄膜的方法

摘要

本发明公开了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。本发明制备出的类富勒烯碳薄膜具有高硬度、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。

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；

步骤二：本底真空抽至3x10^-3Pa；

步骤三：打开1号Cr靶、3号Cr靶电源，调节靶电流分别为12A，将 Ar流量调至240sccm，偏压电源调至600V，沉积15min，然后降低偏压到300V， 沉积45min；

步骤四：充入100sccmN₂气体，将1号Cr靶、3号Cr靶电流调至14A， 偏压300V，沉积60min；

步骤五：关闭N₂气体，关闭1号Cr靶、3号Cr靶，打开2号Ti靶、4 号Ti靶，调节靶电流分别为12A，偏压电源调至600V，沉积10min；

步骤六：将偏压电源降至300V，同时充入CH₄气体80sccm，CH₄流量以 10sccm/min的增长速率，增加到240sccm，沉积50min；

步骤七：关闭系统，自然冷却至室温取出。

优选地，所述步骤一中脱水是用无水乙醇或去离子水加热90℃。

本发明的积极进步效果在于：本发明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。

附图说明

图1是本发明的合金工具钢柱塞表面批量化沉积类富勒烯碳薄膜与传统 非晶碳薄膜纳米硬度性能对比测试的示意图。

图2是本发明的合金工具钢柱塞表面批量化沉积类富勒烯碳薄膜进行柱 塞膜基结合力测试的示意图。

图3是本发明的合金工具钢柱塞表面批量化沉积类富勒烯碳薄膜进行摩 擦系数测试的示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

本发明合金工具钢柱塞表面批量化沉积类富勒烯碳薄膜的方法采用磁 控溅射沉积多层多组分类富勒烯碳薄膜(Cr+CrN+Ti+Ti-FLC)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；分别 将除油剂与除锈剂按1:20与去离子水配比，放入1号清洗槽和3号清洗槽 中。将2号清洗槽、4号清洗槽、5号清洗槽、6号清洗槽中加入去离子水， 并保持溢流状态。7号清洗槽放入无水乙醇。将每次要镀膜的工件依次经过 清洗线1号清洗槽至7号清洗槽清洗，其中1号清洗槽和3号清洗槽清洗时 间为5min，其他槽为3min。

步骤二：将清洗好的工件用无尘布擦拭干净，放入真空腔里，调整工装， 保证每个工件能顺利自传，并将真空镀抽至3x10-³Pa以下。

步骤三：开公转，通入Ar，将Ar流量设置为240sccm，将偏压电源调 至600V，同时打开1号Cr靶、3号Cr靶电源，调节靶电流分别为12A，沉 积15min；降低偏压电源到300V，沉积45min。

步骤四：充入100sccmN₂气体，将1号Cr靶、3号Cr靶调整电流14A， 偏压300V，沉积60min；

步骤五：关闭N₂气体，关闭1号Cr靶、3号Cr靶，打开2号Ti靶、4 号Ti靶，调节靶电流分别为12A，偏压电源调至600V，沉积10min；

步骤六：将偏压电源降至300V，同时充入CH₄气体80sccm，CH₄流量以 10sccm/min的增长速率，增加到240sccm，沉积50min；

步骤七：关闭系统，自然冷却至室温取出。关闭偏压电源、靶电源、Ar， 甲烷等气体，关闭抽气系统，自然冷却至室温取出。

步骤一中脱水是用无水乙醇或去离子水加热90℃。

根据本发明制备出的类富勒烯碳薄膜能降低发动机油耗2～3％，CO2排放 2～5％，在满足长寿命的同时进一步提高可靠性。纳米压痕硬度介于15～ 25GPa(硬度过高不利于达到低摩擦、长寿命)；与柱塞的结合力>70N；AFM (原子显微镜)测试的厚度为1.5～2μm；表面粗糙度<10nm；摩擦系数<0.05， 如图1至3所示。本发明的测试如下表1：

表1

测试项目 目标完成情况 表面颜色 黑色 硬度 20.9GPa 结合力 74N 摩擦系数 0.04 表面粗糙度 0.4nm 厚度 1.78μm

类富勒烯碳薄膜润滑技术在汽车行业的推广应用，将极大地降低发动机 的摩擦磨损损耗，可节省燃油2-3％,降低排放2-5％。另一方面，基于类富 勒烯碳薄膜低摩擦磨损、耐腐蚀、高承载的特性，将满足高温、高压、高速 等苛刻环境下的正常运行，实现零部件的永久性使用，实现零维修更换，大 大提升国产发动机的可靠性和使用寿命，降低事故发生率。

零部件销售方面，在达到新车型发动机应用要求的基础上，生产300万 件/年的目标，按照15元/件计算，可以实现直接经济效益4500万元。在整 车运行方面，按照每车节油2％，建成后首年装车40万辆，每车2万公里/ 年计算，百公里耗油均10升/车，可产生间接经济节约价值约1.2亿元。

合金工具钢Cr12MoV具有较高的耐磨性、淬透性、淬硬性、强韧性、热 稳定性、抗压强度以及微变形、综台性能优良和广泛的适应性。钢材有高淬 透性，在300～400℃时仍可保持良好硬度和耐磨性，淬火时体积变化最小。 可用来制造断面较大、形状复杂、经受较大冲击负荷的各种模具和工具。例 如汽车发动机高压共轨系统的柱塞、形状复杂的冲孔凹模、复杂模具上的镶 块、钢板深拉深模、拉丝模、螺纹挫丝板、冷挤压模、冷切剪刀、圆锯、标 准刀具、量具等。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益 效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实 施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任 何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。