[发明专利]在汽车发动机气门挺柱表面制备类金刚石涂层的方法

说明书

技术领域

本发明属于汽车配件表面处理和真空处理领域。本发明涉及一种在汽车发动机气门挺柱表面制备类金刚石涂层的方法，具体是利用中高频双极脉冲磁控溅射和反应溅射复合的方法，在气门顶柱表面制备具有高结合力、减磨抗磨功能的类金刚石涂层。

背景技术

自2009哥本哈根峰会召开以来，“节能环保”已经成为全球最受关注的话题之一。汽车是能源消耗和污染物排放的‘大户’，也是节能减排工作的重点，所以汽车行业推进节能减排工作的意义尤为重大。发动机节能减排的关键性问题之一是润滑问题，而液体润滑难以满足目前发动机关键部位的低摩擦、长寿命、高承载、可靠性的要求。

类金刚石涂层具有高硬度、低摩擦、良好的耐腐蚀性能等优点，被认为是目前最优秀的固体润滑涂层之一。现有的汽车配件大部分都是用TiN涂层技术，类金刚石涂层如果能替代TiN，有望使摩擦系数降低1/6。

气门挺柱是汽车发动机进气系统的关键部件，在发动机运行过程中直接同凸轮轴接触，通过油滴润滑来减少阻力。油泵压力不足或堵塞时会造成油润滑是小引发粘着磨损，磨损严重会影响发动机的正常运转，导致燃烧不纯分和启动困难。由于凸轮轴/挺柱系统是发动机内部消耗功率最多的组件，因此降低气门挺柱表面的摩擦磨损，提高挺柱的可靠性是关系到降低发动机摩擦损耗、提高发动机燃油经济型是提高发动机性能的关键因素。

类金刚石涂层具有具有良好的自润滑性能，如果能将类金刚石涂层应用到挺柱表面，对应对因油滴润滑不良早成的粘着磨损、点蚀磨损等问题，太高发动机工作效率，减少发动机使用故障等由重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在汽车发动机气门挺柱表面制备类金刚石涂层的方法。

本发明利用高功率脉冲磁控溅射技术在气门挺柱表面制备结合强度高的类金刚石涂层。

一种在汽车发动机气门挺柱表面制备类金刚石涂层的方法，其特征在于该方法步骤为：

A将汽车发动机气门挺柱进行常规除油清洗，然后在丙酮和乙醇溶液中依次进行超声清洗；

B将气门挺柱置于多靶复合溅射沉积系统中并预抽真空至2×10^-3Pa；

C高频率脉冲磁控溅射粘着层，以Ti、Si靶为阴极，工作气体为氩气，沉积时间10～30min；

D反应磁控溅射缓冲层，以Ti、Si靶为阴极，工作气体为氩气和甲烷或氩气和乙烯或氩气和氮气，沉积时间30～60min；

E反应溅射沉积成分渐变复合类金刚石涂层，工作气体为氩气和甲烷或氩气和乙烯，沉积时间600～120min；自然冷却后得到多层类金刚石复合涂层。

本发明方法制备的涂层结合力≥80N，摩擦系数低至0.04N。

本发明采用的磁控溅射工艺成熟、设备简单、沉积温度低、成膜均匀、重复性好的优点，结合高功率脉冲高离化率、高能密度的优点，在碳素钢、不锈钢表面、硬质合金等表面通过梯度技术和复合技术获得结合力高，摩擦学性能和电化学性能优良的类金刚石薄膜，为类金刚石薄膜在极压、腐蚀环境下的应用提供了可能。

在气门挺柱表面制备的类金刚石薄膜依次由基体/粘着层/梯度层/功能层组成。基体是气门挺柱表面等需要类金刚石薄膜处理的表面；粘着层由Cr、Ti、Si等单一或多组分组成；梯度层从下到上由金属层想碳化物层过渡/金属层想氮化物层过渡；功能层即类金刚石薄膜。上述多层类金刚石复合涂层，粘着层厚度为0.2～1μm、梯度层厚度为1～3μm，表层厚度为1～5μm。

本发明属于真空表面处理范畴，没有废水废气等污染物，属于环境友好绿色环保镀膜。

具体实施方式

实施例1

取气门挺柱，气门挺柱表面高结合力合类金刚石薄膜由基体/TiSi层/梯度TiC层/类金刚石层，处理工艺按照以下步骤进行：(1)将气门挺柱进行常规除油清洗，然后在三氯甲烷溶液中依次进行超声清洗；(2)将气门挺柱置于多靶复合溅射沉积系统进行氩等离子体溅射清洗，氩气气压2～5Pa，偏压为1000～1600V，频率60～150KHz，15～20min；(3)磁控溅射镀TiSi层，以Ti、Si靶为阴极，处理时间15～30min，偏压800～1600V，频率60～150KHz；靶电流8～20A，频率60～150KHz；(4)磁控溅射镀TiSiC层，逐渐增加甲烷到预定值，30～60min；(5)溅射沉积成分渐变含氢类金刚石薄膜，其他条件保持不变，降低氩气和甲烷流量比到2/3V沉积时间20～120min，自然冷却后得到多层纳米复合类金刚石涂层。

实施例2

取气门挺柱，气门挺柱表面类金刚石薄膜由涂层基体/TiSi层/梯度TiSiN层/类金刚石层，处理工艺按照以下步骤进行：(1)将气门挺柱进行常规除油清洗，然后在三氯甲烷溶液中依次进行超声清洗；(2)将气门挺柱置于多靶复合溅射沉积系统进行氩等离子体溅射清洗，氩气气压2～5Pa，偏压为1000～1600V，频率60～200KHz，15～20min；(3)磁控溅射镀TiSi层，以Ti、Si靶为阴极，处理时间15～30min，偏压600～1200V，频率60～200KHz；靶偏压800～2000V，频率60～150KHz；(4)磁控溅射镀TiSiN层，逐渐增加甲烷到预定值，沉积时间10～40min；(5)关闭氮气，调整氩气和甲烷流量比到1/5V沉积TiSi掺杂类金刚石涂层，时间20～120min，自然冷却后得到多层纳米复合类金刚石涂层。