[发明专利]在活塞表面制备复合薄膜技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种在碳素钢、铝合金表面MeN-MeC/Me-DLC薄膜的制备及其在活塞上的制备技术，具体是采用物理气相沉积技术在碳素钢、铝合金表面获得梯度多层类金刚石纳米复合涂层，属于真空表面处理和材料表面保护领域。

背景技术

我国机动车燃油消耗量占石油销量的1／3左右，耗能仅次于建筑，随着环境污染的加剧，对机动车节能减排提出了越来越高的要求，尤其是随着欧四标准实施期限的临近，机动车节能减排任务日益艰巨。在众多的节能减排技术中，表面处理技术已经在切削、钻头等方面取得了显著成效。目前，日本的尼桑、德国的大众都等实用了类金刚石薄膜技术，实现了节能减排2%的目标。

如果国产汽车也实用类金刚石薄膜技术，对比现有水平，在主要摩擦副的抗磨损寿命提高3倍以上，产品寿命周期提高2倍以上，样机和样车能产生2%以上的整车的综合节能效果；预计汽车行业每年的经济效益100亿元以上，同时具有显著的社会效益。提高我国整个汽车行业的摩擦学科学和工程技术的应用水平。

活塞上制备类金刚石薄膜，可有效降低发动机的振动，显著提高发动机的动力性能，延长发动机的寿命。

但是活塞通常由碳素钢、铝合金等材料制造，物理硬度较低，在其表面制备类金刚石薄膜非常困难。为解决这一问题，首先考虑在其表面沉积金属和金属氮化物，这一技术是成熟的，唯一缺点在于金属氮化物薄膜摩擦系数较大。在活塞上制备类金刚石薄膜可以使其摩擦系数降低到1/4。由于引入一定厚度的金属氮化物层，在受外界压力的情况下薄膜变形可以通过氮化物层吸收。

发明内容

本发明的目的是提供一种在碳素钢、铝合金表面MeN-MeC/Me-DLC薄膜的制备及其在活塞上的制备技术

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

（1）磁控溅射镀CrAl 粘结层；（2）磁控溅射沉积金属氮化物梯度层；（3）掺杂类金刚石梯度复合涂层沉积，最后在碳素钢、铝合金等表面获得多层梯度类金刚石纳米复合涂层。

在活塞表面制备复合薄膜技术，具体步骤如下：

1）超声波清洗线清洗和脱水、烘干活塞；

2） 抽至预定真空度，充入氩气，偏压600-1000V等离子处理时间5~10min；

3）打开溅射靶1、3，电流6-14A，偏压200-400V，磁控溅射沉积CrAl金属层；

4） 充入氮气，氮气和氩气流量比为15-40%，保持电流不变，偏压200-400V，磁控溅射沉积CrAlN金属层厚度1-3微米；

5）关闭上述溅射靶、打开金属靶2、4，靶电流控制在8～16A，甲烷流量以10sccm/min的增长速率，增加到200sccm，通过逐渐增加甲烷流量来控制成分变化，样品上施加600~1000V的负偏压，处理时间为90min，自然冷却，最后在碳素钢、不锈钢、硬质合金表面获得多层梯度类金刚石纳米复合涂层。

采用本发明在碳素钢、铝合金等表面MeN-MeC/Me-DLC薄膜与碳素钢、铝合金基底结合牢固，在高温环境下具有优异的摩擦与自润滑性能。其特点在于多层梯度过渡层提供了良好的支撑和界面结合，通过硅掺杂和类金刚石薄膜内部结构的设计，提高了高温环境下的抗氧化性能，增强了薄膜的热稳定性能，有效地阻止了薄膜的石墨化，改善了薄膜在高温环境下的摩擦磨损性能。

本发明的碳素钢、不锈钢、硬质合金表面加工方法属于真空等离子范畴，绿色环保，不会对环境造成污染。所采用的复合工艺稳定，可实现批量生产。作为金属保护涂层，薄膜在摩擦过程中会有升温过程，通过在碳素钢、不锈钢、硬质合金表面多层多元素耐高温类金刚石纳米复合薄膜材料制备，可以大大提高薄膜的使用温度范畴，并且在长时间摩擦过程中能有效的抵抗温升所带来的缺陷，使得DLC薄膜使用寿命增加。

具体实施方式

（1）将活塞在超声波清洗线上清洗干净、风干、烘烤后装炉；

（2）本底真空抽至3x10^-3 Pa；

（3）打开1、3号靶，靶1、3分别为Cr、Al靶，调节靶电流分别为6A、10A， Ar流量160 sccm，偏压400V，沉积40min；

（4）充入50 sccmN气体，Cr靶调整电流8A，偏压280V，沉积120min；

（5）关闭N气体，关闭1、3号靶，打开2、4号靶，靶材为Ti（Cr、W等金属）甲烷流量以10sccm/min的增长速率，增加到200sccm，偏压600V，沉积180分钟；

关闭系统，自然冷却至室温取出。