CN102286719A - 一种应用于汽车铝合金运动摩擦副表面耐磨涂层 - Google Patents

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安宇鹏
张克金
王丹
戈非
魏晓川
武彬
米新艳
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Abstract

本发明公开了一种应用于汽车铝合金运动摩擦副表面耐磨涂层的制备，依次由铝合金运动摩擦副基体，缓冲层，过渡层和表层构成，其中缓冲层为金属层，过渡层为金属碳化物层，表层为类金刚石碳层，提高了表面涂层与铝合金表面的结合强度，具有优良的耐磨性能，应用于汽车表面零件处理，达到节能减排的目的。

Description

一种应用于汽车铝合金运动摩擦副表面耐磨涂层
技术领域
本发明涉及一种应用于汽车铝合金运动摩擦副表面耐磨涂层。
技术背景
随着对发动机的强化和整体轻量化要求的不断提高，汽车发动机结构材料中钢铁材料所占比例将逐步下降，有色金属、陶瓷材料、复合材料、高分子材料等新型材料的用量有所上升。在性能可靠的条件下，发动机关键零部件将尽可能多地采用铝合金、复合材料等轻型、新型材料取代钢铁材料。尤其是铝合金材料，是制造发动机活塞的典型材料，而活塞、活塞环的摩擦损失占发动机整体摩擦的40%~50%，降低这些零部件的摩擦损失对降低燃油消耗和有害物排放很有好处。目前国产汽车在这些铝合金的运动摩擦副表面涂覆氮化钛、二硫化钼、尼龙等固体润滑涂层，或者采用传统的油润滑方式来实现降低摩擦功的目的。但这些方法都无法满足汽车发动机高转速、低油耗、大功率和低排放的发展需求。而类金刚石薄膜/涂层（DLC）是最新发展起来的一种新型固体润滑涂层，具有光滑平整、高硬度（硬度高于20GPa）、低摩擦(干摩擦系数和油润滑摩擦系数小于0.1)、耐腐蚀、长寿命等优点，已经在刀具、医疗器械、振膜等方面得到广泛应用。类金刚石薄膜/涂层尤其适用于油润滑失效的情况，在干摩擦下具有优异的减磨抗磨效果。通过工艺优化，可以使其与铝合金基底有高的结合强度。对提高发动机的可靠性具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种应用于汽车铝合金运动摩擦副表面耐磨涂层，具有优良的减磨性能。
本发明的技术方案是这样实现的：一种应用于汽车铝合金运动摩擦副表面耐磨涂层，由基体，缓冲层，过渡层，表层组成；其特征在于：基体上依次涂敷缓冲层、过渡层和表层；制备工艺如下：
1）将基体依次在丙酮和乙醇中超声波清洗10-15min，自然干燥，再装置真空腔内；
2）将真空室抽真空，然后通入氩气，通入氩气流量80-300sccm，对基体和靶进行等离子清洗；以金属为靶材，在基材表面沉积一金属缓冲层，其金属靶电流为8-20A，占空比为40-80%，频率为20-160Hz，脉冲偏压50-1600V，占空比50-85%，频率为60-100，沉积时间15-30 min，沉积气压 0.3-1.2Pa制备缓冲层；
3）制备过渡层时向真空室内通入氩气和甲烷，以金属为靶，甲烷为前躯体，在金属表面沉积一碳化物过渡层；其CH4流量为40-400sccm，沉积时间 15-25min；
4）制备表层时以石墨为靶材，在碳化物层上沉积一类金刚石碳层，其石墨靶电流为10-20A，沉积时间15-40min；所述的缓冲层（2）是由铬、镍、钛、钨等金属中的一种或2种以上的组合，厚度为1-3μm；所述的过渡层（3）是铬、镍、钛、钨等金属中的一种或2种以上的金属的碳化物组合，厚度为1-4μm；所述的表层（4）是含氢类金刚石碳层，厚度为2-6μm。
本发明的积极效果在于：提高固体润滑涂层在铝合金表面的结合强度，具有优良的减磨性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进行具体描述，但不等同于限制本发明，对于本领域的技术人员依照本发明进行的更改，均应包含在本发明的保护范围之内，一种应用于汽车铝合金运动摩擦副表面耐磨涂层，由基体1，缓冲层2，过渡层3，表层4组成；其特征在于：基体1上依次涂敷缓冲层2、过渡层3和表层4。 
实施例1
清洗和准备：取解放CA6102型发动机活塞，其由铝合金液体模锻而成，依次用丙酮和乙醇在超声波中清洗各10min，自然干燥，置于真空室；抽真空至真空度小于3.0×10-3Pa；向真空室内通入氩气500sccm，调整气压至0.6Pa，工件加脉冲偏压为1000V，等离子清洗工件10min，以除去表面残留的杂质和污染物。
缓冲层的制备：氩气流量为120sccm，金属铬靶（纯度为99.9％）电源电流10A，占空比为60%，频率为60Hz，脉冲偏压800V，占空比80%，频率为60Hz，沉积时间18 min。
过渡层的制备：保持上述条件不变，甲烷流量从40sccm逐渐增加到300sccm，沉积时间20min。
表层的制备：其他条件保持不变，石墨靶电源电流为12A，占空比为50%，频率为40Hz，沉积时间约30min；最后在活塞表面获得类金刚石梯度薄膜。
涂层的厚度测试：采用扫描电子显微镜法，在镀层横截面放大的图像上测量，得到涂层总厚度为7μm。
摩擦学性能测试：把按经过上述处理的活塞与目前发动机行业中最新一代的活塞裙部MoS2涂层进行了性能对比，结果如表1所示。可以看出，活塞表面类金刚石涂层具有超低的摩擦系数和高的膜基结合力，更适合当代发动机发展的需要。
表1 类金刚石薄膜与MoS2涂层摩擦系数对比
涂层种类 油摩擦下摩擦系数 干摩擦下摩擦系数 膜基结合力
类金刚石薄膜 0.04~0.06 0.02~0.03 45~60N
MoS2涂层 0.06~0.08 0.05~0.06 40~50N
实施例2
1）将基体依次在丙酮和乙醇中超声波清洗12min，自然干燥，再装置真空腔内；
2）将真空室抽真空，然后通入氩气，通入氩气流量80sccm，对基体和靶进行等离子清洗；以金属钛为靶材，在基材表面沉积一金属缓冲层，厚度为1μm；其金属钛靶电流为8A，占空比为40%，频率为20Hz，脉冲偏压50V，占空比50%，频率为60 Hz，沉积时间15 min，沉积气压 0.3Pa制备缓冲层；
3）制备过渡层时向真空室内通入氩气和甲烷，以金属为靶，甲烷为前躯体，在金属钛表面沉积一碳化物过渡层；厚度为1μm；其CH4流量为40sccm，沉积时间 15min；
4）制备表层时以石墨为靶材，在碳化物层上沉积一类金刚石碳层，厚度为2μm；其石墨靶电流为10A，沉积时间15min。
实施例3
1）将基体依次在丙酮和乙醇中超声波清洗15min，自然干燥，再装置真空腔内；
2）将真空室抽真空，然后通入氩气，通入氩气流量300sccm，对基体和靶进行等离子清洗；以金属镍为靶材，在基材表面沉积一金属镍缓冲层，厚度为3μm；其金属靶电流为20A，占空比为80%，频率为160Hz，脉冲偏压1600V，占空比85%，频率为100 Hz，沉积时间30min，沉积气压1.2Pa制备缓冲层；
3）制备过渡层时向真空室内通入氩气和甲烷，以金属镍为靶，甲烷为前躯体，在金属镍表面沉积一碳化物过渡层；厚度为4μm；其CH4流量为400sccm，沉积时间25min；
4）制备表层时以石墨为靶材，在碳化物层上沉积一类金刚石碳层，厚度为6μm；其石墨靶电流为20A，沉积时间40min。
实施例4
1）将基体依次在丙酮和乙醇中超声波清洗10-15min，自然干燥，再装置真空腔内；
2）将真空室抽真空，然后通入氩气，通入氩气流量200sccm，对基体和靶进行等离子清洗；以金属钛、钨为靶材，在基材表面沉积一金属钛、钨缓冲层，其金属靶电流为18A，占空比为60%，频率为120Hz，脉冲偏压900V，占空比65%，频率为80Hz，沉积时间20 min，沉积气压1.0Pa制备缓冲层；
3）制备过渡层时向真空室内通入氩气和甲烷，以金属钛、钨为靶，甲烷为前躯体，在金属钛、钨表面沉积一碳化物过渡层；厚度为3μm；其CH4流量为300sccm，沉积时间20min；
4）制备表层时以石墨为靶材，在碳化物层上沉积一类金刚石碳层，厚度为4μm；其石墨靶电流为15A，沉积时间30min。

Claims (4)

1.一种应用于汽车铝合金运动摩擦副表面耐磨涂层，由基体（1），缓冲层（2），过渡层（3），表层（4）组成；其特征在于：基体（1）上依次涂敷缓冲层（2）、过渡层（3）和表层（4）；制备工艺如下：
1）将基体依次在丙酮和乙醇中超声波清洗10-15min，自然干燥，再装置真空腔内；
2）将真空室抽真空，然后通入氩气，通入氩气流量80-300sccm，对基体和靶进行等离子清洗；以金属为靶材，在基材表面沉积一金属缓冲层，其金属靶电流为8-20A，占空比为40-80%，频率为20-160Hz，脉冲偏压50-1600V，占空比50-85%，频率为60-100，沉积时间15-30 min，沉积气压0.3-1.2Pa制备缓冲层；
3）制备过渡层时向真空室内通入氩气和甲烷，以金属为靶，甲烷为前躯体，在金属表面沉积一碳化物过渡层；其CH4流量为40-400sccm，沉积时间15-25min；
4）制备表层时以石墨为靶材，在碳化物层上沉积一类金刚石碳层，其石墨靶电流为10-20A，沉积时间15-40min。
2.根据权利要求1所述的一种应用于汽车铝合金运动摩擦副表面耐磨涂层，其特征在于所述的缓冲层（2）是由铬、镍、钛、钨等金属中的一种或2种以上的组合，厚度为1-3μm。
3.根据权利要求1所述的一种应用于汽车铝合金运动摩擦副表面耐磨涂层，其特征在于所述的过渡层（3）是铬、镍、钛、钨等金属中的一种或2种以上的金属的碳化物组合，厚度为1-4μm。
4.根据权利要求1所述的一种应用于汽车铝合金运动摩擦副表面耐磨涂层，其特征在于所述的表层（4）是含氢类金刚石碳层，厚度为2-6μm。
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