[发明专利]一种制备类金刚石膜球墨铸铁活塞环的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及无机非金属材料在高速往复运动的汽车发动机球墨铸铁活塞环的应用，同时也可以应用于其他材质的汽车发动机活塞环沉积类金刚石膜（DLC）的涂层工艺方法，尤其一种高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备以及利用该设备制备类金刚石膜球墨铸铁活塞环的工艺。

背景技术

汽车尾气污染是我国大气污染的重要来源。随着我国对汽车发动机采取更为严格的排放标准，如何改进发动机的燃烧效率、减少尾气排放、提高活塞环的技术性能指标，使之满足国家发动机强制排放标准要求，是活塞环生产企业面临的技术难题。类金刚石涂层兼具了金刚石和石墨的特性，由于含有金刚石成分，涂层硬度高，具有更高的耐磨损性能，同时由于含有石墨成分，其摩擦系数极低（0.2以下），因此是适宜提升活塞环性能的理想工艺。

本发明之前也有涉及汽车活塞环表面涂层的工艺技术，这些方法存在着如下问题：1、之前的方法不能在球墨铸铁表面上生长致密的膜层。因为球墨铸铁表面金相组织结构疏松，存在很多不规则的空隙，使用传统的涂层工艺方法无法覆盖，更无法生长致密的类金刚石膜层；2、之前的方法操作实施复杂，有的要镀五层叠加膜，费时费力，效率低下，生产成本高，不具备实际使用价值；3、之前的方法所述在镀叠加膜或者层叠复合膜的第一层都是电镀铬（Cr）电镀铬是高污染的淘汰工艺方法是环保管理不能允许的。

发明内容

本发明解决技术问题采用如下方案：

在试验球墨铸铁涂活塞环涂层类金刚石膜过程中，我们先后使用过多种方法。其中包括磁控溅射法。使用这种方法我们在球墨铸铁活塞环外圆沉积了致密的类金刚石膜。但是，由于球墨铸铁活塞环和气缸是高速往复运动的运动付，必须有极低摩擦系数和极高的耐摩擦性能，因此，涂层的附着力成为至关重要的问题。

为了得到很高的涂层附着力，我们研制了“高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备”并发明新的工艺方法。

高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备，是本发明人研制的新原理涂层设备。它包括涂层室、行星旋转工件架、磁过滤弧源、分子泵、真空系统，所述涂层室为立式圆柱形，整体双层水冷式结构，所述涂层室前部设有进料门，所述涂层室的顶部设有管状加热器、热电偶接口，所述涂层室的底部设有进气口和行星旋转工件架，所述行星旋转工件架底部连接有驱动系统，所述涂层室的侧壁安装有磁过滤弧源，所述涂层室的后部安装有分子泵和真空系统。 

所述磁过滤弧源由引弧电极、阴极支架、靶材、推弧电磁线圈、聚焦电磁线圈、弯头组成，所述靶材安装在阴极支架上，所述引弧电极和所述阴极支架外接引弧电源，所述推弧电磁线圈和所述聚焦电磁线圈安装在所述引弧电极和阴极支架产生电弧处的外围。

进一步的，所述弯头为锥度2°弯曲弧度为100°的锥度弯头，所述锥度弯头的外表面安装有多个弯曲弧电磁线圈，在锥度弯头内形成强度为0～20 mT的弯曲磁场。

该设备充分利用弧源中的触发电极和石墨阴极之间产生真空电弧放电，激发高离化率的碳等离子体，采用磁过滤线圈过滤掉弧源产生的大颗粒和中性原子，可使到达衬底的几乎全部是碳离子，可以用较高的沉积速率制备出无氢膜，采用此技术可以获得sp3键含量高达70%、硬度高达～4500HV0.025的无氢碳膜，其性质与多晶金刚石膜（CVD）相近。

本发明利用自制的“高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备”，采取如下工艺方法规模化生产类金刚石膜涂层球墨铸铁活塞环：

第一步：清洗干燥：将工件送入高压喷淋清洗机进行除油、清洗、烘干，温度控制在60-80℃；

第二步：工件预处理喷砂：用金刚石W10微粉喷射活塞环外圆，刻蚀工件表面，使涂层类金刚石膜形成框架基础；

第三步：工件预处理抛研：用金刚石W5微粉抛研活塞环外圆，进一步刻蚀工件表面；

第四步：将工件放入超声波清洗机中，使用帕卡濑津脱脂剂FC-4360进行脱脂清洗干燥；

第五步：将工件放入另一超声波清洗机中，使用丙酮+无水乙醇，按照重量比3:7配比，再次进行脱脂、去污、清洗、干燥；

第六步：将再次清洗干燥后的工件装入高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备中；

第七步：通入Ar至0.5-1.5Pa，对工件加偏压600-800V；

第八步：通入N和C、H至1-2Pa,对工件涂层面形核，即：为涂层致密的打底层和工作层编织构架；

第九步：通入N和O2，开启弧靶阴极采用99.9%金属Cr靶，沉积氮氧化铬过渡层（打底层）NCr,厚度20-30μm；