本發(fā)明屬于柴油機(jī)零件表面處理和真空處理領(lǐng)域，具體涉及一種利用磁控濺射、等離子體輔助以及激光刻蝕技術(shù)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面制備具有與柴油協(xié)同潤滑作用好、結(jié)合力高、摩擦系數(shù)低、磨損率低、壽命長的多層薄膜。

背景技術(shù)：

隨著我國對(duì)環(huán)境保護(hù)問題的日益重視，節(jié)能減排已經(jīng)成為勢在必行的重要課題。對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，減少能源消耗和污染物排放的意義重大。其中的關(guān)鍵問題之一就是潤滑問題，傳統(tǒng)的電鍍手段難以實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好。液體潤滑則難以滿足高承載、低摩擦、長壽命等要求。

現(xiàn)有的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)零件多采用電鍍技術(shù)和液體潤滑技術(shù)，較新的技術(shù)有類金剛石技術(shù)，但都存在壽命提升不高，效率依然較低的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有的缺陷，提供了一種柴油發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面多層耐磨減摩薄膜及其制備方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：

一種柴油發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面多層耐磨減摩薄膜，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面由內(nèi)向外依次包括Cr層、Cr/MeC過渡層、MeC-DLC層、a-C:H軟硬交替層和MoS₂層，其中，Me為過渡金屬元素。

優(yōu)選地，所述過渡金屬元素為Ti、W或Cr。

優(yōu)選地，在所述的Cr/MeC過渡層中，隨著厚度的增加，Cr的含量逐漸減少、MeC的含量逐漸增加。

優(yōu)選地，所述a-C:H軟硬交替層的交替層數(shù)為10～50層。

上述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面多層耐磨減摩薄膜的制備方法，包括如下步驟：

（1）在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面磁控濺射沉積Cr層；

（2）在Cr層上磁控濺射沉積Cr/MeC過渡層；

（3）采用磁控濺射/等離子體輔助化學(xué)氣相復(fù)合沉積法在Cr/MeC過渡層上沉積MeC-DLC層；

（4）采用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法在MeC-DLC層上沉積a-C:H軟硬交替層；

（5）采用激光刻蝕法在a-C:H軟硬交替層上刻蝕微織構(gòu)；

（6）在a-C:H軟硬交替層上磁控濺射沉積MoS₂層。

優(yōu)選地，步驟（1）中，磁控濺射沉積Cr層的條件為：惰性氣體流量為130sccm～150sccm，Cr靶功率為1.5kw～2kw，基片偏壓為50V～100V，沉積時(shí)間為5min～10min。

優(yōu)選地，步驟（2）中，采用Cr靶和MeC靶，通過逐步降低Cr靶的功率和逐步提高M(jìn)eC靶的功率，在Cr層上磁控濺射沉積Cr/MeC過渡層，優(yōu)選地磁控濺射沉積條件為：惰性氣體流量為80sccm～150sccm，Cr靶的功率由1.5kw～2kw降至0kw，MeC靶的功率由0kw提至2kw～4kw，基片偏壓為0V～50V，沉積時(shí)間為20min～40min。

優(yōu)選地，步驟（3）中，以乙炔為反應(yīng)氣體，采用MeC靶，采用磁控濺射/等離子體輔助化學(xué)氣相復(fù)合沉積法沉積MeC-DLC層，優(yōu)選地沉積條件為：惰性氣體流量為80sccm～100sccm，乙炔流量為30sccm～80sccm，基片偏壓為50V-75V，MeC靶的功率為2kw～4kw，沉積時(shí)間為30min～120min。

優(yōu)選地，步驟（4）中，采用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法，以乙炔為反應(yīng)氣體，通過乙炔流量和基片偏壓的交替改變，得到a-C:H軟硬交替層，優(yōu)選地，a-C:H軟層的沉積條件：乙炔流量350sccm～400sccm，基片偏壓為1000V～1200V，沉積時(shí)間5min～10min；a-C:H硬層的沉積條件：乙炔流量100sccm～150sccm，基片偏壓為800V～1000V，沉積時(shí)間5min～10min。

優(yōu)選地，步驟（6）中，磁控濺射沉積MoS₂層的條件為：惰性氣體流量為80sccm～130sccm，MoS₂靶的功率為1kw～1.5kw，基片偏壓為50V～100V，沉積時(shí)間為30min～60min。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果：本發(fā)明的薄膜復(fù)合硬度達(dá)到HV2500～3000，摩擦系數(shù)低至0.05～0.1，附著力＞500mN，材料級(jí)壽命優(yōu)于5×10⁶r，顯著的改善柴油發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的表面性能，提高了其使用壽命、能源使用效率及可靠性。本發(fā)明的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面多層耐磨減摩薄膜可顯著改善柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命、能源利用效率及可靠性。其適用對(duì)象較多，包括挺桿、柱塞、凸輪座圈、挺柱墊圈等零部件。

附圖說明

附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是本發(fā)明柴油發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面多層耐磨減摩薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為零件基體，2為Cr層，3為Cr/MeC過渡層，4為MeC-DLC層，5為a-C:H軟硬交替層，51為微織構(gòu)，6為MoS₂層。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明所述的MeC-DLC是指摻雜了MeC的含氫碳膜，a-C:H是指沒有摻雜的含氫碳膜。

實(shí)施例1 以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)柱塞表面多層耐磨減摩薄膜為例

(1) 化學(xué)清洗。分別使用石油醚、丙酮、酒精對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)柱塞基材進(jìn)行超聲波清洗，每種溶劑超聲時(shí)間為5min。

(2) 加熱及抽真空。保證薄膜沉積時(shí)處于一定的溫度和真空范圍內(nèi)，加熱溫度為160℃，真空范圍為2×10^-3Pa。

(3) 等離子體源（輝光放電）轟擊清洗。向真空室通入氬氣，開啟等離子體源對(duì)基體表面進(jìn)行轟擊清洗，去除基體表面的附著物，氬氣流量為150sccm，等離子體源電流為60A，基片偏壓為500V，轟擊時(shí)間為30min。

(4) 沉積Cr層。通入氬氣，開啟磁控濺射Cr靶在基材表面沉積Cr層，使Cr層與基體表面形成強(qiáng)的界面，提高薄膜附著力。氬氣流量為130sccm，Cr靶功率為2kw，基片偏壓為50V，沉積時(shí)間為10min。

(5) 沉積漸變過渡層Cr/TiC層。通入Ar氣，同時(shí)開啟磁控濺射Cr靶和TiC靶，按照一定的衰減速率降低Cr靶的功率，并按照一定的提升速率增加TiC靶功率，形成Cr含量逐漸減少、TiC含量逐漸增加的漸變過渡層，提高薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度。氬氣流量為130sccm，Cr靶的初始功率為2kw，最終功率為0kw，TiC靶的初始功率為0kw，最終功率為4kw，基片偏壓為50V，沉積時(shí)間為20min。

(6) 沉積TiC-DLC層。通入Ar氣和C₂H₂氣體，開啟TiC靶，沉積TiC-DLC層。氬氣流量為80sccm，乙炔流量為30sccm，基片偏壓為50V，TiC靶功率為4kw，沉積時(shí)間為30min。

(7) 沉積a-C:H軟硬交替層。通入C₂H₂氣體，在樣品臺(tái)上施加高偏壓，通過調(diào)整乙炔流量和基片偏壓改變薄膜硬度，沉積a-C:H軟硬交替膜。a-C:H軟層：乙炔流量350sccm，基片偏壓為1000V，沉積時(shí)間5min；a-C:H硬層：乙炔流量100sccm，基片偏壓為800V，沉積時(shí)間5min，軟硬交替總層數(shù)為10層。需要說明的是，圖1的軟硬交替層只是給出了軟硬層交替的示意，實(shí)際的10層并未完全繪出。

（8）激光刻蝕a-C:H軟硬交替層。對(duì)a-C:H進(jìn)行激光刻蝕，在a-C:H軟硬交替層上得到規(guī)則排列的微織構(gòu)，激光器選用飛秒激光器，波長為1060nm，脈寬為500fs，功率為10w。

（9）沉積MoS₂薄膜。通入氬氣，打開濺射二硫化鉬靶，沉積二硫化鉬薄膜。氬氣流量為80sccm，二硫化鉬靶功率為1kw，基片偏壓為50V，沉積時(shí)間為30min。

實(shí)施例2 以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱墊圈表面多層耐磨減摩薄膜為例

(1) 化學(xué)清洗。分別使用石油醚、丙酮、酒精對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱墊圈基材進(jìn)行超聲波清洗，每種溶劑超聲時(shí)間為5min。

(2) 加熱及抽真空。保證薄膜沉積時(shí)處于一定的溫度和真空范圍內(nèi)，加熱溫度為160℃，真空范圍為2×10^-3Pa。

(3) 等離子體源轟擊清洗。向真空室通入氬氣，開啟等離子體源對(duì)基體表面進(jìn)行轟擊清洗，去除基體表面的附著物，氬氣流量為150sccm，等離子體源電流為60A，基片偏壓為500V，轟擊時(shí)間為30min。

(4) 沉積Cr層。通入氬氣，開啟磁控濺射Cr靶在基材表面沉積Cr層，使Cr層與基體表面形成強(qiáng)的界面，提高薄膜附著力。氬氣流量為150sccm，Cr靶功率為1.5kw，基片偏壓為100V，沉積時(shí)間為5min。

(5) 沉積漸變過渡層Cr/WC層。通入Ar氣，同時(shí)開啟磁控濺射Cr靶和WC靶，按照一定的衰減速率降低Cr靶的功率，并按照一定的提升速率增加WC靶功率，形成Cr含量逐漸減少、WC含量逐漸增加的漸變過渡層，提高薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度。氬氣流量為130sccm，Cr靶的初始功率為2kw，最終功率為0kw，WC靶的初始功率為0kw，最終功率為3kw，基片偏壓為0V，沉積時(shí)間為20min。

(6) 沉積WC-DLC層。通入Ar氣和C₂H₂氣體，開啟WC靶，沉積WC-DLC 層。氬氣流量為100sccm，乙炔流量為50sccm，基片偏壓為75V，WC靶功率為3kw，沉積時(shí)間為30min。

(7) 沉積a-C:H軟硬交替層。通入C₂H₂氣體，在樣品臺(tái)上施加高偏壓，通過調(diào)整乙炔流量和基片偏壓改變薄膜硬度，沉積a-C:H軟硬交替膜。a-C:H軟層：乙炔流量400sccm，基片偏壓為1200V，沉積時(shí)間5min；a-C:H硬層：乙炔流量150sccm，基片偏壓為1000V，沉積時(shí)間10min，軟硬交替總層數(shù)為50層。

（8）激光刻蝕a-C:H軟硬交替層。對(duì)a-C:H進(jìn)行激光刻蝕，在a-C:H軟硬交替層上得到規(guī)則排列的微織構(gòu)，激光器選用飛秒激光器，波長為1060nm，脈寬為500fs，功率為15w。

（9）沉積MoS₂薄膜。通入氬氣，打開濺射二硫化鉬靶，沉積二硫化鉬薄膜。氬氣流量為130sccm，二硫化鉬靶功率為1.5kw，基片偏壓為100V，沉積時(shí)間為60min。

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。