專利名稱：制備柱狀晶緊密排列pvd軸瓦的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軸瓦的一種磁控濺射鍍膜方法，用磁控濺射的方法在軸瓦的內(nèi) 表面上生成鎳柵層和鋁合金減摩層，這種軸瓦主要用于高負(fù)荷條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)， 如高端的船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、高級(jí)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)。
技術(shù)背景軸瓦是柴油機(jī)心臟的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件，又是基礎(chǔ)部件和消耗部件，軸瓦在使 用中失效，將直接導(dǎo)致主機(jī)氣缸變形或破裂等嚴(yán)重后果。近年來，各種主機(jī)的發(fā)展速度很快，負(fù)荷和比壓明顯提高，這就對(duì)軸承元 件例如滑動(dòng)軸承提出更嚴(yán)格的要求。單層滑動(dòng)軸承由于在高轉(zhuǎn)速時(shí)變薄而不再 能滿足這些要求，從而滑動(dòng)軸承工業(yè)更多地轉(zhuǎn)向多層滑動(dòng)軸承。多層滑動(dòng)軸承 通常包括一鋼支承層(通常為鎳柵層)，在其上通過滾壓、電鍍或陰極噴鍍涂覆 一個(gè)或多個(gè)其他的減摩層，例如具有錫成分的鋁合金層，或滑動(dòng)漆層。通過減 摩層， 一方面應(yīng)該能夠達(dá)到改善熱力學(xué)的較高的點(diǎn)火壓力，并從而導(dǎo)致能耗的 減少或廢氣量減至最少；另一方面減摩層可以導(dǎo)致軸瓦重量的降低，進(jìn)而減輕 發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，滿足了目前對(duì)輕型發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。目前，通常采用陰極濺射的工藝方法在軸瓦的內(nèi)表面濺射鎳柵層和鋁合金 層，磁控濺射是在強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、高真空的濺射艙內(nèi)通入少量惰性氣體(氬 氣)。電子在強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)(磁場(chǎng)方向與電場(chǎng)方向成一定角度)的條件下受磁 場(chǎng)的洛侖茲力作用而進(jìn)行螺旋加速運(yùn)動(dòng)并與氬原子碰撞。氬原子電離成正的氬離子(Ar+)和另一個(gè)電子。氬離子(Ar+)在電場(chǎng)作用下加速飛向?yàn)R射靶(陰極)， 使被濺材料離解成具有高速、高能的微粒飛濺出來凝聚在軸瓦的內(nèi)表面形成濺 射膜層。然而，用掃描電子顯微鏡(SEM)檢測(cè)以前PVD軸瓦的減摩層截面(或 斷口)微觀形貌顯示，柱狀粗大并且排列的均勻性不理想，這影響PVD軸瓦的 耐磨性能和抗疲勞的強(qiáng)度。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種制備柱狀晶緊密排列PVD軸瓦的方法，提高 軸瓦的耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明主要在濺射鋁合金減摩層時(shí)，通過控制基體溫度、濺射氣壓及濺射伴隨負(fù)偏壓，在鋁合金減摩層形成柱狀晶。具體技術(shù)方案如下 將預(yù)處理過的軸瓦裝入濺射艙，放入鎳耙材和鋁合金靶材，抽真空，在軸瓦的 內(nèi)表面濺射鎳柵層，然后濺射鋁合金減摩層，以及后續(xù)處理，所述濺射鋁合金 減摩層的工藝條件如下先制備鋁合金靶材，該鋁合金靶材中純錫、純銅及純鋁的重量百分比為16% 25%: 0.3% 3%: 83.7% 72%;再濺射鋁合金減摩層， 工作氣體為氬氣，調(diào)節(jié)濺射艙的濺射氣壓為0.4 1.2Pa，基體溫度為40 120°C， 在濺射減摩層1 2小時(shí)后，調(diào)整基體的負(fù)偏壓為-100 -1000V。本發(fā)明根據(jù)鋁合金靶材中錫、銅及鋁的流動(dòng)性、微觀屏蔽性，通過控制基 體溫度、濺射氣壓及基體的負(fù)偏壓，在鋁合金減摩層形成柱狀晶。用EVO40型 掃描電子顯微鏡測(cè)膜層截面(或斷口)的微觀形貌，呈現(xiàn)出緊密、均勻排列的 柱狀晶形，并且該柱狀晶的軸線應(yīng)與基體基本垂直(見附圖1)，這種具有柱狀 晶減摩層的PVD軸瓦，明顯地提高了其耐磨性和抗疲勞的強(qiáng)度。為了提高鎳柵層與基體以及鎳柵層與鋁合金減摩層之間附著強(qiáng)度，本發(fā)明也可以在濺射鎳柵層(Ni)之前先磁控濺射增設(shè)第一擴(kuò)散層；在所述濺射鎳柵 層(Ni)之后，濺射鋁合金減摩層(AlSnCu)之前先磁控濺射增設(shè)第二擴(kuò)散層； 所述磁控濺射第一擴(kuò)散層的工藝條件為，PVD軸瓦基體在抽真空的濺射艙內(nèi)， 參與互濺的基體襯里層為CuPbSn合金其中Pb2 30% Sn 1 10% Cu為余 量，采用純度為99.99%的鎳靶，PVD軸瓦基體通上負(fù)偏壓-300 -1700V; PVD軸瓦基體電流0.5 2A;鎳靶負(fù)偏壓-200 -620V;鎳靶電流0.3 1A;處 理時(shí)間3 40分鐘；最后第一擴(kuò)散層各組分重量百分比如下Cu 0 5%;CuPb 2 5%; CuPbSn 5 10%; CuPbSn 5 10%; CuNi 10 30 %; CuPbSnNi 3 15%; CuPbNi余量；所述第一擴(kuò)散層厚度為0.05 lum;滿足 上述工藝參數(shù)濺射的第一擴(kuò)散層與基體內(nèi)襯里形成金屬健結(jié)構(gòu)和機(jī)械互鎖結(jié) 構(gòu)，提高了鎳柵濺射層與基體之間附著強(qiáng)度；所述磁控濺射第二擴(kuò)散層的工藝 為，覆蓋有鎳柵層(Ni)的PVD軸瓦基體在抽真空的濺射艙內(nèi)，參與互濺的鎳 柵層為Ni，采用采用純度為99.2%的鋁錫銅合金靶，采用采用純度為99.2%的鋁錫銅合金靶，(錫的重量百分含量16 24%;銅的重量百分含量0.6 1.5%;其余為鋁的重量百分含量)，PVD軸瓦基體負(fù)偏壓-200 -1600V; PVD軸瓦基體電流0.3 2A;鎳耙負(fù)偏壓-180 -600V;鎳耙電流0.2 1A;處理時(shí) 間2 30分鐘；最后第二擴(kuò)散層各組分重量百分比如下Ni0 3%; Ni3Al2 15%; NiAl 5 10Q%; Al3Ni2 10 30%; Al 10 20 %; NiAlSnCu 0 15°%; AlSnCu 10 25; AlSn余量。所述第二擴(kuò)散層厚度為0.05 lum。滿 足上述工藝參數(shù)濺射的第二擴(kuò)散層與鎳柵層形成金屬健結(jié)構(gòu)和機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)， 提高了鎳柵濺射層與濺射鋁合金減摩層之間附著強(qiáng)度。本發(fā)明通過在濺射層與 基體以及濺射層與濺射層之間增加磁控濺射擴(kuò)散層，通過擴(kuò)散層的金屬健結(jié)構(gòu)和機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，提高濺射層與基體以及濺射層與濺射層之間附著強(qiáng)度。作為優(yōu)選例，上述磁控濺射第一擴(kuò)散層和第二擴(kuò)散層，濺射艙內(nèi)溫度為50 98°C;工作氣體氬氣分壓為0.4 1Pa。有益效果通過本發(fā)明制備的PVD軸瓦的減摩層呈現(xiàn)出緊密、均勻排列的柱狀晶形，并且該柱狀晶的軸線與基體基本垂直，這種具有柱狀晶減摩層的PVD 軸瓦，明顯地提高了其耐磨性和抗疲勞的強(qiáng)度；同時(shí)，本發(fā)明也可以通過在濺 射層與基體以及濺射層與濺射層之間增加磁控濺射擴(kuò)散層，通過擴(kuò)散層的金屬 健結(jié)構(gòu)和機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，提高濺射層與基體以及濺射層與濺射層之間附著強(qiáng)度。
圖1為經(jīng)本發(fā)明所述方法制備軸瓦的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1軸瓦膜層斷口微觀形貌的電子掃描顯微鏡圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例2軸瓦膜層斷口微觀形貌的電子掃描顯微鏡圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1(1) 靶材制備鎳靶材采用純度為99.99%的鎳耙；鋁合金靶材用純錫、純銅及純鋁按重量 比為16%: 0.3%: 83.7%的比例配置，首先在電弧熔煉爐中熔煉成塊狀合金，然 后擠壓成形，隨爐冷卻至室溫后，加工成符合濺射儀要求的濺射靶材。(2) 軸瓦基底預(yù)處理軸瓦采用外徑112mm、厚度3.4mm的連桿瓦，首先將軸瓦進(jìn)行拋光處理， 然后放入處理槽中，經(jīng)化學(xué)除油、酸洗、電解除油及超聲波清洗，去除氧化層和油污，然后放入烘箱烘干，處理完成后放入放入濺射艙內(nèi)的夾具上。(3) 濺射制備PVD軸瓦① 濺射鎳柵層3用常規(guī)的工藝步驟及工藝參數(shù)濺射鎳柵層。② 濺射鋁合金減摩層6開始濺射鋁合金減摩層，工作氣體為氬氣，調(diào)節(jié)濺射艙的濺射氣壓為0.4Pa， 基體溫度為40°C，在濺射減摩層1小時(shí)后，調(diào)節(jié)基體的負(fù)偏壓為-100V，靶體 的負(fù)偏壓控制在-300 -600 V之間。用EV040型掃描電子顯微鏡(美國熱電公司制造)觀鵬層斷口的微觀形貌， 如圖2所示，濺射鋁合金減摩層呈現(xiàn)出更加細(xì)致、均勻的柱狀晶形，并且該柱 狀晶的軸線應(yīng)與基體基本垂直，這種結(jié)構(gòu)可以提高軸瓦的耐磨性和抗疲勞的強(qiáng) 度。(4) 后續(xù)處理濺射完成后，用真空存儲(chǔ)器存儲(chǔ)軸瓦，然后經(jīng)烘箱烘干后，檢測(cè)軸瓦的附 著強(qiáng)度，然后經(jīng)精飾、浸油處理，最后塑封包裝。 實(shí)施例2(1) 靶材制備'鎳靶材采用純度為99.99%的鎳靶；鋁合金靶材用純錫、純銅及純鋁按重量 比為20%: 1.6%: 78.4%的比例配置，其他步驟與實(shí)施例l相同。(2) 軸瓦基底預(yù)處理首先將軸瓦進(jìn)行拋光處理，然后放入處理槽中，經(jīng)化學(xué)除油、酸洗、電解除油及超聲波清洗，去除氧化層和油污，然后放入烘箱烘干，處理完成后放入 放入濺射艙內(nèi)的夾具上。(3)濺射制備PVD軸瓦 ①濺射第一擴(kuò)散層3在實(shí)施例1濺射鎳柵層之前，增加濺射擴(kuò)散層步驟，以提高鎳柵層與基體 的附著強(qiáng)度，軸瓦基體參與互濺的基體襯里層1為CuPbSn，基體溫度為5(TC， 濺射氣壓為0.4Pa， PVD軸瓦基體負(fù)偏壓為-1700V; PVD軸瓦基體電流為2A; 鎳靶負(fù)偏壓為-200V;鎳革E電流為0.3A;處理時(shí)間為8分鐘；最后第一擴(kuò)散層3 各組分重量百分比如下CuPb 2%; CuPbSn 10%; CuPbSn 5%; CuNi 30 %; CuPbSnNi 3%; CuPbNi 余量，第一擴(kuò)散層3厚度0.05um。② 濺射鎳柵層4 該步驟與實(shí)施例l相同。③ 濺射第二擴(kuò)散層5為了增加鎳柵層與鋁合金減摩層之間的附著強(qiáng)度，在實(shí)施例1濺射鋁合金 減摩層(AlSnCu)之前先磁控濺射增設(shè)第二擴(kuò)散層，覆蓋有鎳柵層(Ni) 4的 PVD軸瓦基體在抽真空的濺射艙內(nèi)，參與互濺的鎳柵層4為Ni，采用采用純度 為99.2%的鋁錫銅合金靶，采用純度為99.2%的鋁錫銅合金靶，該鋁錫銅合金中錫的重量百分含量24%;銅的重量百分含量0.6%;其余為鋁的重量百分含量，基體溫度為50°C，濺射氣壓為0.4Pa， PVD軸瓦基體負(fù)偏壓為-200V; PVD軸 瓦基體電流為0.3A;鎳耙負(fù)偏壓為-180V;鎳耙電流為0.2A;處理時(shí)間為6分鐘；最后第二擴(kuò)散層5各組分重量百分比如下Ni3%; Ni3Al15%; NiAl5%; Al3Ni2 30%; Al 10 %; AlSnCu 10; AlSn 余量，第二擴(kuò)散層5厚 度0.05um。 ， 濺射鋁合金減摩層6開始濺射鋁合金減摩層，工作氣體為氬氣，調(diào)節(jié)濺射艙的濺射氣壓為a8Pa， 基體溫度為99"C，在濺射減摩層1.5小時(shí)后，調(diào)節(jié)基體的負(fù)偏壓為-500V，其它 條件與實(shí)施例l相同。用EVO40型掃描電子顯微鏡(美國熱電公司制造)測(cè)膜層斷口的微觀形貌， 如圖3所示，濺射鋁合金減摩層呈現(xiàn)出更加細(xì)致、均勻的柱狀晶形，并且該柱 狀晶的軸線應(yīng)與基體基本垂直，這種結(jié)構(gòu)可以提高軸瓦的耐磨性和抗疲勞的強(qiáng) 度。(4)后續(xù)處理 該步驟與實(shí)施例l相同。 實(shí)施例3(1) 靶材制備鎳靶材采用純度為99.99%的鎳耙；鋁合金耙材用純錫、純銅及純鋁按重量 比為25%: 3%: 72%的比例配置，其他步驟與實(shí)施例l相同。(2) 軸瓦基底預(yù)處理首先將軸瓦進(jìn)行拋光處理，然后放入處理槽中，經(jīng)化學(xué)除油、酸洗、電解 除油及超聲波清洗，去除氧化層和油污，然后放入烘箱烘干，處理完成后放入 放入濺射艙內(nèi)的夾具上。(3) 濺射制備PVD軸瓦①濺射第一擴(kuò)散層3 工藝及設(shè)備與實(shí)施例1相同，所不同的是所述磁控濺射第一擴(kuò)散層3的工藝條件基體溫度為98°C，濺射氣壓為1Pa， PVD軸瓦基體負(fù)偏壓為-300V;PVD軸瓦基體電流為0.5A;鎳靶負(fù)偏壓為-620V;鎳靶電流為1A;處理時(shí)間 40分鐘；最后第一擴(kuò)散層3各組分重量百分比如下Cu5%; CllPb 5%;CuPbSn 5%; CuPbSn 10%; CuNi 10 %; CuPbSnNi 15%; CuPbNi 余 量；第一擴(kuò)散層3厚度0.5um。② 濺射鎳柵層4 該步驟與實(shí)施例l相同。③ 濺射第二擴(kuò)散層5工藝與設(shè)備與實(shí)施例1相同，所不同的是所述磁控濺射第二擴(kuò)散層5的工 藝條件為采用純度為99.2%的鋁錫銅合金耙，(錫的重量百分含量16%;銅 的重量百分含量1.5%;其余為鋁的重量百分含量)，基體溫度為98。C，濺射氣 壓為lPa， PVD軸瓦基體負(fù)偏壓-1600V; PVD軸瓦基體電流2A;鎳耙負(fù)偏 壓-600V;鎳靶電流0.1A;處理時(shí)間2分鐘；最后第二擴(kuò)散層5各組分重量百分比如下Ni3Al 2%;NiAl 10%;Al3Ni2 10%; Al 20 %; NiAlSnCu 15%; AlSnCu 25%; AlSn余量，第二擴(kuò)散層3厚度0.5um。 濺射鋁合金減摩層6開始濺射鋁合金減摩層，工作氣體為氬氣，調(diào)節(jié)濺射艙的濺射氣壓為1.2Pa， 基體溫度為120'C，在濺射減摩層2小時(shí)后，調(diào)節(jié)基體的負(fù)偏壓為一1000V，其 它條件與實(shí)施例1相同。用EV040型掃描電子顯微鏡(美國熱電公司制造)測(cè)膜層斷口的微觀形貌， 呈現(xiàn)出更加細(xì)致、均勻的柱狀晶形，并且該柱狀晶的軸線應(yīng)與基體基本垂直。 (4)后續(xù)處理該步驟與實(shí)施例1相同。以上僅對(duì)與本發(fā)明發(fā)明點(diǎn)相關(guān)的工藝步驟及工藝參數(shù)加以介紹，對(duì)于常規(guī) 工藝步驟如濺前處理、濺射鎳柵層及后續(xù)處理等都是現(xiàn)有一般常規(guī)技術(shù)，所有 整個(gè)制造加工設(shè)備都是現(xiàn)有的設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種制備柱狀晶緊密排列PVD軸瓦的方法，包括以下工藝步驟將預(yù)處理過的軸瓦裝入濺射艙，放入鎳靶材和鋁合金靶材，抽真空，在軸瓦的內(nèi)表面濺射鎳柵層(4)，然后濺射鋁合金減摩層(6)，以及后續(xù)處理，其特征在于所述濺射鋁合金減摩層(6)的工藝條件如下先制備鋁合金靶材，該鋁合金靶材中純錫、純銅及純鋁的重量百分比為16％～25％∶0.3％～3％∶83.7％～72％；再濺射鋁合金減摩層(6)，工作氣體為氬氣，調(diào)節(jié)濺射艙的濺射氣壓為0.4～1.2Pa，基體溫度為40～120℃，在濺射減摩層1～2小時(shí)后，調(diào)整基體的負(fù)偏壓為-100～-1000V。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備柱狀晶緊密排列PVD軸瓦的方法，其特征 在于所述濺射艙抽真空后，在所述濺射鎳柵層(4)之前先磁控濺射第一擴(kuò)散 層(3);所述濺射鎳柵層(4)之后，濺射鋁合金減摩層(6)之前先磁控濺射 第二擴(kuò)散層(5);所述磁控濺射第一擴(kuò)散層(3)的工藝條件PVD軸瓦基體在 抽真空的濺射艙內(nèi)，參與互濺的基體襯里層(1)為CuPbSn，采用純度為99.99% 的鎳靶，對(duì)PVD軸瓦基體通電，PVD軸瓦基體負(fù)偏壓為-300 -1700V; PVD軸瓦 基體電流為0.5 2A;對(duì)鎳靶通電，鎳靶通負(fù)偏壓為-200 -620V;鎳靶電流為 0.3 1A;基體襯里層(1)與鎳耙互濺處理時(shí)間為3 40分鐘；最后第一擴(kuò)散 層(3)各組分重量百分比如下Cu 0 5%; CuPb 2 5%; CuPbSn 5 10 %; CuM 10 30 %; CuPbSnNi 3 15%; CuPbNi 余量；所述磁控濺射第 二擴(kuò)散層(5)的工藝條件覆蓋有鎳柵層(4)的PVD軸瓦基體在抽真空的濺 射艙內(nèi)，參與互濺的鎳柵層(4)為Ni，采用純度為99.2%的鋁錫銅合金靶，該鋁錫銅合金中錫的重量百分含量16 24%;銅的重量百分含量0. 6 1. 5%，其余為鋁的重量百分含量，對(duì)PVD軸瓦基體通電，PVD軸瓦基體負(fù)偏壓_150 -1600V; PVD軸瓦基體電流為O. 3 2A;對(duì)鋁錫銅合金靶通電，鋁錫銅合金靶負(fù) 偏壓-150 -600V;鋁錫銅合金耙電流0.2 1A;鎳柵層(4)與鋁錫銅合金 靶互濺處理時(shí)間2 30分鐘；最后第二擴(kuò)散層(5)各組分重量百分比如下Ni 0 3%; Ni3Al 2 15%; NiAl 5 10%; Al3Ni2 10 30%; Al 10 20 NiAlSnCu 0 15%; AlSnCu 10 25%; AlSn 余量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備柱狀晶緊密排列PVD軸瓦的方法，其特征 在于所述磁控濺射第一擴(kuò)散層(3)和第二擴(kuò)散層(5)的步驟中，濺射艙內(nèi) 溫度為50 98。C;工作氣體氬氣分壓為0.4 lPa。
全文摘要
一種制備柱狀晶緊密排列PVD軸瓦的方法，本發(fā)明在軸瓦上濺射鎳柵層后，首先在真空熔爐中熔煉成塊狀合金，然后，擠壓成形，冷卻后，裝配成靶材；將鋁合金靶材和軸瓦基底裝入濺射艙，工作氣體為氬氣，將鋁合金靶材和軸瓦基底裝入濺射艙，工作氣體為氬氣，調(diào)節(jié)濺射艙的濺射氣壓為0.4～1.2Pa，基體溫度為40～120℃，在濺射減摩層1～2小時(shí)后，將其基體的伴隨負(fù)偏壓為-100～-1000V。用EVO40型掃描電子顯微鏡測(cè)膜層截面(或斷口)的微觀形貌，呈現(xiàn)出緊密、均勻排列的柱狀晶形，并且該柱狀晶的軸線應(yīng)與基體基本垂直，這種具有柱狀晶減摩層的PVD軸瓦，明顯地提高了其耐磨性和抗疲勞的強(qiáng)度。
文檔編號(hào)C23C14/35GK101215687SQ20071009321
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者冀慶康, 吳文俊, 張永紅 申請(qǐng)人:重慶躍進(jìn)機(jī)械廠