专利名称：制备柱状晶紧密排列pvd轴瓦的方法
技术领域：
本发明涉及轴瓦的一种磁控溅射镀膜方法，用磁控溅射的方法在轴瓦的内 表面上生成镍栅层和铝合金减摩层，这种轴瓦主要用于高负荷条件下的发动机， 如高端的船用柴油发动机、高级轿车发动机及航空发动机。
技术背景轴瓦是柴油机心脏的关键运动部件，又是基础部件和消耗部件，轴瓦在使 用中失效，将直接导致主机气缸变形或破裂等严重后果。近年来，各种主机的发展速度很快，负荷和比压明显提高，这就对轴承元 件例如滑动轴承提出更严格的要求。单层滑动轴承由于在高转速时变薄而不再 能满足这些要求，从而滑动轴承工业更多地转向多层滑动轴承。多层滑动轴承 通常包括一钢支承层(通常为镍栅层)，在其上通过滚压、电镀或阴极喷镀涂覆 一个或多个其他的减摩层，例如具有锡成分的铝合金层，或滑动漆层。通过减 摩层， 一方面应该能够达到改善热力学的较高的点火压力，并从而导致能耗的 减少或废气量减至最少；另一方面减摩层可以导致轴瓦重量的降低，进而减轻 发动机的重量，满足了目前对轻型发动机的需求。目前，通常采用阴极溅射的工艺方法在轴瓦的内表面溅射镍栅层和铝合金 层，磁控溅射是在强电场、强磁场、高真空的溅射舱内通入少量惰性气体(氩 气)。电子在强电场、强磁场(磁场方向与电场方向成一定角度)的条件下受磁 场的洛仑兹力作用而进行螺旋加速运动并与氩原子碰撞。氩原子电离成正的氩离子(Ar+)和另一个电子。氩离子(Ar+)在电场作用下加速飞向溅射靶(阴极)， 使被溅材料离解成具有高速、高能的微粒飞溅出来凝聚在轴瓦的内表面形成溅 射膜层。然而，用扫描电子显微镜(SEM)检测以前PVD轴瓦的减摩层截面(或 断口)微观形貌显示，柱状粗大并且排列的均匀性不理想，这影响PVD轴瓦的 耐磨性能和抗疲劳的强度。 发明内容本发明的目的在于提供一种制备柱状晶紧密排列PVD轴瓦的方法，提高 轴瓦的耐磨性和抗疲劳强度。为实现上述目的，本发明主要在溅射铝合金减摩层时，通过控制基体温度、溅射气压及溅射伴随负偏压，在铝合金减摩层形成柱状晶。具体技术方案如下 将预处理过的轴瓦装入溅射舱，放入镍耙材和铝合金靶材，抽真空，在轴瓦的 内表面溅射镍栅层，然后溅射铝合金减摩层，以及后续处理，所述溅射铝合金 减摩层的工艺条件如下先制备铝合金靶材，该铝合金靶材中纯锡、纯铜及纯铝的重量百分比为16% 25%: 0.3% 3%: 83.7% 72%;再溅射铝合金减摩层， 工作气体为氩气，调节溅射舱的溅射气压为0.4 1.2Pa，基体温度为40 120°C， 在溅射减摩层1 2小时后，调整基体的负偏压为-100 -1000V。本发明根据铝合金靶材中锡、铜及铝的流动性、微观屏蔽性，通过控制基 体温度、溅射气压及基体的负偏压，在铝合金减摩层形成柱状晶。用EVO40型 扫描电子显微镜测膜层截面(或断口)的微观形貌，呈现出紧密、均匀排列的 柱状晶形，并且该柱状晶的轴线应与基体基本垂直(见附图1)，这种具有柱状 晶减摩层的PVD轴瓦，明显地提高了其耐磨性和抗疲劳的强度。为了提高镍栅层与基体以及镍栅层与铝合金减摩层之间附着强度，本发明也可以在溅射镍栅层(Ni)之前先磁控溅射增设第一扩散层；在所述溅射镍栅 层(Ni)之后，溅射铝合金减摩层(AlSnCu)之前先磁控溅射增设第二扩散层； 所述磁控溅射第一扩散层的工艺条件为，PVD轴瓦基体在抽真空的溅射舱内， 参与互溅的基体衬里层为CuPbSn合金其中Pb2 30% Sn 1 10% Cu为余 量，采用纯度为99.99%的镍靶，PVD轴瓦基体通上负偏压-300 -1700V; PVD轴瓦基体电流0.5 2A;镍靶负偏压-200 -620V;镍靶电流0.3 1A;处 理时间3 40分钟；最后第一扩散层各组分重量百分比如下Cu 0 5%;CuPb 2 5%; CuPbSn 5 10%; CuPbSn 5 10%; CuNi 10 30 %; CuPbSnNi 3 15%; CuPbNi余量；所述第一扩散层厚度为0.05 lum;满足 上述工艺参数溅射的第一扩散层与基体内衬里形成金属健结构和机械互锁结 构，提高了镍栅溅射层与基体之间附着强度；所述磁控溅射第二扩散层的工艺 为，覆盖有镍栅层(Ni)的PVD轴瓦基体在抽真空的溅射舱内，参与互溅的镍 栅层为Ni，采用采用纯度为99.2%的铝锡铜合金靶，采用采用纯度为99.2%的铝锡铜合金靶，(锡的重量百分含量16 24%;铜的重量百分含量0.6 1.5%;其余为铝的重量百分含量)，PVD轴瓦基体负偏压-200 -1600V; PVD轴瓦基体电流0.3 2A;镍耙负偏压-180 -600V;镍耙电流0.2 1A;处理时 间2 30分钟；最后第二扩散层各组分重量百分比如下Ni0 3%; Ni3Al2 15%; NiAl 5 10Q%; Al3Ni2 10 30%; Al 10 20 %; NiAlSnCu 0 15°%; AlSnCu 10 25; AlSn余量。所述第二扩散层厚度为0.05 lum。满 足上述工艺参数溅射的第二扩散层与镍栅层形成金属健结构和机械互锁结构， 提高了镍栅溅射层与溅射铝合金减摩层之间附着强度。本发明通过在溅射层与 基体以及溅射层与溅射层之间增加磁控溅射扩散层，通过扩散层的金属健结构和机械互锁结构，提高溅射层与基体以及溅射层与溅射层之间附着强度。作为优选例，上述磁控溅射第一扩散层和第二扩散层，溅射舱内温度为50 98°C;工作气体氩气分压为0.4 1Pa。有益效果通过本发明制备的PVD轴瓦的减摩层呈现出紧密、均匀排列的柱状晶形，并且该柱状晶的轴线与基体基本垂直，这种具有柱状晶减摩层的PVD 轴瓦，明显地提高了其耐磨性和抗疲劳的强度；同时，本发明也可以通过在溅 射层与基体以及溅射层与溅射层之间增加磁控溅射扩散层，通过扩散层的金属 健结构和机械互锁结构，提高溅射层与基体以及溅射层与溅射层之间附着强度。
图1为经本发明所述方法制备轴瓦的结构示意图；图2为本发明实施例1轴瓦膜层断口微观形貌的电子扫描显微镜图； 图3为本发明实施例2轴瓦膜层断口微观形貌的电子扫描显微镜图。
具体实施方式
实施例1(1) 靶材制备镍靶材采用纯度为99.99%的镍耙；铝合金靶材用纯锡、纯铜及纯铝按重量 比为16%: 0.3%: 83.7%的比例配置，首先在电弧熔炼炉中熔炼成块状合金，然 后挤压成形，随炉冷却至室温后，加工成符合溅射仪要求的溅射靶材。(2) 轴瓦基底预处理轴瓦采用外径112mm、厚度3.4mm的连杆瓦，首先将轴瓦进行抛光处理， 然后放入处理槽中，经化学除油、酸洗、电解除油及超声波清洗，去除氧化层和油污，然后放入烘箱烘干，处理完成后放入放入溅射舱内的夹具上。(3) 溅射制备PVD轴瓦① 溅射镍栅层3用常规的工艺步骤及工艺参数溅射镍栅层。② 溅射铝合金减摩层6开始溅射铝合金减摩层，工作气体为氩气，调节溅射舱的溅射气压为0.4Pa， 基体温度为40°C，在溅射减摩层1小时后，调节基体的负偏压为-100V，靶体 的负偏压控制在-300 -600 V之间。用EV040型扫描电子显微镜(美国热电公司制造)观鹏层断口的微观形貌， 如图2所示，溅射铝合金减摩层呈现出更加细致、均匀的柱状晶形，并且该柱 状晶的轴线应与基体基本垂直，这种结构可以提高轴瓦的耐磨性和抗疲劳的强 度。(4) 后续处理溅射完成后，用真空存储器存储轴瓦，然后经烘箱烘干后，检测轴瓦的附 着强度，然后经精饰、浸油处理，最后塑封包装。 实施例2(1) 靶材制备'镍靶材采用纯度为99.99%的镍靶；铝合金靶材用纯锡、纯铜及纯铝按重量 比为20%: 1.6%: 78.4%的比例配置，其他步骤与实施例l相同。(2) 轴瓦基底预处理首先将轴瓦进行抛光处理，然后放入处理槽中，经化学除油、酸洗、电解除油及超声波清洗，去除氧化层和油污，然后放入烘箱烘干，处理完成后放入 放入溅射舱内的夹具上。(3)溅射制备PVD轴瓦 ①溅射第一扩散层3在实施例1溅射镍栅层之前，增加溅射扩散层步骤，以提高镍栅层与基体 的附着强度，轴瓦基体参与互溅的基体衬里层1为CuPbSn，基体温度为5(TC， 溅射气压为0.4Pa， PVD轴瓦基体负偏压为-1700V; PVD轴瓦基体电流为2A; 镍靶负偏压为-200V;镍革E电流为0.3A;处理时间为8分钟；最后第一扩散层3 各组分重量百分比如下CuPb 2%; CuPbSn 10%; CuPbSn 5%; CuNi 30 %; CuPbSnNi 3%; CuPbNi 余量，第一扩散层3厚度0.05um。② 溅射镍栅层4 该步骤与实施例l相同。③ 溅射第二扩散层5为了增加镍栅层与铝合金减摩层之间的附着强度，在实施例1溅射铝合金 减摩层(AlSnCu)之前先磁控溅射增设第二扩散层，覆盖有镍栅层(Ni) 4的 PVD轴瓦基体在抽真空的溅射舱内，参与互溅的镍栅层4为Ni，采用采用纯度 为99.2%的铝锡铜合金靶，采用纯度为99.2%的铝锡铜合金靶，该铝锡铜合金中锡的重量百分含量24%;铜的重量百分含量0.6%;其余为铝的重量百分含量，基体温度为50°C，溅射气压为0.4Pa， PVD轴瓦基体负偏压为-200V; PVD轴 瓦基体电流为0.3A;镍耙负偏压为-180V;镍耙电流为0.2A;处理时间为6分钟；最后第二扩散层5各组分重量百分比如下Ni3%; Ni3Al15%; NiAl5%; Al3Ni2 30%; Al 10 %; AlSnCu 10; AlSn 余量，第二扩散层5厚 度0.05um。 ， 溅射铝合金减摩层6开始溅射铝合金减摩层，工作气体为氩气，调节溅射舱的溅射气压为a8Pa， 基体温度为99"C，在溅射减摩层1.5小时后，调节基体的负偏压为-500V，其它 条件与实施例l相同。用EVO40型扫描电子显微镜(美国热电公司制造)测膜层断口的微观形貌， 如图3所示，溅射铝合金减摩层呈现出更加细致、均匀的柱状晶形，并且该柱 状晶的轴线应与基体基本垂直，这种结构可以提高轴瓦的耐磨性和抗疲劳的强 度。(4)后续处理 该步骤与实施例l相同。 实施例3(1) 靶材制备镍靶材采用纯度为99.99%的镍耙；铝合金耙材用纯锡、纯铜及纯铝按重量 比为25%: 3%: 72%的比例配置，其他步骤与实施例l相同。(2) 轴瓦基底预处理首先将轴瓦进行抛光处理，然后放入处理槽中，经化学除油、酸洗、电解 除油及超声波清洗，去除氧化层和油污，然后放入烘箱烘干，处理完成后放入 放入溅射舱内的夹具上。(3) 溅射制备PVD轴瓦①溅射第一扩散层3 工艺及设备与实施例1相同，所不同的是所述磁控溅射第一扩散层3的工艺条件基体温度为98°C，溅射气压为1Pa， PVD轴瓦基体负偏压为-300V;PVD轴瓦基体电流为0.5A;镍靶负偏压为-620V;镍靶电流为1A;处理时间 40分钟；最后第一扩散层3各组分重量百分比如下Cu5%; CllPb 5%;CuPbSn 5%; CuPbSn 10%; CuNi 10 %; CuPbSnNi 15%; CuPbNi 余 量；第一扩散层3厚度0.5um。② 溅射镍栅层4 该步骤与实施例l相同。③ 溅射第二扩散层5工艺与设备与实施例1相同，所不同的是所述磁控溅射第二扩散层5的工 艺条件为采用纯度为99.2%的铝锡铜合金耙，(锡的重量百分含量16%;铜 的重量百分含量1.5%;其余为铝的重量百分含量)，基体温度为98。C，溅射气 压为lPa， PVD轴瓦基体负偏压-1600V; PVD轴瓦基体电流2A;镍耙负偏 压-600V;镍靶电流0.1A;处理时间2分钟；最后第二扩散层5各组分重量百分比如下Ni3Al 2%;NiAl 10%;Al3Ni2 10%; Al 20 %; NiAlSnCu 15%; AlSnCu 25%; AlSn余量，第二扩散层3厚度0.5um。 溅射铝合金减摩层6开始溅射铝合金减摩层，工作气体为氩气，调节溅射舱的溅射气压为1.2Pa， 基体温度为120'C，在溅射减摩层2小时后，调节基体的负偏压为一1000V，其 它条件与实施例1相同。用EV040型扫描电子显微镜(美国热电公司制造)测膜层断口的微观形貌， 呈现出更加细致、均匀的柱状晶形，并且该柱状晶的轴线应与基体基本垂直。 (4)后续处理该步骤与实施例1相同。以上仅对与本发明发明点相关的工艺步骤及工艺参数加以介绍，对于常规 工艺步骤如溅前处理、溅射镍栅层及后续处理等都是现有一般常规技术，所有 整个制造加工设备都是现有的设备。
权利要求
1.一种制备柱状晶紧密排列PVD轴瓦的方法，包括以下工艺步骤将预处理过的轴瓦装入溅射舱，放入镍靶材和铝合金靶材，抽真空，在轴瓦的内表面溅射镍栅层(4)，然后溅射铝合金减摩层(6)，以及后续处理，其特征在于所述溅射铝合金减摩层(6)的工艺条件如下先制备铝合金靶材，该铝合金靶材中纯锡、纯铜及纯铝的重量百分比为16％～25％∶0.3％～3％∶83.7％～72％；再溅射铝合金减摩层(6)，工作气体为氩气，调节溅射舱的溅射气压为0.4～1.2Pa，基体温度为40～120℃，在溅射减摩层1～2小时后，调整基体的负偏压为-100～-1000V。
2. 根据权利要求1所述的制备柱状晶紧密排列PVD轴瓦的方法，其特征 在于所述溅射舱抽真空后，在所述溅射镍栅层(4)之前先磁控溅射第一扩散 层(3);所述溅射镍栅层(4)之后，溅射铝合金减摩层(6)之前先磁控溅射 第二扩散层(5);所述磁控溅射第一扩散层(3)的工艺条件PVD轴瓦基体在 抽真空的溅射舱内，参与互溅的基体衬里层(1)为CuPbSn，采用纯度为99.99% 的镍靶，对PVD轴瓦基体通电，PVD轴瓦基体负偏压为-300 -1700V; PVD轴瓦 基体电流为0.5 2A;对镍靶通电，镍靶通负偏压为-200 -620V;镍靶电流为 0.3 1A;基体衬里层(1)与镍耙互溅处理时间为3 40分钟；最后第一扩散 层(3)各组分重量百分比如下Cu 0 5%; CuPb 2 5%; CuPbSn 5 10 %; CuM 10 30 %; CuPbSnNi 3 15%; CuPbNi 余量；所述磁控溅射第 二扩散层(5)的工艺条件覆盖有镍栅层(4)的PVD轴瓦基体在抽真空的溅 射舱内，参与互溅的镍栅层(4)为Ni，采用纯度为99.2%的铝锡铜合金靶，该铝锡铜合金中锡的重量百分含量16 24%;铜的重量百分含量0. 6 1. 5%，其余为铝的重量百分含量，对PVD轴瓦基体通电，PVD轴瓦基体负偏压_150 -1600V; PVD轴瓦基体电流为O. 3 2A;对铝锡铜合金靶通电，铝锡铜合金靶负 偏压-150 -600V;铝锡铜合金耙电流0.2 1A;镍栅层(4)与铝锡铜合金 靶互溅处理时间2 30分钟；最后第二扩散层(5)各组分重量百分比如下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.根据权利要求2所述的制备柱状晶紧密排列PVD轴瓦的方法，其特征 在于所述磁控溅射第一扩散层(3)和第二扩散层(5)的步骤中，溅射舱内 温度为50 98。C;工作气体氩气分压为0.4 lPa。
全文摘要
一种制备柱状晶紧密排列PVD轴瓦的方法，本发明在轴瓦上溅射镍栅层后，首先在真空熔炉中熔炼成块状合金，然后，挤压成形，冷却后，装配成靶材；将铝合金靶材和轴瓦基底装入溅射舱，工作气体为氩气，将铝合金靶材和轴瓦基底装入溅射舱，工作气体为氩气，调节溅射舱的溅射气压为0.4～1.2Pa，基体温度为40～120℃，在溅射减摩层1～2小时后，将其基体的伴随负偏压为-100～-1000V。用EVO40型扫描电子显微镜测膜层截面(或断口)的微观形貌，呈现出紧密、均匀排列的柱状晶形，并且该柱状晶的轴线应与基体基本垂直，这种具有柱状晶减摩层的PVD轴瓦，明显地提高了其耐磨性和抗疲劳的强度。
文档编号C23C14/35GK101215687SQ20071009321
公开日2008年7月9日 申请日期2007年12月27日 优先权日2007年12月27日
发明者冀庆康, 吴文俊, 张永红 申请人:重庆跃进机械厂