一種在活塞環(huán)表面快速沉積dlc膜層的設備及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備及方法，該設備包括：離子注入系統(tǒng)，用于縱向均勻注入離子流；真空室，其一端與離子注入系統(tǒng)密封連接，另一端密封連接有寬束磁過濾沉積系統(tǒng)的一端，寬束磁過濾沉積系統(tǒng)的另一端設置有FCVA沉積陰極；工裝系統(tǒng)，用于實現(xiàn)活塞環(huán)工裝圓筒的自轉；智能控制裝置，用于對離子注入和膜層沉積的過程進行控制，并用于顯示測量結果，以及用于進行數(shù)據(jù)的初步處理。因此，通過實施本發(fā)明能夠實現(xiàn)大批量、均勻地在活塞環(huán)表面鍍上具有高硬度和低摩擦系數(shù)的DLC膜。
【專利說明】
一種在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備及方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及核科學技術與應用領域，特別涉及一種在活塞環(huán)表面鍍DLC(高性能類金剛石，Diamond-1 ike Carbon)膜的系統(tǒng)?！颈尘凹夹g】
[0002]—般情況下，由于發(fā)動機活塞環(huán)的特殊工作環(huán)境，要求其摩擦系數(shù)較低，且硬度較高?，F(xiàn)有的活塞環(huán)涂層主要為氮化鉻超厚涂層，但這種超厚涂層的主要缺點是摩擦系數(shù)較大。
[0003]隨著人們對環(huán)境重視程度的提高，對活塞環(huán)燃燒效率以及熱轉換效率也提出更高的要求，研究發(fā)現(xiàn)DLC膜層能夠很好的滿足現(xiàn)在的高硬度、低摩擦系數(shù)的要求，目前主要是利用化學氣相沉積(CVD，Chemical Vapor Deposit1n)技術沉積DLC膜層，但本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)這種采用CVD技術沉積DLC膜層的方法存在以下問題:
[0004]1 )DLC膜層沉積速率相對較慢，對于工業(yè)化生產而言相對時間成本較高；
[0005]2)DLC膜層內部壓應力較大，很難實現(xiàn)超厚膜層的制備，同時DLC膜層和活塞環(huán)結合力相對較差不能滿足實際工業(yè)應用的要求；
[0006]3)現(xiàn)有活塞環(huán)壽命難以達到在發(fā)動機內正常運行3000小時或以上。
[0007]因此，亟需對發(fā)動機活塞環(huán)的膜層厚度以及摩擦系數(shù)進行改進，但采用現(xiàn)有的設備或技術又很難實現(xiàn)。
【發(fā)明內容】

[0008]有鑒于此，本發(fā)明提出一種在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的方法及設備，能夠實現(xiàn)大批量、均勻地在活塞環(huán)表面鍍上具有高硬度和低摩擦系數(shù)的DLC膜。[〇〇〇9]為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的:
[0010] 一方面，本發(fā)明提出一種在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，該設備包括: [〇〇11] 離子注入系統(tǒng)，包括金屬蒸汽離子源(MEVVA)陰極和MEVVA離子源加速電極，用于縱向均勻注入離子流，在活塞環(huán)拋光后的基底上形成釘扎層；
[0012]真空室，其一端與所述離子注入系統(tǒng)密封連接，另一端密封連接有寬束磁過濾沉積系統(tǒng)的一端，所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)的另一端設置有FCVA沉積陰極，用于在所述釘扎層上沉積出金屬過渡膜層和DLC膜層;所述真空室的底部靠近所述離子注入系統(tǒng)的一側設置有真空室抽氣口；所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)正對著所述離子注入系統(tǒng)設置，所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)的外周布置有寬束磁場，所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)的管壁上開設有電離氣體進氣閥；
[0013]工裝系統(tǒng)，包括位于所述真空室內的活塞環(huán)工裝圓筒和用于使所述活塞環(huán)工裝圓筒自轉的旋轉電機；
[0014]智能控制裝置，用于控制所述離子注入系統(tǒng)、所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)以及所述工裝系統(tǒng)，對離子注入和膜層沉積的過程進行控制，并用于顯示測量結果，以及用于進行數(shù)據(jù)的初步處理。
[0015]作為一種可選的實施方案，上述在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，還包括: 加熱系統(tǒng)，位于所述真空室的上方，用于給整個真空室加熱，補償在活塞環(huán)上鍍膜時因旋轉造成的溫度損失。
[0016]可選的是，在上述實施方案中，所述加熱系統(tǒng)用于維持鍍膜過程中溫度穩(wěn)定在 280-380攝氏度;和/或，所述真空室與所述離子注入系統(tǒng)通過螺桿連接，采用密封圈密封； 所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)與所述真空室通過螺桿連接固定，并采用密封圈密封。[〇〇17]可選的是，在上述實施方案中，所述智能控制裝置包括:
[0018]控制模塊，包括真空操作子模塊、弧源沉積控制子模塊和離子注入控制子模塊，其中，所述真空操作子模塊的控制界面上設置有加熱開關、真空室溫度設定單元、冷卻水溫度設定單元、左/右進氣閥門進氣量設定單元；
[0019]顯示模塊，用于顯示所述控制模塊的操作界面和測量結果；
[0020]數(shù)據(jù)處理模塊，用于對獲得的測量數(shù)據(jù)進行初步處理。
[0021]可選的是，在上述實施方案中，所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)為寬束矩形彎管，所述寬束的尺寸為(300?500) X (150?300)mm2;和/或，所述進氣閥的位置距所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)的出口距離在50?100mm。
[0022]可選的是，在上述實施方案中，所述活塞環(huán)工裝圓筒的數(shù)量至少為一個，所述活塞環(huán)工裝圓筒的高度范圍為400?800mm;所述活塞環(huán)工裝圓筒具有不同的型號，根據(jù)不同直徑的活塞環(huán)選擇不同直徑的活塞環(huán)工裝圓筒;和/或，所述活塞環(huán)工裝圓筒與所述基托通過卡箍固定連接，所述旋轉電機和所述真空室通過磁流體密封，所述真空室內基托通過定位銷釘固定在電機上，旋轉時通過平鍵傳動。[〇〇23] 可選的是，在上述實施方案中，所述MEVVA離子源陰極的直徑為20?40mm，出口直徑為200?450mm，束流強度在10?80mA;和/或，所述MEVVA離子源加速電極采用長條形束流通道，用于在縱向方向上拉長離子束流以實現(xiàn)均勻注入。[〇〇24]另一方面，本發(fā)明還提出一種在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的方法，采用上述任一種實施方案所述的在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，該方法包括:
[0025]1)釘扎層制備步驟:根據(jù)預設的實驗條件分別啟動離子注入系統(tǒng)和FCVA沉積設備，在拋光處理后的安裝于真空室中的活塞環(huán)基底上制備釘扎層；
[0026]2)金屬過渡膜層制備步驟:在真空室中，采用FCVA沉積設備，在所述釘扎層上，制備金屬過渡膜層；
[0027]3)DLC膜層制備步驟:在真空室中，打開進氣閥，通入乙炔氣體，在所述金屬過渡膜層之上沉積DLC膜層;DLC膜層的沉積厚度通過控制乙炔氣體的進入量及磁過濾管道線圈電流的大小進行控制。
[0028]可選的是，在上述實施方案中，所述釘扎層制備步驟進一步包括:
[0029](a)第一次注入:開啟加熱開關，設定加熱溫度;基材鋼樣固定設置于樣品臺，通過 MEVVA離子注入系統(tǒng)開始注入；
[0030]其中，注入離子源為純度99.9%的純Ti離子源，注入條件為:真空度1 X 1(T3?6 X 10—3Pa，注入弧壓:50?100V，高壓:6?40kV，弧流:10?40mA，注入劑量1X1015?1X1016/ cm2 ；[0031 ] (b)Ti沉積:啟動FCVA沉積系統(tǒng)，在第一次注入形成的膜層的基礎上進行沉積； [〇〇32] 其中，沉積弧源為純度99%的Ti弧源，沉積條件為:真空度IX 10-3?6X10-3Pa，沉積弧流:100?120A，磁場電流:2? 4?4? 4A，弧流:500?800mA，負偏壓:-100V?-300V，占空比50%?100%，沉積時間3?60秒；[〇〇33](c)第二次注入:再次啟動MEVVA離子注入系統(tǒng)，在形成的Ti沉積層上注入離子沉積層；[〇〇34] 其中，注入離子源為純度99.9%的純Ti離子源，注入條件為:真空度1 X 1(T3?6 X 10-3Pa，注入弧壓:60?80V，高壓:10?45kV，弧流:30?60mA，注入劑量1 X 1015?1 X 1016/ cm2。
[0035]可選的是，在上述實施方案中，所述金屬過渡膜層制備步驟進一步包括:[〇〇36] 在釘扎層202之上沉積Ti膜過渡層203,沉積條件為:沉積弧源為純度99 %的Ti弧源，真空度:1 X 10-3?6 X 10-3Pa，沉積弧流:100?120A，磁場電流:2.4?4.4A，弧流:500? 800mA，負偏壓:-150V?-350V，占空比50%?100%，沉積時間10?20分鐘。
[0037]可選的是，在上述實施方案中，所述DLC膜層制備步驟進一步包括:[〇〇38]打開左或右進氣閥門，通入C2H2，在金屬過渡膜層之上沉積DLC膜;其中，沉積條件為:沉積弧源為純度99%的Ti弧源，進氣量:150-300sccm，真空度:2X10—2?5X10—2Pa，沉積弧流:60?110A，磁場電流:2?3A，弧流:600?900mA，負偏壓:-150V?-350V，占空比10% ?50%，沉積時間200?400分鐘;可選制備過程中每30?60min，關閉乙炔進氣閥門，沉積釋放應力的金屬Ti層，沉積時間為3-6min，隨后恢復打開進氣閥門繼續(xù)沉積DLC膜層。[〇〇39]綜上，相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0040]1、本發(fā)明實施例提出基于離子束技術在活塞環(huán)上沉積超厚DLC膜方法和設備，通過對基材進行高能量的金屬元素注入，使基材亞表面原子與注入金屬形成金屬-基材原子混合的釘扎層結構，這樣形成的釘扎層結構與基底層乃至后續(xù)磁過濾沉積出的結構性膜層的結合力都非常好，從而使其抗剝離強度得以增強；[0041 ]2、相比磁控濺射、電子束蒸發(fā)等PVD與一般CVD沉積方法，本發(fā)明采用的磁過濾電弧沉積設備原子離化率非常高，大約在90 %以上。因此，由于本發(fā)明的原子離化率高，可使等離子體密度增加，成膜時大顆粒減少，有利于提高薄膜硬度、耐磨性、致密性、膜基結合力等；[〇〇42]3、本發(fā)明實例采用新型的利用弧光放電產生的高密度等離子作為乙炔氣體的電離源，在磁過濾管道內電離乙炔氣體，使乙炔的電離效率大大提高；相比于現(xiàn)有的CVD沉積厚膜DLC，本發(fā)明沉積厚DLC的沉積速率是現(xiàn)有方式的2-4倍。[〇〇43]4、相比于現(xiàn)有的沉積DLC方法，本發(fā)明沉積的厚DLC膜層內應力低，沉積的硬度高，在1800?3500HV;更具明顯優(yōu)勢的是本發(fā)明中DLC膜層的硬度可以通過乙炔的進氣量，磁過濾管道線圈電流大小精確調控。
[0044]5、本發(fā)明公開的沉積方法及設備使用的MEVVA離子注入系統(tǒng)，相比于普通的金屬離子注入系統(tǒng)而言，具有更大的束流強度以及更大的束斑面積。
[0045]6、本發(fā)明公開的在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的方法及設備專門開發(fā)了更加人性化的控制界面，易操作，對操作者的專業(yè)化水平沒有特別要求?！靖綀D說明】
[0046]構成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中:
[0047]圖1為本發(fā)明實施例提出的一種在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備組成結構示意圖；[〇〇48]圖2為本發(fā)明實施例中的DLC膜層的結構示意圖；
[0049]圖3為本發(fā)明實施例智能控制裝置的控制界面示意圖。
[0050]附圖標記說明[〇〇511100離子注入系統(tǒng)陰極[〇〇52]101加速電極
[0053]102真空室抽氣口[〇〇54]103旋轉電機
[0055]104工裝系統(tǒng)[〇〇56]105寬束磁場
[0057]106進氣閥
[0058]107 FCVA沉積陰極[〇〇59]108觸發(fā)線包[〇〇6〇] 109寬束磁過濾沉積系統(tǒng) [〇〇61 ]110加熱系統(tǒng)
[0062]201活塞環(huán)
[0063]202釘扎層[〇〇64]203金屬過渡膜層
[0065]204 DLC膜層[〇〇66]301加熱開關[〇〇67]302真空室溫度設定單元[〇〇68]303冷卻水溫度設定單元[〇〇69]304左/右進氣閥門進氣量設定單元[〇〇7〇] 305機械栗[〇〇71]306前級閥門
[0072]307旁抽閥門
[0073]308放氣閥門
[0074]309分子栗
[0075]310 高閥
[0076]311離子注入系統(tǒng)
[0077]312工裝系統(tǒng)[〇〇78]313寬束沉積系統(tǒng)
[0079]314真空室抽氣口【具體實施方式】
[0080]下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0081]需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0082]針對現(xiàn)有的活塞環(huán)硬度不夠，摩擦系數(shù)高以及壽命不足，難以批量生產等問題，本發(fā)明的發(fā)明人設計出一種在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，對發(fā)動機活塞環(huán)的膜層厚度以及摩擦系數(shù)進行了改進，使得活塞環(huán)的膜層厚度可達到30微米以上，而且可以通過控制乙炔的進氣量、寬束磁過濾沉積系統(tǒng)電流大小實現(xiàn)對膜層硬度從1500?3500HV的調控，這是其他設備或技術很難實現(xiàn)的。[〇〇83]下面結合附圖，對本發(fā)明的各優(yōu)選實施例作進一步說明:[〇〇84] 產品實施例[〇〇85]參照圖1所示，本實施例提出一種在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，該設備主要包括以下組成:離子注入系統(tǒng)、真空室、寬束磁過濾沉積系統(tǒng)l〇9、FCVA沉積陰極107、工裝系統(tǒng)104以及智能控制裝置，下面對這些組成部件做進一步說明，如下:
[0086]1)離子注入系統(tǒng)包括MEVVA離子源陰極100和MEVVA離子源加速電極101，寬束磁過濾沉積系統(tǒng)用于縱向均勻注入離子流。其中，“縱向”是指垂直于出射方向，縱向束流直徑可達500-800mm，所以處理活塞環(huán)高度方向(縱向)足夠高。[〇〇87]本實施例中，上述離子注入系統(tǒng)作為一種注入裝置，利用金屬蒸汽離子源即MEVVA 離子源，對基底層進行金屬離子注入形成釘扎層，從而提高膜基結合力。其中，Ti注入電壓為4?80kV，束流強度為1?80mA，注入劑量為1 X 1015?1 X 1016/cm2,注入深度為70?420nm， 束斑的直徑在400?800mm。
[0088]2)真空室的一端與離子注入系統(tǒng)密封連接，另一端密封連接有寬束磁過濾沉積系統(tǒng)109的一端，真空室的底部靠近離子注入系統(tǒng)的一側設置有真空室抽氣口 102。
[0089]作為一種可選的實施方式，真空室與離子注入系統(tǒng)可通過螺桿連接，可采用密封圈密封。寬束磁過濾沉積系統(tǒng)109可與真空室通過螺桿連接固定，也可采用密封圈密封。
[0090]3)寬束磁過濾沉積系統(tǒng)109正對著所述離子注入系統(tǒng)設置，寬束磁過濾沉積系統(tǒng) 109的另一端設置有FCVA沉積陰極107，寬束磁過濾沉積系統(tǒng)109的外周布置有寬束磁場 105，寬束磁過濾沉積系統(tǒng)109的管壁上開設有電離氣體進氣閥106，電離氣體進氣閥106可設置有左/右進氣閥門，各閥門配置有進氣量設定單元。其中，電離氣體可為乙炔C2H2。其中， 寬束磁過濾沉積系統(tǒng)109的另一端與FCVA沉積陰極107可以通過橡膠密封圈密封。
[0091]本實施例中，上述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)作為一種沉積裝置，利用磁過濾陰極真空弧FCVA系統(tǒng)，在金屬釘扎層上磁過濾沉積出金屬過渡膜層以及超厚類金剛石(DLC)膜層。作為一種可選的實施方式，金屬過渡膜層中，金屬元素可為Ti，厚度可為10?500nm;沉積裝置的過濾器為寬束過濾器，其尺寸可選用(300?500) X (150?300)mm2;磁過濾器線圈電流可為2.4?4.4A。
[0092]需要指出的是，本實例采用新型的利用弧光放電產生的高密度等離子作為乙炔氣體的電離源，在磁過濾管道內電離乙炔氣體，使乙炔的電離效率大大提高。因此，相比于現(xiàn)有的CVD沉積厚膜DLC，本實施例沉積厚DLC的沉積速率是現(xiàn)有方式的2-4倍。[〇〇93]相比于現(xiàn)有的沉積DLC方法，本實施例沉積的厚DLC膜層內應力低，沉積的硬度高， 在1800?3500HV，更具明顯優(yōu)勢的是本實施例中DLC膜層的硬度可以通過乙炔的進氣量，磁過濾管道線圈電流大小精確調控。
[0094]4)工裝系統(tǒng)104包括位于真空室內的活塞環(huán)工裝圓筒和旋轉電機103,活塞環(huán)工裝圓筒與旋轉電機103通過基托連接，活塞環(huán)工裝圓筒用于固定活塞環(huán)，基托設置于活塞環(huán)工裝圓筒底部，用于固定活塞環(huán)工裝圓筒，旋轉電機103與基托實現(xiàn)活塞環(huán)工裝圓筒的自轉。 [〇〇95]需要說明的是，活塞環(huán)的大批量鍍膜是通過工裝系統(tǒng)來實現(xiàn)的，上述實施例中，至少設置有一個以上的活塞環(huán)工裝圓筒，活塞環(huán)工裝圓筒的高度范圍為400?800mm，而單片活塞環(huán)的厚度為1?3mm，因此設備中單個工裝系統(tǒng)能夠實現(xiàn)100?800片活塞環(huán)的均勻鍍膜，通過添加工裝系統(tǒng)可以實現(xiàn)超大批量的活塞環(huán)表面鍍膜。
[0096]需要說明的是，上述實施例中，在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備還包括:智能控制裝置，用于控制離子注入系統(tǒng)、寬束磁過濾沉積系統(tǒng)109以及工裝系統(tǒng)104,對離子注入和膜層沉積的過程進行控制，并用于顯示測量結果，以及用于進行數(shù)據(jù)的初步處理。
[0097]作為一種可選的實施方案，上述智能控制裝置包括:控制模塊、顯示模塊及數(shù)據(jù)處理模塊。其中:
[0098]控制模塊包括真空操作子模塊、弧源沉積控制子模塊和離子注入控制子模塊，其中，真空操作子模塊的控制界面上設置有加熱開關301、真空室溫度設定單元302、冷卻水溫度設定單元303、左/右進氣閥門進氣量設定單元304。[〇〇99]顯示模塊用于顯示控制模塊的操作界面和測量結果。
[0100]數(shù)據(jù)處理模塊用于對獲得的測量數(shù)據(jù)進行初步處理，獲取用于進行自動控制的模擬電壓信號，用以自動調節(jié)如沉積束流、注入束流、以及沉積和注入時間。
[0101]其中，相關處理過程如下:計算機從PLC獲得的測量數(shù)據(jù)進行處理，處理過程包括: 在相關控制電路上串聯(lián)一小電阻，將大電流或者電壓信號變成串聯(lián)電阻兩端小的模擬電壓信號，此電壓信號乘以相應的比例系數(shù)即可得到電腦控制端的顯示數(shù)值。該智能控制端還具有功能如自動調節(jié)如沉積束流、注入束流、以及沉積時間。另外，調節(jié)沉積電流過程可簡述為:PLC讀取相關電壓信號，轉換成束流讀數(shù)，如若超出所需范圍，調節(jié)起弧電流以及偏轉彎管磁場電流，其中起弧電流的調節(jié)步長為5A，偏轉彎管磁場電流調節(jié)步長為0.2A。
[0102]可選的是，上述智能控制裝置采用的控制軟件是基于力控系統(tǒng)界面開發(fā)的針對活塞環(huán)表面鍍膜設備的軟件，整機的控制和測量由SIMATIC-1PC577C觸摸屏電腦帶西門子 S7200PLC系統(tǒng)完成。上述智能控制裝置可采用計算機作為系統(tǒng)的操作終端、測量顯示終端以及數(shù)據(jù)初步處理終端。分子栗電源的測控和真空計的真空值讀入、加熱器溫度顯示和設定、工作氣體流量的設定和顯示直接由計算機通過485接口實現(xiàn)，其余的操作和測量功能通過計算機給PLC命令，由PLC直接完成。PLC將測量的數(shù)據(jù)送計算機顯示、記錄和打印輸出。計算機從PLC獲得的測量數(shù)據(jù)進行處理，自動調節(jié)如沉積束流，例如:自動控制束流強度在 600-900mA，注入束流在10?80mA，以及沉積時間200?400分鐘。[〇1〇3]作為一種可選的實施方式，上述在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備還可包括:加熱系統(tǒng)110,位于真空室的上方，用于給整個真空室加熱，補償在活塞環(huán)上鍍膜時由于旋轉造成的溫度損失。
[0104]可選的是，加熱系統(tǒng)110用于維持鍍膜過程中的溫度穩(wěn)定在280?380攝氏度左右， 通過圖3中的真空室溫度設定裝置302。
[0105]需要說明的是，上述實施例通過在真空室內安裝加熱系統(tǒng)，來維持鍍膜過程中溫度穩(wěn)定在280?380攝氏度左右，該溫度下DLC膜層的表面粗糙度、應力以及膜基結合力都處于最佳狀態(tài)。這是因為，溫度高能夠使膜層沉積過程中應力的堆積實現(xiàn)釋放，但過高的溫度會使DLC膜層sp3鍵轉化成sp2鍵，即所謂的石墨化，硬度會減低。
[0106]下面基于上述各實施例，對在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備的各組成設備之間的一些可選的位置關系作進一步說明，在實際實施過程中，可采用下述位置關系中的任意一種或多種的組合，具體說明如下:
[0107]1)關于寬束磁過濾沉積系統(tǒng)[〇1〇8]寬束磁過濾沉積系統(tǒng)109可為寬束矩形彎管，寬束的尺寸可為(300?500) X (150 ?300)mm2〇
[0109]其中，寬束磁過濾沉積系統(tǒng)109與離子注入系統(tǒng)可成180度角，或者說，離子注入和沉積設備正對設置，這樣的位置關系有利于真空室的設計。
[0110]2)關于進氣閥
[0111]進氣閥106的位置距出口距離在50-100mm，在該位置進氣，氣體的離化效率高，同時進氣閥管道不易被鍍層顆粒污染。
[0112]3)關于活塞環(huán)工裝圓筒
[0113]活塞環(huán)工裝圓筒具有不同的型號，根據(jù)不同直徑的活塞環(huán)選擇不同直徑的活塞環(huán)工裝圓筒。
[0114]活塞環(huán)工裝圓筒與基托通過卡箍固定連接，旋轉電機103和真空室通過磁流體密封，真空室內基托通過定位銷釘固定在電機上，旋轉時通過平鍵傳動。
[0115]4)關于MEVVA離子源陰極
[0116]MEVVA離子源陰極100的陰極為20?40mm，出口直徑為200?450mm，束流強度在10 ~80mA〇
[0117]5)關于MEVVA離子源加速電極
[0118]MEVVA離子源加速電極101采用長條形束流通道，用于在縱向方向上拉長離子束流以實現(xiàn)均勻注入。
[0119]6)關于FCVA沉積陰極[〇12〇]過濾陰極真空電弧采用機械觸發(fā)方式，陰極尺寸為60?110mm，出口直徑為200? 300mm〇
[0121]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明各實施例具有如下優(yōu)點:
[0122]為提高DLC膜層與基材的結合力，本發(fā)明通過離子注入與等離子體沉積復合技術， 通過對基材進行高能量的金屬元素注入，使基材亞表面原子與注入金屬形成金屬_基材原子混合的釘扎層結構，這樣形成的釘扎層結構與基底層乃至后續(xù)磁過濾沉積出的結構性膜層的結合力都非常好，從而使其抗剝離強度得以增強。。此外，本發(fā)明實施例采用的磁過濾電弧沉積設備原子離化率非常高，大約在90%以上，因而由于原子離化率高，進而可使等離子體密度增加，成膜時大顆粒減少，有利于提高薄膜硬度、耐磨性、致密性、膜基結合力等。
[0123]另外，本發(fā)明實施例公開的在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的使用的MEVVA離子注入系統(tǒng)，相比于普通的金屬離子注入系統(tǒng)而言，具有更大的束流強度以及更大的束斑面積， 而且本發(fā)明實施例還專門開發(fā)了更加人性化的控制界面，易操作，對操作者的專業(yè)化水平沒有特別要求。
[0124] 方法實施例
[0125]基于上述任一種實施例，本實施例公開一種在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的方法，該方法采用上述任一實施例公開的在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，該方法包括以下處理工藝:
[0126]1)釘扎層202制備步驟:根據(jù)預設的實驗條件分別啟動離子注入系統(tǒng)和FCVA沉積設備，在拋光處理后的安裝于真空室中的活塞環(huán)基底201上制備釘扎層202;
[0127]2)金屬過渡膜層203制備步驟:在真空室中，采用FCVA沉積設備，在釘扎層202上， 制備金屬過渡膜層203;
[0128]3)DLC膜層204制備步驟:在真空室中，打開進氣閥106，通入乙炔氣體，在金屬過渡膜層203之上沉積DLC膜層204;DLC膜層的沉積厚度通過控制乙炔氣體的進入量及磁過濾管道線圈電流的大小進行控制。
[0129]為便于進一步理解上述方法流程，下面結合參照圖3所示的一實例，對在活塞環(huán)表面高效快速生長厚DLC膜層的工藝流程，說明如下:[〇130]1、準備步驟一一活塞環(huán)基底201拋光清洗及設備抽真空:
[0131] a)拋光:依次使用400號、1000號、1500號砂紙對? 25mm的基底101打磨，再使用金剛石拋光膏及拋光絨布對磨平后的基底拋光處理。
[0132] b)清洗:使用酒精和丙酮對基底超聲清洗。
[0133]c)抽真空:打開旁抽閥307,開啟分子栗309和機械栗305;利用機械栗對真空室進行預抽，當真空低于l〇Pa時，關閉旁抽閥307同時開啟前級閥306和高閥310,工作過程中保持303冷卻水溫度顯示值小于30攝氏度，如圖3所示。
[0134]2、制備釘扎層202:
[0135](a)第一次注入:開啟加熱開關301，設定加熱溫度。將基材鋼樣固定設置于樣品臺，通過MEVVA離子注入系統(tǒng)開始注入。
[0136]其中，注入離子源為純度99.9%的純Ti離子源，注入條件為:真空度IX 1(T3?6 X 10—3Pa，注入弧壓:50?100V，高壓:6?40kV，弧流:10?40mA，注入劑量1X1015?1X1016/ cm2。
[0137](b)Ti沉積:啟動FCVA沉積系統(tǒng)，在第一次注入形成的膜層的基礎上進行沉積。
[0138]其中，沉積弧源為純度99%的Ti弧源，沉積條件為:真空度1 X 10-3?6 X 10-3Pa，沉積弧流:100?120A，磁場電流:2? 4?4? 4A，弧流:500?800mA，負偏壓:-100V?-300V，占空比50%?100%，沉積時間3?60秒。
[0139](c)第二次注入:再次啟動MEVVA離子注入系統(tǒng)，在形成的Ti沉積層上注入離子沉積層。
[0140]其中，注入離子源為純度99.9%的純Ti離子源，注入條件為:真空度IX 1(T3?6 X 10-3Pa，注入弧壓:60?80V，高壓:10?45kV，弧流:30?60mA，注入劑量1 X 1015?1 X 1016/cm2。
[0141]3、制備Ti膜過渡層203:
[0142] 在釘扎層202之上沉積Ti膜過渡層203,沉積條件為:沉積弧源為純度99%的Ti弧源，真空度:1 X 10-3?6 X 10-3Pa，沉積弧流:100?120A，磁場電流:2.4?4.4A，弧流:500? 800mA，負偏壓:-150V?-350V，占空比50%?100%，沉積時間10?20分鐘。
[0143] 4、制備厚的DLC膜層204:
[0144] 打開氣閥304(可選擇左進氣閥門或者右進氣閥門)，通入C2H2，在Ti膜過渡層203之上沉積DLC膜204，沉積條件為:沉積弧源為純度99 %的Ti弧源，進氣量:150-300sCCm，真空度:2 X 10—2?5 X 10—2Pa，沉積弧流:60?110A，磁場電流:2?3A，弧流:600?900mA，負偏壓:-150V?-350V，占空比10 %?50 %，沉積時間200?400分鐘(制備厚膜過程中每30? 60min，關閉乙炔進氣閥門，沉積釋放應力的金屬Ti層，沉積時間為3-6min，隨后恢復打開進氣閥門繼續(xù)沉積DLC膜層。
[0145]需要說明的是，上述實施例中，為防止DLC膜層因過厚而崩裂，在每沉積30-60min DLC膜層后，關閉進氣閥門利用寬束磁過濾沉積系統(tǒng)沉積金屬薄膜Ti過渡層3-6min，金屬過渡膜層沉積完成后，重新打開進氣閥門通入C2H2，利用寬束磁過濾沉積系統(tǒng)沉積DLC膜層， DLC總沉積時間為200-400min，所以總體DLC膜層為Ti金屬層和DLC膜層的調制，調制周期為 3-10周期。
[0146]為進一步說明上述工藝流程，下面給出一個制備超厚DLC的設備操作實例，具體操作流程如下所述:
[0147]1、計算機啟動后，運行控制軟件，進入如圖3所示的工作界面；
[0148]2、觸發(fā)加熱，開啟加熱開關301，將真空室加熱至280?380攝氏度；
[0149]3、打開MEVVA注入系統(tǒng)，開始離子注入；
[0150] 4、注入完成后，打開沉積系統(tǒng)進行超薄金屬沉積；[0151 ]5、超薄金屬沉積完成后，再次開啟MEWA注入系統(tǒng)進行注入；
[0152] 6、注入完成后，開啟沉積系統(tǒng)開始金屬過渡膜層沉積；
[0153] 7、過渡層沉積完成后，不關閉沉積系統(tǒng)，同時打開左/右進氣閥門304,輸入進氣量，實現(xiàn)C2H2通入進行DLC沉積，沉積過程中每30-60min關閉氣體閥門，沉積金屬應力釋放層 3-6min〇
[0154] 這樣，通過控制磁場強度、C2H2進氣量、金屬弧流、調整時間以及負偏壓和其對應的占空比，以優(yōu)化DLC膜的厚度、硬度、摩擦系數(shù)以及結合力等技術指標。
[0155]從上述各實施例可以看出，本發(fā)明通過新設計的在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，采用離子注入與等離子體沉積復合技術以及FCVA方法，實現(xiàn)大批量、均勻地在活塞環(huán)表面鍍具有高硬度和低摩擦系數(shù)的DLC膜，而且膜層厚度可達30微米以上，硬度可以實現(xiàn)從1500-3500HV的調控。
[0156]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，其特征在于，包括:離子注入系統(tǒng)，包括金屬蒸汽離子源(MEVVA)陰極(100)和MEVVA離子源加速電極 (101)，用于縱向均勻注入離子流，在活塞環(huán)拋光后的基底(201)上形成釘扎層(202);真空室，其一端與所述離子注入系統(tǒng)密封連接，另一端密封連接有寬束磁過濾沉積系 統(tǒng)(109)的一端，所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)(109)的另一端設置有FCVA沉積陰極(107)，用于 在所述釘扎層(202)上沉積出金屬過渡膜層(203)和DLC膜層(204);所述真空室的底部靠近 所述離子注入系統(tǒng)的一側設置有真空室抽氣口(102);所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)(109)正對 著所述離子注入系統(tǒng)設置，所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)(109)的外周布置有寬束磁場(105)， 所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)(109)的管壁上開設有電離氣體進氣閥(106);工裝系統(tǒng)(104)，包括位于所述真空室內的活塞環(huán)工裝圓筒和用于使所述活塞環(huán)工裝 圓筒自轉的旋轉電機(103);智能控制裝置，用于控制所述離子注入系統(tǒng)、所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)(109)以及所述 工裝系統(tǒng)(104)，對離子注入和膜層沉積的過程進行控制，并用于顯示測量結果，以及用于 進行數(shù)據(jù)的初步處理。2.根據(jù)權利要求1所述的在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，其特征在于，還包括: 加熱系統(tǒng)(110)，位于所述真空室的上方，用于給整個真空室加熱，補償在活塞環(huán)上鍍膜時 因旋轉造成的溫度損失。3.根據(jù)權利要求1或2所述的在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，其特征在于:所述加熱系統(tǒng)(110)用于維持鍍膜過程中溫度穩(wěn)定在280-380攝氏度;和/或，所述真空室與所述離子注入系統(tǒng)通過螺桿連接，采用密封圈密封;所述寬束磁過濾沉 積系統(tǒng)(109)與所述真空室通過螺桿連接固定，并采用密封圈密封。4.根據(jù)權利要求3所述的在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，其特征在于，所述智 能控制裝置包括:控制模塊，包括真空操作子模塊、弧源沉積控制子模塊和離子注入控制子模塊，其中， 所述真空操作子模塊的控制界面上設置有加熱開關(301)、真空室溫度設定單元(302)、冷 卻水溫度設定單元(303)、左/右進氣閥門進氣量設定單元(304);顯示模塊，用于顯示所述控制模塊的操作界面和測量結果；數(shù)據(jù)處理模塊，用于對獲得的測量數(shù)據(jù)進行初步處理，獲取用于進行自動控制的模擬 電壓信號，用以自動調節(jié)如沉積束流、注入束流、以及沉積和注入時間。5.根據(jù)權利要求1至4任一項所述的在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，其特征在 于:所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)(109)為寬束矩形彎管，所述寬束的尺寸為(300?500) X (150 ?300)mm2;和/或，所述進氣閥(106)的位置距所述寬束磁過濾沉積系統(tǒng)的出口距離在50?100mm。6.根據(jù)權利要求5所述的在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，其特征在于:所述活塞環(huán)工裝圓筒的數(shù)量至少為一個，所述活塞環(huán)工裝圓筒的高度范圍為400?800mm;所述活塞環(huán)工裝圓筒具有不同的型號，根據(jù)不同直徑的活塞環(huán)選擇不同直徑的活塞 環(huán)工裝圓筒;和/或，所述活塞環(huán)工裝圓筒與所述基托通過卡箍固定連接，所述旋轉電機(103)和所述真空室通過磁流體密封，所述真空室內基托通過定位銷釘固定在電機上，旋轉時通過平鍵傳動。7.根據(jù)權利要求1至6任一項所述的在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，其特征在 于:所述MEVVA離子源陰極(100)的直徑為20?40mm，出口直徑為200?450mm，束流強度在 10?80mA;和/或，所述MEVVA離子源加速電極(101)采用長條形束流通道，用于在縱向方向上拉長離子束 流以實現(xiàn)均勻注入。8.—種在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的方法，其特征在于，采用上述任一項權利要求 所述的在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的設備，該方法包括:制備釘扎層(202)步驟:根據(jù)預設的實驗條件分別啟動離子注入系統(tǒng)和FCVA沉積設備， 在拋光處理后的安裝于真空室中的活塞環(huán)基底(201)上制備釘扎層(202);制備金屬過渡膜層(203)步驟:在真空室中，采用FCVA沉積設備，在所述釘扎層(202) 上，制備金屬過渡膜層(203);制備DLC膜層(204)步驟:在真空室中，通過進氣閥(106)通入乙炔氣體，在所述金屬過 渡膜層(203)之上沉積DLC膜層(204); DLC膜層的沉積厚度通過控制乙炔氣體的進入量及磁 過濾管道線圈電流的大小進行控制。9.根據(jù)權利要求8所述的在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的方法，其特征在于，所述制 備釘扎層(202)步驟進一步包括:(a)第一次注入:開啟加熱開關(301)，設定加熱溫度;基材鋼樣固定設置于樣品臺，通 過MEVVA離子注入系統(tǒng)開始注入；(b)Ti沉積:啟動FCVA沉積系統(tǒng)，在第一次注入形成的膜層的基礎上進行沉積；(c)第二次注入:再次啟動MEVVA離子注入系統(tǒng)，在形成的Ti沉積層上注入離子沉積層。10.根據(jù)權利要求8或9所述的在活塞環(huán)表面快速沉積DLC膜層的方法，其特征在于:所述制備金屬過渡膜層(203)步驟進一步包括:在釘扎層(202)之上沉積Ti膜過渡層(203)，沉積條件為:沉積弧源為純度99%的Ti弧 源，真空度:1 X 10-3?6 X 10-3Pa，沉積弧流:100?120A，磁場電流:2.4?4.4A，弧流:500? 800mA，負偏壓:-150V?-350V，占空比50%?100%，沉積時間10?20分鐘；和/或，所述制備DLC膜層(204)步驟進一步包括:打開左或右進氣閥門，通入C2H2，在金屬過渡膜層(203)之上沉積DLC膜(204);其中，沉 積條件為:沉積弧源為純度99 %的Ti弧源，進氣量:150-300sccm，真空度:2 X 1(T2?5 X 10-2Pa，沉積弧流:60?110A，磁場電流:2?3A，弧流:600?900mA，負偏壓:-150V?-350V，占空 比10%?50%，沉積時間200?400分鐘;可選制備過程中每30?60min，關閉乙炔進氣閥門， 沉積釋放應力的金屬Ti層，沉積時間為3-6min，隨后恢復打開進氣閥門繼續(xù)沉積DLC膜層。
【文檔編號】C23C14/32GK106011771SQ201610633332
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月4日
【發(fā)明人】廖斌, 歐陽曉平, 羅軍, 張旭, 吳先映, 韓然, 王宇東
【申請人】北京師范大學