低摩擦碳薄膜工程化应用

成果介绍：针对含氢碳薄膜中由于单电子氢的链终结作用难以形成类富勒烯笼状结构的难题，提出了构筑笼状结构的离子注入弛豫模型，通过沉积脉冲能量周期变化对薄膜结构剪裁，突破了超低摩擦碳薄膜的类富勒烯笼状结构可控制备技术。率先制备了超弹性（>85%）、超低摩擦（摩擦系数<0.01）的宏观大尺寸类富勒烯结构含氢碳薄膜。通过对摩擦界面行为的分析，发现在剪切力作用下薄膜中的石墨烯片层发生了自组织，并形成洋葱状纳米颗粒，基于此提出了非公度接触和滚动效应导致薄膜表现出超低的摩擦系数。针对轴承钢形变软化温度低（150℃）而传统碳薄膜沉积工艺温度高（>180℃）的难题，发明了定向沉积的箍缩磁场溅射等技术，提高了低温下的离化率和沉积速率；创制了栅极辅助柱状电弧离子镀膜装置，构建了双金属纳米多层梯度结构，在轴承钢表面实现高结合力（60N，HF1级），在国际上率先突破了轴承钢表面低温沉积（<150℃）高结合力低摩擦碳薄膜制备技术。    在干摩擦时，钢/钢磨损率为1.47×10-15m3/Nm，而钢/碳薄膜的磨损率较钢/钢磨损率降低了4个数量级达到2.61×10-19m3/Nm。在油（煤油、汽油、柴油和基础润滑油PAO等）介质中钢/碳薄膜的磨损率较钢/钢磨损率同样降低了4个数量级。这表明在全工况运行条件下，碳薄膜均能提高关键部件的抗磨减摩性能，延长其使用寿命。        经过1250小时的变工况可靠性跑合后，控制活塞表面没有磨损，几何精度等尺寸几乎没有变化，喷油器性能没有降低的影响，并且耐磨性相对没有薄膜的提高很多，所以通过前期的试验表明使用带碳薄膜的控制活塞的喷油器在使用上和可靠性上表现更好, 涂层活塞的静态回油变大了约50%，而无涂层活塞的静态回油变大了约100%，碳薄膜活塞的静态漏油量比无薄膜活塞减小约50%，偶件间隙优化后，油泵供油效率可提升7～8%，估算节油4.3%，降低排放约9%。对配气机构挺柱/凸轮轴配副，挺柱/气门/凸轮轴进行台架试验，结果表明，装配低摩擦碳薄膜气门挺柱的系统摩擦功耗在低转速下降低11%，摩擦扭矩平均降低29%。在挺柱、凸轮轴和气门杆表面均沉积低摩擦固体润滑碳薄膜后，平均摩擦功耗降低21.2%，配气系统摩擦功损失降低0.25kw。实验后镀膜挺柱、气门、凸轮轴等无磨损。与瑞士Sulzer、荷兰Hauzer的同类技术相比较，硬度调控范围相当，使用温度相当。但是自主研发的超低摩擦碳薄膜摩擦系数低1-2个数量级，在国际上首次实现超低摩擦碳薄膜的工程化应用，且本成果技术破解了低温沉积（≤150℃）国际难题，实现了在温度敏感性材料如轴承钢表面的批量镀膜技术。本项目研发了具有自主知识产权的电磁约束阳极辅助磁控溅射沉积系统，在航空、航天、发动机、液压等部件获得应用。本项目部分成果获得国家技术发明二等奖、中国机械工业科学技术一等奖、甘肃省技术发明一等奖和甘肃省自然科学二等奖。项目团队拥有授权发明专利16件，实用新型专利3件，编制汽车行业团体标准1项。