CN103775634B - 复合涂层活塞杆及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合涂层活塞杆及其制造方法，涉及空气压缩机活塞杆领域，提供一种具有高表面硬度的复合涂层活塞杆及其制造方法。复合涂层活塞杆包括活塞杆主体，活塞杆主体表面为渗氮层，渗氮层外附着有复合涂层，复合涂层从内向外依次为金属底层、硬质涂层和固体润滑表层；金属底层为Ti或Cr层；硬质涂层为硬度为20GPa‑50GPa，表面摩擦系数为0.2‑0.5的金属氮化物或金属碳氮化物层；固体润滑表层为类金刚石碳涂层、MoS2层或WS2层中的一种。硬质涂层、固体润滑表层和金属底层均采用气相沉积法涂镀。本发明既可以应用于空气压缩机活塞杆中，也可以应用于其它表面需要高硬度的零件。
Description
技术领域
本发明涉及空气压缩机活塞杆领域，尤其涉及一种复合涂层活塞杆及其制造方法。
背景技术
目前往复式空气压缩机活塞杆制造工艺包括锻压成型、正火、调质、去应力、高频淬火及低温回火。该工艺制成的活塞杆表面硬度较低，耐磨性较差。要提高活塞杆表面硬度和耐磨性，如果采用传动的热处理方法提高硬度值，往往会产生表面淬火裂纹而使产品报废，或是在用户应用过程中断裂，给用户造成巨大的直接或间接的经济损失。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种具有高表面硬度的复合涂层活塞杆。
为解决上述问题采用的技术方案是：复合涂层活塞杆，包括活塞杆主体，活塞杆主体表面为渗氮层，渗氮层外附着有复合涂层，复合涂层从内向外依次为金属底层、硬质涂层和固体润滑表层；金属底层为Ti或Cr层；硬质涂层为硬度为20GPa-50GPa，表面摩擦系数为0.2-0.5的金属氮化物或金属碳氮化物层；固体润滑表层为类金刚石碳涂层、MoS2层或WS2层中的一种。
进一步的是：金属底层厚度为100nm-200nm。
进一步的是：硬质涂层厚度为2μm-5μm。
进一步的是：硬质涂层包括多层成分不同的金属氮化物或金属碳氮化物。
进一步的是：固体润滑表层的厚度为80nm-120nm。
进一步的是：活塞杆主体材料为38CrMoAlA。
本发明要解决的另一技术问题是：提供一种具有高表面硬度的复合涂层活塞杆的制造方法。
为解决上述问题采用的技术方案是：复合涂层活塞杆制造方法包括如下步骤：
A、依次进行下料、锻造、正火、粗车、调质、精车和精磨工序，完成活塞杆主体形状的加工；
B、对活塞杆主体进行渗氮处理，使活塞杆主体表面形成渗氮层；
C、采用气相沉积法使渗氮层表面附着厚度为100nm-200nm的金属底层，金属底层为Ti或Cr层；
D、采用气相沉积法使金属底层表面附着厚度为2μm-5μm的硬质涂层，硬质涂层包括一层硬度为20GPa-50GPa，表面摩擦系数为0.2-0.5的金属氮化物或金属碳氮化物层，或者多层成分不同的硬度为20GPa-50GPa，表面摩擦系数为0.2-0.5的金属氮化物或金属碳氮化物层；
E、采用气相沉积法使硬质涂层表面附着厚度为80nm-120nm的固体润滑表层，固体润滑表层为类金刚石碳涂层、MoS2层或WS2层中的一种。
进一步的是：步骤B中，渗氮处理方法为等离子渗氮、气体渗氮或QPQ技术中的一种，渗氮温度为500℃-550℃，渗氮层(2)硬度大于HV1100。
进一步的是：步骤C至E中，气相沉积法为离子镀，在同一离子镀设备中进行；
步骤C包括以下步骤：
C1、将活塞杆主体装入离子镀设备的工件旋转设备上；
C2、抽真空至本底真空≥2×10-2Pa；真空室加热温度至300℃，并保持恒温1h以上；
C3、通入高纯Ar气，使真空度保持在约6Pa，开启脉冲偏压电源，逐步升高偏压至1KV以上，占空比80％，辅助开启霍尔离子源，进行等离子体辉光清洗10min以上；
C4、开启工件转动机构，调节高纯Ar气流量，使真空度保持在约2×10-1Pa，开启脉冲偏压电源，偏压电源参数为800V，80％；开启电弧源，电弧源弧流为130A，触发高纯Ti靶，对杆体进行高能离子流轰击清洗5min以上；
C5、调节高纯Ar气流量，使真空度保持在3-5×10-1Pa，降低脉冲偏压至参数500V，30％，直至沉积的金属底层(4)厚度为100nm-200nm；
步骤D具体为：开启电弧源，电弧源弧流为130A，触发高纯Cr靶，通入高纯N2气，调节Ar/N2比例，保持真空度为1Pa，沉积CrN层0.8μm-1μm；；关闭Cr靶弧源，沉积TiN层0.8μm-1μm；如此交替沉积，并以TiN作为表层结束，总厚度为2μm-5μm；
步骤E具体为：关闭Ti靶弧源，关闭高纯N2气，调节高纯Ar气流量，使真空室保在3-5×10-1Pa，开启磁过滤阴极石墨弧源，沉积类金刚石碳涂层约80nm-120nm；依次关闭石墨弧源，脉冲偏压电源，高纯Ar气，加热，工件转动，停止抽真空，等待真空炉内温度冷却至60℃以下或至环境温度。
本发明的有益效果是：渗氮层使活塞杆主体表面硬度达到HV1100以上，为后续涂层工序打好硬度过渡基础。金属底层是在渗氮层与后续硬质涂层之间生成一层金属过渡层，增加后续涂层的附着力。硬质涂层硬度为20GPa-50GPa，表面摩擦系数为0.2-0.5，其作用是增加基材的表面硬度，大大提升活塞杆的耐磨性，延长活塞杆的单件使用寿命。固体润滑表层是在硬质涂层表层再沉积一薄层固体润滑层，既使表面摩擦系数降至0.1-0.2之间，还能起到润滑的作用。各涂层各司其职，共同作用，使活塞杆表面具备高硬度，高耐磨性和低摩擦系数等优点，同时各涂层结合牢固，不易脱落，大大提高活塞杆使用寿命。
附图说明：
图1是复合涂层活塞杆结构示意图；
图中标记为：活塞杆主体1、渗氮层2、复合涂层3、金属底层4、硬质涂层5、固体润滑表层6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
复合涂层活塞杆，包括活塞杆主体1，活塞杆主体1表面为渗氮层2，渗氮层2外附着有复合涂层3，复合涂层3从内向外依次为金属底层4、硬质涂层5和固体润滑表层6；金属底层4为Ti或Cr层；硬质涂层5为硬度为20GPa-50GPa，表面摩擦系数为0.2-0.5的金属氮化物或金属碳氮化物层；固体润滑表层6为类金刚石碳涂层、MoS2层或WS2层中的一种。金属底层4厚度推荐为100nm-200nm。硬质涂层5厚度推荐为2μm-5μm。固体润滑表层6厚度推荐为80nm-120nm。活塞杆主体1材料推荐为38CrMoAlA。
渗氮层使活塞杆主体表面硬度达到HV1100以上，为后续涂层工序打好硬度过渡基础。金属底层是在渗氮层与后续硬质涂层之间生成一层金属过渡层，增加后续涂层的附着力。硬质涂层硬度为20GPa-50GPa，表面摩擦系数为0.2-0.5，其作用是增加基材的表面硬度，大大提升活塞杆的耐磨性，延长活塞杆的单件使用寿命。固体润滑表层是在硬质涂层表层再沉积一薄层固体润滑层，既使表面摩擦系数降至0.1-0.2之间，还能起到润滑的作用。各涂层各司其职，共同作用，使活塞杆表面具备高硬度，高耐磨性和低摩擦系数等优点，同时各涂层结合牢固，不易脱落，大大提高活塞杆使用寿命。
构成硬质涂层5的硬度为20GPa-50GPa，表面摩擦系数为0.2-0.5金属氮化物或金属碳氮化物可以是TiN，CrN，ZrN，TiCN，CrTiN，AlTiN，AlCrN，AlTiCN，AlCrCN，AlTiCrN，AlTiCrCN等。
硬质涂层5可以是单层金属氮化物或金属碳氮化物，硬质涂层5可以包括多层成分不同的金属氮化物或金属碳氮化物。也就是说TiN层加CrN层，或是TiN层加CrN加ZrN，层数从至少两层到单层厚度小于10nm的数千层。总厚度应为2μm-5μm。
类金刚石碳涂层即DLC涂层，为现有技术产品，是一种兼有高硬度和优异摩擦性能的非晶体硬质薄膜，其结构是一种非晶亚稳态结构。
复合涂层活塞杆制造方法包括如下步骤：
A、依次进行下料、锻造、正火、粗车、调质、精车和精磨工序，完成活塞杆主体1形状的加工；
B、对活塞杆主体1进行渗氮处理，使活塞杆主体1表面形成渗氮层2；
C、采用气相沉积法使渗氮层2表面附着厚度为100nm-200nm的金属底层4，金属底层4为Ti或Cr层；
D、采用气相沉积法使金属底层4表面附着厚度为2μm-5μm的硬质涂层5，硬质涂层5包括一层硬度为20GPa-50GPa，表面摩擦系数为0.2-0.5的金属氮化物或金属碳氮化物层，或者多层成分不同的硬度为20GPa-50GPa，表面摩擦系数为0.2-0.5的金属氮化物或金属碳氮化物层；
E、采用气相沉积法使硬质涂层5表面附着厚度为80nm-120nm的固体润滑表层6，固体润滑表层6为类金刚石碳涂层、MoS2层或WS2层中的一种。
步骤B中，渗氮处理方法可以是现有的各种渗氮处理方法，本发明渗氮处理方法推荐为等离子渗氮、气体渗氮或QPQ技术中的一种，渗氮温度为500℃-550℃的，渗氮层2硬度大于HV1100。
步骤C至E中的气相沉积方法可以是现有的各种气相沉积方法。本发明的气相沉积法推荐为离子镀，步骤C至E可在同一离子镀设备中进行；具体步骤和参数如下：
步骤C包括以下步骤：
C1、将活塞杆主体1装入离子镀设备的工件旋转设备上；
C2、抽真空至本底真空≥2×10-2Pa；真空室加热温度至300℃，并保持恒温1h以上；
C3、通入高纯Ar气，使真空度保持在约6Pa，开启脉冲偏压电源，逐步升高偏压至1KV以上，占空比80％，辅助开启霍尔离子源，进行等离子体辉光清洗10min以上；
C4、开启工件转动机构，调节高纯Ar气流量，使真空度保持在约2×10-1Pa，开启脉冲偏压电源，偏压电源参数为800V，80％；开启电弧源，电弧源弧流为130A，触发高纯Ti靶，对杆体进行高能离子流轰击清洗5min以上；
C5、调节高纯Ar气流量，使真空度保持在3-5×10-1Pa，降低脉冲偏压至参数500V，30％，直至沉积的金属底层(4)厚度为100nm-200nm；
步骤D具体为：开启电弧源，电弧源弧流为130A，触发高纯Cr靶，通入高纯N2气，调节Ar/N2比例，保持真空度为1Pa，沉积CrN层0.8μm-1μm；；关闭Cr靶弧源，沉积TiN层0.8μm-1μm；如此交替沉积，并以TiN作为表层结束，总厚度为2μm-5μm；
步骤E具体为：关闭Ti靶弧源，关闭高纯N2气，调节高纯Ar气流量，使真空室保在3-5×10-1Pa，开启磁过滤阴极石墨弧源，沉积类金刚石碳涂层约80nm-120nm；依次关闭石墨弧源，脉冲偏压电源，高纯Ar气，加热，工件转动，停止抽真空，等待真空炉内温度冷却至60℃以下或至环境温度。
上述工艺中，渗氮处理和气相沉积在不同的设备中进行，优点是可将不同的工序分配到不同的部门或平台完成，分散运营成本。缺点是整个活塞杆表面处理工艺环节多，质量可控性较差，产品合格率相对较低。也可以针对性定制专用设备，该专用设备既能进行渗氮处理又能进行气相沉积，使渗氮处理和气相沉积在同一设备中进行，其优点是成品率高，单件加工成本降低；缺点是该表面处理设备一般需要定制，一次性投入较大，且结构复杂，技术性综合，运行者的知识面及技术水平要求较高，培训熟练工的周期相对较长。
本发明既可以应用于空气压缩机活塞杆中，也可以应用于其它表面需要高硬度的零件。
Claims (3)
1.复合涂层活塞杆，包括活塞杆主体(1)，其特征在于：活塞杆主体(1)表面为渗氮层(2)，渗氮层(2)外附着有复合涂层(3)，复合涂层(3)从内向外依次为金属底层(4)、硬质涂层(5)和固体润滑表层(6)；
金属底层(4)为Ti或Cr层，金属底层(4)厚度为100nm-200nm；
硬质涂层(5)是由不同的金属氮化物层构成的多层结构或由不同的金属碳氮化物层构成的多层结构，单个金属氮化物层或金属碳氮化物层的厚度小于10nm；硬质涂层(5)硬度为20GPa-50GPa，表面摩擦系数为0.2-0.5，厚度为2μm-5μm；
固体润滑表层(6)为MoS2层或WS2层中的一种，固体润滑表层(6)的厚度为80nm-120nm。
2.复合涂层活塞杆制造方法，其特征在于包括如下步骤：
A、依次进行下料、锻造、正火、粗车、调质、精车和精磨工序，完成活塞杆主体(1)形状的加工；
B、对活塞杆主体(1)进行渗氮处理，使活塞杆主体(1)表面形成渗氮层(2)；
C、采用气相沉积法使渗氮层(2)表面附着厚度为100nm-200nm的金属底层(4)，金属底层(4)为Ti或Cr层；
D、采用气相沉积法使金属底层(4)表面附着厚度为2μm-5μm的硬质涂层(5)，硬质涂层(5)包括多层成分不同的硬度为20GPa-50GPa，表面摩擦系数为0.2-0.5的金属氮化物或金属碳氮化物层；
E、采用气相沉积法使硬质涂层(5)表面附着厚度为80nm-120nm的固体润滑表层(6)，固体润滑表层(6)为MoS2层或WS2层中的一种。
3.根据权利要求2所述的复合涂层活塞杆制造方法，其特征在于：步骤B中，渗氮处理方法为等离子渗氮、气体渗氮或QPQ技术中的一种，渗氮温度为500℃-550℃，渗氮层(2)硬度大于HV1100。
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| CN106640831A (zh) * | 2016-11-30 | 2017-05-10 | 江苏永特嘉精工制造有限公司 | 一种油缸、活塞杆基体材料及其制备方法 |
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