CN102352845A

CN102352845A - 经复合表面改性的20CrMnTi压缩机叶片及其制备工艺

Info

Publication number: CN102352845A
Application number: CN2011103178498A
Authority: CN
Inventors: 周仔麒; 唐云龙; 蔡珣; 李凡巧; 张碧云; 林大明; 胡利萍
Original assignee: ZHEJIANG HUIJIN TEER COAT TECHNOLOGY Co Ltd; SHANGHAI XIGONG COMPRESSOR FITTINGS CO Ltd
Current assignee: ZHEJIANG HUIJIN TEER COAT TECHNOLOGY Co Ltd; SHANGHAI XIGONG COMPRESSOR FITTINGS CO Ltd
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-10-19
Also published as: CN102352845B

Abstract

本发明公开了经复合表面改性的20CrMnTi压缩机叶片及其制备工艺，叶片采用20CrMnTi作为压缩机叶片的基材，经整体调质热处理并采用表面短时渗氮化学热处理后，在与偏心转子滚动接触的叶片处（R面）的渗氮层上再沉积Cr-Al-Ti-N膜，其工艺路线为:割片→粗加工→调质处理(淬火+高温回火)→半精加工→去应力回火→精加工→渗氮化学热处理→研磨→滚抛→R面沉积Cr-Al-Ti-N膜→检验。本发明采用加工性好的20CrMnTi渗氮钢经整体调质热处理后采用渗氮+PVD复合材料表面改性处理来制备叶片，不仅大大降低了原材料成本，且进一步提高了叶片的耐磨性、抗疲劳、抗腐蚀能力，节能、环保和低耗。

Description

经复合表面改性的20CrMnTi压缩机叶片及其制备工艺

技术领域

本发明涉及制冷行业的压缩机叶片，尤其涉及一种经复合表面改性的20CrMnTi压缩机叶片及其制备工艺。

背景技术

随着制冷行业的发展和全球气候变暖，制冷空调、冰箱的使用越来越普遍。任何制冷系统都是由压缩机、冷凝器、蒸发器三大核心模块组成。制冷系统工作时，压缩机将冷冻剂压缩成高压饱和气体，这种气态冷冻剂经过冷凝器冷凝，并通过节流装置节流之后，通入到蒸发器蛇行管内，将所需要冷却的媒介（如房间的空气）冷却换热后变成低压蒸气流回到压缩机，再被压缩机压缩，这样反复循环运行就完成了制冷过程。制热系统也大致是这个原理，只是方式相反。

制冷压缩机种类和形式很多，根据原理可分容积型和速度型两类，其中容积式是最为普遍的。转子叶片式容积型压缩机具有结构紧凑、运动部件少；体积小，重量轻；排气压力脉动小，容积效率高等特点。目前在小容量的空调压缩机中占有主导地位，并在中央空调中已得到广泛应用。

叶片作为转子叶片式压缩机的重要零部件,它将汽缸内部空间一分为二,当压缩机主轴带动偏心转子紧贴汽缸内壁旋转一周时，叶片始终与偏心转子滚动接触，并造成汽缸内月牙形空间容积发生周期性变化，致使制冷剂蒸气发生体积和温度上的变化,从而完成吸入和压缩制冷剂的任务。

为了保证在压缩机偏心转子旋转过程中完成制冷剂吸入和压缩的任务，并达到低噪声和长寿命之目的，不仅要求叶片与滚动转子间，叶片与汽缸滑槽间配合紧密，还要求这两对摩擦副之间的摩擦系数尽量降低，长时间正常运行，因此，除对叶片加工精度要求很高外，它应具有低的摩擦系数和很好的抗磨、抗腐蚀性能。目前叶片通常采用高速钢等高级合金工具钢制成。由于合金工具钢中含碳量高，且含有大量的W、Mo、Cr、V等合金元素，冶炼、浇注、塑性成形和热处理工艺等整个加工制造流程十分复杂，其原材料成本高。以目前使用最为广泛的M2(W6Mo5Cr4V2)高速钢叶片为例，现今国内M2原材料市场价为5~7万元/吨。原材料进厂后，为了改善高速钢叶片本身的切削加工性，需要采用比较复杂的和严格的退火工艺；高速钢叶片粗加工后，则必须进行1200~1240℃高温淬火，促使钢中碳化物溶解，以提高奥氏体中合金元素和碳的含量（叶片的高温淬火是影响其使用性能最敏感的工序，也是工艺控制难度最大的工艺）；叶片随后再在出现“二次硬化”的温度（~560℃）下进行三次回火处理; 最后还要进行表面渗氮处理，以进一步提高高速钢叶片表面的强度、硬度，其加工工艺复杂，要求高。

众所周知，由于摩擦磨损在叶片的表面进行，腐蚀也从表面开始，若采用加工性能好的结构钢作为基材，运用先进的表面改性技术赋予叶片表面以特殊的成分、组织结构和性能，从而能最经济而有效地提高叶片质量和延长使用寿命，并大大降低叶片成本。

发明内容

针对目前压缩机叶片原材料成本高，加工工艺复杂等问题，本发明的目的在于提供一种采用普通的结构钢，即20CrMnTi作为压缩机叶片的基材，经复合表面改性制得的压缩机叶片；

本发明的另一目的在于提供这种压缩机叶片的制备工艺。

实现本发明目的的技术方案如下：

经复合表面改性的20CrMnTi压缩机叶片，叶片采用20CrMnTi作为压缩机叶片的基材，经整体调质热处理并采用短时渗氮工艺先对其表面进行化学热处理，渗氮层厚度0.18~0.25mm，硬度约为950HV；然后在与偏心转子滚动接触的叶片处（R面）的渗氮层上再沉积Cr-Al-Ti-N膜，Cr-Al-Ti-N膜的纳米硬度高达23GPa，沉积厚度为3~5μm。所述20CrMnTi渗氮钢的化学成分（ｗｔ％）为：Ｃ：0.17~0.23；Cr：1.00~1.30；Mn：0.80~1.10；Ti：0.04~0.10；Si：0.17～0.37。

经复合表面改性的20CrMnTi压缩机叶片的制备工艺，包括如下步骤：

1）、以20CrMnTi为基材的叶片经割片和粗加工后进行整体调质热处理，调质热处理的工艺条件为：淬火：910~930℃油淬，高温回火：560~620℃空冷，调质后硬度为225HBW；

为了改善叶片内部组织结构，保证其心部获得足够的强韧性，从而为渗氮作好组织准备，渗氮前必须进行调质（淬火+高温回火）热处理，以获得所需要的回火索氏体组织。实践证明，渗氮前组织对渗氮后叶片质量有很大影响，切忌出现块状铁素体，否则将引起渗氮层脱落。若渗氮前原始组织中铁素体量增加，将使氮化层脆性增加，并使调质热处理效果降低，进而影响渗氮叶片心部和表面硬度，故特别要控制铁素体的量。根据GB/T11354-2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》中规定，渗氮前组织应为均匀细针状回火索氏体和游离铁素体体积分数<5% 。另外, 回火温度高低对叶片渗氮层硬度和深度的影响不可忽视。通常随着回火温度升高，回火后硬度降低，渗氮层硬度也降低，而渗氮层深度增加

2）、对调质热处理后的叶片进行半精加工后，需进行一次去应力回火处理，去应力回火处理的工艺条件为：温度为550~600℃，处理时间为2h；

为减少去应力回火处理过程中的氧化脱碳现象，回火在保护气氛或真空状态下进行,保温毕随炉冷至200℃出炉空冷。

3）、对去应力回火处理后的叶片进行精加工后，采用短时高效的渗氮工艺对其进行表面化学热处理。

传统的渗氮化学热处理工艺时间甚至长达几十小时。这样，不仅耗能、耗材，生产周期长、效率低，而且由于长期在500℃以上保温，渗氮零件容易变形，尺寸精度难以满足要求。何况，由于化合物层厚，也导致渗层脆性大，对其耐磨性的提高不利。针对压缩机叶片服役时负荷不大，但对耐磨性和尺寸精度要求高的特点，本发明采用短时高效的渗氮工艺对其表面进行化学热处理，不仅可避免传统的渗氮工艺带来的弊病，而且由于渗氮层中化合物层很薄，故其脆性不大，可以带着化合物层服役，反而可大幅度提高其耐磨性能。推荐的短时气体渗氮工艺：530 ~ 560℃ 4~6小时氨分解率30%~60% 出炉油冷，渗氮层厚度0.18~0.25mm，硬度约为950HV。

20CrMnTi叶片渗氮化学热处理可以采用气体、液体和离子渗氮的任何一种。

4）、对经表面渗氮处理的叶片进行研磨和滚抛后，在与偏心转子滚动接触的叶片处（R面）的渗氮层上再沉积Cr-Al-Ti-N膜，以进一步提高叶片的耐磨性能和使用寿命，其工艺过程为：经研磨后的渗氮叶片用去离子水、无水酒精和丙酮超声波分别清洗10min，烘干后放入Teer公司的四靶非平衡磁控溅射设备UDP850/4 系统真空室内，其中两个为Cr（99.99%）靶，一个Al（99.99%）靶，一个Ti（99.99%）靶，反应气体为N₂，OEM检测Cr靶控制N₂流量。镀膜前先将真空抽至3.0×10^-3Pa以下，以Ar(99．999％)为溅射气体，施加550 V的负偏压对基体进行等离子体清洗15 min，以获得清洁的基体表面，提高膜-基的结合强度；沉积过程中维持工作气压为8.0×10^- 2Pa，对基体施加60~ 75V的负偏压，Cr靶电流为3~5A，Al和Ti靶电流为5~7A,溅射时间为2~5h。

在磁控溅射沉积过程中，通过缓慢地线性改变镀膜的工艺参数，可使镀层组织结构由一开始的Cr底层和Cr-Al-N膜过渡层逐渐平稳过渡到Cr-Al-Ti-N镀层。Cr-Al-Ti-N镀层的纳米硬度高达～23GPa，沉积厚度约为3~5μm。

本发明压缩机叶片的基材选用的20CrMnTi属于低碳合金渗氮钢，由于Cr、Ti 、

Mn添加可使该钢渗氮处理后形成高度弥散的且具有高度热稳定性的合金氮化物，从

而获得很高的硬度（800~1000HV ），耐磨性和疲劳强度好，且抗蚀性能也得到了提高，可广泛用于需高硬度、高耐磨而又冲击不大的零件。此外，由于20CrMnTi属于结构钢，其车、铣、刨、钻、磨等机加工性能好，叶片的调质热处理工艺（910~930℃淬火+600~620℃回火）也比高速钢的1200~1240℃高温淬火+560℃回火处理三次简单、操作性强，何况高速钢叶片机加工前还必须进行严格的球化退火热处理。因此，压缩机叶片选用20CrMnTi渗氮钢不仅原材料成本低，而且具有加工工艺简单等特点。

采用渗氮 + Cr-Al-Ti-N膜复合材料表面改性处理后的叶片，由于渗氮层提高了基体表面的硬度而使其承载能力提高，既给予最外层的Cr-Al-Ti-N镀层以强有力的支撑，又降低了膜/基界面的硬度梯度，合理的硬度和应力梯度分布，良好的组织匹配是工程师所渴望的；而与偏心转子直接接触的Cr-Al-Ti-N膜又具有如此高的硬度，这样经复合表面改性处理的叶片，其耐磨性得到显著地提高，并进一步提高了叶片抗疲劳、抗腐蚀能力，使用寿命大大延长。

本发明采用加工性好的20CrMnTi渗氮钢经整体调质热处理后采用渗氮 + PVD 复合材料表面改性处理来制备叶片，不仅大大降低了原材料成本，其原材料价格仅相当于高速钢价格的1/7~1/10，还进一步提高了叶片的耐磨性、抗疲劳、抗腐蚀能力，这也符合当前节能、环保和低耗的原则，从而为复合材料表面改性的渗氮钢压缩机叶片应用提供了广阔前景。

具体实施方式

下面结合具体的实施例进一步说明本发明是如何实现的，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

1)20CrMnTi叶片经割片和粗加工后进行整体调质热处理，其工艺为：淬火930℃（油淬），回火560℃（空冷），调质后硬度~235HBW；

2)进行半精加工→去应力回火（560℃ 2h）→精加工；

3)叶片短时渗氮化学热处理工艺为：530℃ 6h，氨分解率45% ，出炉油冷；渗氮层厚度~0.20mm, 硬度为~970HV。叶片渗氮毕进行研磨→滚抛，然后送去镀膜。

4）R面沉积Cr-Al-Ti-N膜: 依次用去离子水、无水酒精和丙酮超声波将渗氮叶片各清洗10min，烘干后放入Teer公司的四靶非平衡磁控溅射设备UDP850/4 系统真空室内。镀膜前先将真空抽至3.0×10^-3Pa以下，以Ar(99．999％)为溅射气体，施加550 V的负偏压对基体进行等离子体清洗15 min；沉积过程中维持工作气压为8.0×10^- 2Pa，对基体施加70 V的负偏压，Cr靶电流为5A，Al和Ti靶电流为7A,溅射时间为4h。测得的膜层摩擦系数为~0.5, 镀层纳米硬度为23.4GPa，膜基的临界载荷＞80N,膜层厚度为~5μm,。最后叶片进行检验、包装。

实施例2

1)20CrMnTi叶片经割片和粗加工后进行整体调质热处理，其工艺为：淬火910℃（油淬），回火600℃（空冷），调质后硬度~226HBW；

2)进行半精加工→去应力回火（580℃ 2h）→精加工;

3)叶片短时渗氮化学热处理工艺为：550℃ 5h，氨分解率55% ，出炉油冷；渗氮层厚度~0.24mm, 硬度为~920HV。叶片渗氮毕进行研磨→滚抛，然后送去镀膜。

4）R面沉积Cr-Al-Ti-N膜: 依次用去离子水、无水酒精和丙酮超声波将渗氮叶片各清洗10min，烘干后放入Teer公司的四靶非平衡磁控溅射设备UDP850/4 系统真空室内。镀膜前先将真空抽至3.0×10^-3Pa以下，以Ar(99．999％)为溅射气体，施加550 V的负偏压对基体进行等离子体清洗15 min；沉积过程中维持工作气压为8.0×10^- 2Pa，对基体施加60 V的负偏压，Cr靶电流为3A，Al和Ti靶电流为5A,溅射时间为4h。测得的膜层摩擦系数为~0.5, 镀层纳米硬度为22.8GPa，膜基的临界载荷＞80N,膜层厚度为~3μm,。最后叶片进行检验、包装。

实施例3

1)20CrMnTi叶片经割片和粗加工后进行整体调质热处理，其工艺为：淬火920℃（油淬），回火580℃（空冷），调质后硬度~231HBW；

2)进行半精加工→去应力回火（570℃ 2h）→精加工;

3)叶片短时渗氮化学热处理工艺为：540℃ 6h，氨分解率45% ，出炉油冷；渗氮层厚度~0.22mm, 硬度为~950HV。叶片渗氮毕进行研磨→滚抛，然后送去镀膜。

4）R面沉积Cr-Al-Ti-N膜: 依次用去离子水、无水酒精和丙酮超声波将渗氮叶片

各清洗10min，烘干后放入Teer公司的四靶非平衡磁控溅射设备UDP850/4 系统真空室内。镀膜前先将真空抽至3.0×10^-3Pa以下，以Ar(99．999％)为溅射气体，施加550 V的负偏压对基体进行等离子体清洗15 min；沉积过程中维持工作气压为8.0×10^- 2Pa，对基体施加70 V的负偏压，Cr靶电流为4A，Al和Ti靶电流为6A,溅射时间为4h。测得的膜层摩擦系数为~0.5, 镀层纳米硬度为23.0GPa，膜基的临界载荷＞80N,膜层厚度为~4μm,。最后叶片进行检验、包装。

Claims

1.经复合表面改性的20CrMnTi压缩机叶片，其特征在于：叶片采用20CrMnTi作为压缩机叶片的基材，经整体调质热处理并采用短时渗氮工艺先对其表面进行化学热处理，渗氮层厚度0.18~0.25mm，硬度约为950HV；在与偏心转子滚动接触的叶片处的渗氮层上再沉积Cr-Al-Ti-N膜，Cr-Al-Ti-N膜的纳米硬度为23GPa，沉积厚度为3~5μm。

2.根据权利要求1所述的经复合表面改性的20CrMnTi压缩机叶片，其特征在于，所述20CrMnTi渗氮钢的化学成分为：Ｃ：0.17~0.23；Cr：1.00~1.30；Mn：0.80~1.10；Ti：0.04~0.10；Si：0.17～0.37，上述百分比为重量百分比。

3.经复合表面改性的20CrMnTi压缩机叶片的制备工艺，包括如下步骤：

3）、对去应力回火处理后的叶片进行精加工后，先采用短时渗氮工艺对其表面进行化学热处理，短时渗氮化学热处理工艺的特征在于：渗氮温度为530 ~ 560℃ ，渗氮工艺周期为4~6小时，氨分解率为30%~60%，出炉油冷，渗氮层厚0.18~0.25mm，渗氮层厚度硬度为～950HV ；

4）、对经表面渗氮处理的叶片进行研磨和滚抛后，在与偏心转子滚动接触的叶片处（R面）的渗氮层上再沉积Cr-Al-Ti-N膜，其工艺过程为：先对渗氮叶片进行彻底地清洗，烘干后放入四靶非平衡磁控溅射设备UDP850/4 系统真空室内，其中两个纯度为99.99%的Cr靶，一个纯度为99.99%的Al靶，一个纯度为99.99%的Ti靶，反应气体为N₂，镀膜前先将真空抽至3.0×10^-3Pa以下，以纯度为99．999％的Ar为溅射气体，施加550 V的负偏压对基体进行等离子体清洗15 min；沉积过程中维持工作气压为8.0×10^- 2Pa，对基体施加60~ 75V的负偏压，Cr靶电流为3~5A，Al和Ti靶电流为5~7A，溅射时间为2~5h，Cr-Al-Ti-N镀层的纳米硬度高达23GPa，沉积厚度为3~5μm。

4.根据权利要求3所述的经复合表面改性的20CrMnTi压缩机叶片的制备工艺，其特征在于：所述2）步骤中去应力回火处理过程中，回火在保护气氛或真空状态下进行,保温毕随炉冷至200℃出炉空冷。

5.根据权利要求3所述的经复合表面改性的20CrMnTi压缩机叶片的制备工艺，其特征在于：所述3）步骤中渗氮化学热处理采用气体、液体和离子渗氮中的任何一种。

6.根据权利要求3所述的经复合表面改性的20CrMnTi压缩机叶片的制备工艺，其特征在于：所述4）步骤中对渗氮叶片清洗是先用去离子水、无水酒精和丙酮超声波分别清洗10min，烘干后放入真空室内，镀膜前再用纯Ar气体，对基体进行等离子体清洗15 min。