CN102424972A

CN102424972A - 金属表面复合涂层制作方法

Info

Publication number: CN102424972A
Application number: CN2011103947334A
Authority: CN
Inventors: 崔中赫
Original assignee: Dong An East (tianjin) Heat Treatment System Co Ltd
Current assignee: Dong An East (tianjin) Heat Treatment System Co Ltd
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2012-04-25

Abstract

一种金属表面复合涂层制作方法，包括以下步骤：（1）工件表面研磨和抛光步骤；（2）工件清洗步骤；（3）工件离子氮化步骤；（4）工件敷着涂层步骤；（5）工件涂层表面控制处理步骤；（6）工件清洗步骤；（7）在涂层上蒸着固体润滑剂敷层步骤；（8）产品烘干及加热固化步骤。优点和积极效果是：本制作方法，操作简单，成本低，产品性能好。本发明制作的复合涂层可以防止固体润滑剂从摩擦面脱落并能长时间维持，并且复合涂层的摩擦系数远低于涂层的摩擦系数。

Description

金属表面复合涂层制作方法

技术领域

本发明属于金属表面处理领域，特别是涉及一种具有高硬度、耐磨性及润滑性好的复合涂层制作方法。

背景技术

近期为了延长模具、机械配件、工具等的寿命,不断的开发并使用各种涂层以及表面改良方法，特别是为满足产业中多样化的特性和环境因素等相关的方法。

保护性能的涂层制作，有湿式法的镀硬铬和干式法的金属氮/碳化物等，镀硬铬常应用在需要耐腐蚀，耐磨的零件上。例如：活塞环、阀门、泵、模具、机械配件、工具类、装饰用品等。

已开发在真空状态下利用干式法附着二硫化钼MoS2的方法，但有设备操控复杂，投资比较高，生产管理难等问题。

制作涂层有很多方式，湿式法的镀硬铬，在镀硬铬时会产生多种有害废弃物污染环境，因而渐渐限制使用此方法，现代产业中较多使用无污染技术的干式法。

干式法分为物理气相沉积(简称PVD)和化学气相沉积(简称CVD)。物理气相沉积方式分为电弧法ARC、喷溅法、电子束等方式，化学气相沉积CVD分为热化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积法、激光化学气相沉积等。用以上等方式形成的涂层在本发明多可以投入使用。本发明应用物理气相沉积内的电弧方式即电弧式物理气相沉积,简称ARC PVD。

涂层是通过用主材料的靶材和反应气体形成涂层。根据使用环境选择不同的涂层。例如使用铝钛合金靶材和反应气体氮气来制作高硬度、耐热性800℃优良的氮化铝钛TiAlN涂层。使用铬靶材和氮气形成耐烧着、高润滑的氮化铬涂层CrN。如此类方式可形成很多种涂层如氮碳化钛TiCN, 氮碳化铝钛TiAlCN, 氮碳化铬CrCN, 氮化硅钛TiSiN, 氮化硅铬CrSiN等…在本发明中均可使用。

干式法的涂层质量好坏根据涂层的硬度，润滑性，母材(即产品)与涂层之间密着性来判定。涂层硬度高，润滑性差时与被加工材料之间摩擦增加，导致涂层容易脱落。相反润滑性好，硬度低时，因被加工材料容易产生划痕而缩短寿命。因此硬度、润滑性、密着性三要素综合起来较好的涂层才能说得上是质量好的涂层。

固体润滑剂也有很多种，如聚四氟乙烯PTFE, 二硫化钼MoS2,

二硫化钨WS2,石墨等，它们的摩擦系数在0.05～0.10润滑性能非常好。虽摩擦系数低，但固体润滑剂的附着性不好，因此很容易从摩擦面脱落。一旦脱落就无法发挥润滑效果。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种具有高硬度、耐磨性及润滑性高的复合涂层制作方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

本发明金属表面复合涂层制作方法，包括以下步骤：

1、工件表面研磨和抛光步骤；

2、工件清洗步骤；

3、工件离子氮化步骤；

4、工件敷着涂层步骤；

5、工件涂层表面控制处理步骤；

6、工件清洗步骤；

7、在涂层上蒸着固体润滑剂敷层步骤；

8、产品烘干及加热固化步骤。

所述工件表面研磨和抛光步骤中，工件用空压研磨工具使用砂纸按照120#-220#-320#-400#顺序研磨后，再使用混合好的橄榄油和金刚石粉末进行抛光。

所述工件清洗步骤中，清洗设备是3槽式超声波清洗机：超声波槽，浸泡槽，蒸汽槽，使用三氯乙烯清洗液，先加热超声波槽中的清洗液，温度为40℃时将工件浸泡10～30分钟，然后工件移动到浸泡槽浸泡10～30分钟，浸泡槽使用三氯乙烯清洗液，再移动到蒸汽槽，该槽中是三氯乙烯清洗液，加热到84℃～90℃时蒸发，用蒸汽清洗工件表面。

所述工件离子氮化步骤中，将工件装入离子氮化炉内，炉内抽真空，真空度为0.3托Torr以下，然后用电阻加热器加热，加热至温度为400℃～500℃，投入氩气Ar和氢气H2气体，真空度为0.5～0.8 托,打开偏压电源，附加-700V电压后，利用离子进行1～2小时的表面异物质清除之后，投入氮气N2和氢气H2，气体真空度为1.5～2.0 托, 电压 -380V处理8～12小时的离子氮化,处理结束后在炉内真空条件下降温,降到150℃后出炉。

所述工件敷着涂层步骤中，将工件装在电弧式物理气相沉积法的涂层炉的托架上，工件投入后，炉内开始抽真空,抽至真空度为1.0×10^-4 托，开始加热,使用电阻加热器,加热到350℃～500℃并维持此温度1小时以上，加热期间匀速转动托架，然后投入氮气，炉内真空度维持在4.0×10^-4 托，然后用电弧电源，电流 50～60A进行靶材点火，开始电弧放电，启动与回转托架连接在一起的偏压电源后，附加-600V电压持续上升到-900V工作10分钟，然后投入氩气Ar，真空度为1.0×10^-2 托，实施电弧放电，电弧电源电流用60～80A点火靶材，偏压电压-100V,工作20分钟，此后再投入氮气，真空度为1.0×10^-2 托，实施电弧放电，电弧电源电流用60～80A点火靶材，偏压电压-100V,工作150分钟，涂层操作期间温度维持400℃～500℃，操作结束后在炉内保持高真空状态下降温到100℃后出炉。

所述工件涂层表面控制处理步骤中，先用1000#砂纸研磨工件涂层处理产生的微滴后，再装入微型喷砂机中，用 3～4Kg/cm2压缩空气，将80#玻璃珠均匀喷射在工件的使用部位表面，从而形成喷砂孔。

所述工件清洗步骤中，此步骤与工件清洗步骤2相同。

所述在涂层上蒸着固体润滑剂敷层步骤中，使用喷雾器将固体润滑剂按空压式喷射或者通过浸泡方式均匀敷着在产品表面后自然晾干。

所述产品烘干及加热固化步骤中，将晾干后的产品装入烘干炉中，在 200℃的温度下加热1小时，进行加热固化处理。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明金属表面复合涂层制作方法具有的优点和积极效果是：

1、本发明方法制作的复合涂层将涂层的高硬度和高耐磨性与固体润滑剂的润滑特性结合在一起，应用开发的具有高硬度,高耐磨性，润滑性好的复合涂层。

2、本发明金属表面复合涂层制作方法，操作简单，成本低，产品性能好。

3、本发明制作的复合涂层可以防止固体润滑剂从摩擦面脱落并能长时间维持。

4、根据本公司已开发的复合涂层：CrN+固体润滑膜和涂层CrN的摩擦系数测试结果可知，复合涂层的摩擦系数远低于涂层的摩擦系数。

附图说明

图1是电弧式物理气相沉积法设备结构示意图；

图2是靶材部和涂层蒸着法示意图；

图3是复合涂层剖面示意图：

图4是制作方法工艺流程图；

图5是摩擦系数测试结果图；

图6是离子氮化炉设备结构示意图。

附图中主要部件符号说明：

1：炉体 20：电阻加热器 30：回转托架

40：偏压电源 50：托架回转电机 60：气体流量控制器

70：电弧电源 80：靶材 90：触发器

100：工件 110：金属阳离子 120：滴状金属

130：熔池 210：涂层 220：固体润滑剂

230：针尖状气孔 240：滴孔 250：喷砂微孔

300：炉体 310：电阻加热器 320：风扇

330：电源输出 340：保温材料 350：托架

360：气体流量控制器 370：工件。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明。

本发明金属表面复合涂层制作方法，图4是制作方法工艺流程图，如图4所示，复合涂层制作方法包括以下步骤：

步骤1：工件表面研磨和抛光；2：工件清洗；3：工件离子氮化；

4：工件敷着涂层；5：工件涂层表面控制处理；6：工件清洗；7：在涂层上蒸着固体润滑剂敷层；8：产品烘干及加热固化。

如图4所示，首先是开始，然后进行步骤1，工件表面研磨和抛光，即S101，在工件表面研磨和抛光工序中，工件用空压研磨工具使用砂纸按照120#-220#-320#-400#顺序研磨后，再使用混合好的橄榄油和金刚石粉末进行抛光。

步骤2：工件清洗，即S102，通过清洗工序去除产品表面的异物质包括油污和灰尘等。在工件清洗工序中，清洗设备是3槽式超声波清洗机：包括超声波槽、浸泡槽、蒸汽槽，清洗液使用三氯乙烯清洗液，简称T.C.E.。首先加热超声波槽中的清洗液，利用超声波产生的清洗液震动清洗工件，温度为40℃时将工件浸泡，时间为10～30分钟，然后工件移动到浸泡槽浸泡10～30分钟，浸泡槽使用三氯乙烯清洗液，再移动到蒸汽槽，该槽中是三氯乙烯清洗液，加热到84℃～90℃时蒸发，用蒸汽清洗工件表面。

步骤3：工件离子氮化，即S103，为了提高工件硬度进行离子氮化，在工件离子氮化工序中，将工件装入离子氮化炉内，炉内抽真空，真空度指标为0.3 托以下，然后用电阻加热器加热，加热至温度为400℃～500℃，投入氩气Ar和氢气H2气体，真空度为0.5～0.8托,打开偏压电源，附加-700V电压后，利用离子进行1～2小时的表面异物质清除之后，投入氮气N2和氢气H2 ，气体真空度为1.5～2.0 托, 电压-380V处理8～12小时的离子氮化,处理结束后在炉内真空条件下降温,降到150℃后出炉。

步骤4：工件敷着涂层，即S104，在工件敷着涂层工序中，将工件装在电弧式物理气相沉积法的涂层炉的托架上，工件投入后，炉内开始抽真空,抽至真空度为 1.0×10^-4 托，开始加热,使用电阻加热器,加热到350℃～500℃并维持此温度1小时以上，加热期间为了使产品均匀加热，匀速转动托架，然后投入氮气，炉内真空度维持在4.0×10^-4 托，然后用电弧电源，电流50～60A进行靶材点火，靶材点火是启动触发器90，使靶材阴极和触发器正极瞬间触发产生火花，同时开始电弧放电。启动与回转托架连接在一起的偏压电源后，附加-600V电压，电压持续上升到-900V工作10分钟，然后投入氩气Ar，当真空度为1.0×10^-2 托时，实施电弧放电，电弧电源电流用60～80A点火靶材，偏压电压-100V,工作20分钟，此后再投入氮气，真空度为1.0×10^-2 托时，实施电弧放电，电弧电源电流用60～80A点火靶材，偏压电压-100V,工作150分钟，涂层操作期间温度维持400℃～500℃，操作结束后在炉内保持高真空状态下降温到100℃后出炉。本发明应用氮化铬CrN涂层。

步骤5：工件涂层表面控制处理，即S105。在工件涂层表面控制处理工序中，形成可储藏固体润滑剂所需的空间。为去除工件涂层处理所产生的微滴，先用1000#砂纸研磨后，再装入微型喷砂机中，用 3～4Kg/cm2压缩空气，将80#玻璃珠均匀喷射在工件的使用部位表面，从而形成喷砂孔。

步骤6：工件清洗，即S106，此工序与步骤2，即S102工件清洗工序相同。

步骤7：在涂层上蒸着固体润滑剂敷层，即S107，此工序中，使用喷雾器将固体润滑剂按空压式喷射或者通过浸泡方式均匀敷着在产品表面后自然晾干。

本发明的实施例使用的固体润滑剂是二硫化钼MoS₂。

步骤8：产品烘干及加热固化，即S108,将晾干后的产品装入烘干炉中，在 200℃的温度下加热1小时，进行加热固化处理。

最后结束整个制作工序。

下面对附图分别进行说明：

图1是电弧式物理气相沉积法设备结构示意图。如图1所示，炉体10内上方具有电阻加热器20，下方设有回转托架30，回转托架由托架回转电机50带动而转动，回转托架与偏压电源40连接，回转托架上放置被处理工件100，炉内左侧设有靶材80，触发器90，触发器90点火时与靶材接触，电弧电源触发器90与电弧电源70的阳极相连。炉外侧设有气体流量控制器60，气体流量控制器控制N₂、Ar、H₂、CH₄等气体输入炉内的流量。气体流量控制器设有多条气体管路通入炉内。在炉的右侧设有管路与真空泵相连。真空泵为炉内抽真空用。

图2是靶材部和涂层蒸着法示意图。如图2所示，在真空状态下，往金属固体靶材80附加电弧ARC放电，使靶材表面瞬间成为高温高压状态熔池130，此金属物质在3000～5000℃ 高温状态下离子化，产生阳离子110。此时工件是偏电压负极-，金属阳离子110与反应气体结合沉积在工件100表面，形成涂层。

此过程的熔池中，不仅排放出以离子化的金属阳离子外，还排放出微滴状态的中性金属块120，所谓的金属微滴120，大小为数十㎛落在工件涂层表面后脱落。当脱落时产品表面形成孔叫做滴孔240。

图3是复合涂层剖面示意图。如图3所示，在工件100表面敷着有涂层210。涂层上面敷着固体润滑剂220。本发明使用的固体润滑剂是二硫化钼MoS₂。

为了使固体润滑剂220在摩擦面长时间维持在固体润滑剂敷层前,在涂层210上面形成孔。此孔230,240,250是在涂层制作过程中产生的一些不可避免的缺陷。如针尖状气孔230, 滴孔240等，以及用微型喷砂机人为形成的缺陷,该孔的形成主要是为了扩大固体润滑剂的储藏空间。

涂层制作工序中产生的缺陷孔有：滴孔240和针尖状气孔230。

滴孔240是工件形成涂层过程中，产生的金属微滴120，落在工件涂层表面后脱落，形成的孔叫做滴孔240。

针尖状气孔230是涂层上金属离子无法密集蒸着而形成的空间。

为了储藏更多固体润滑剂，而人为方式使用微型喷砂机形成的喷砂微孔250。人为形成的喷砂孔是用玻璃珠80#～100#为材料，以压缩空气 3～4Kg/cm²击打涂层形成喷砂微孔250。

图4是制作方法工艺流程图，在前面已经叙述过了，此处不再重复。

图5是摩擦系数测试结果图。如图5所示，图5是根据已开发的复合涂层与原涂层的摩擦系数测试结果图。

图5的纵坐标是摩擦系数，横坐标是长度，单位是米。

图5的检测条件是：负荷：10N；半径：10mm；线速度：100mm/s；距离：1000m。

复合涂层为：氮化铬CrN涂层+固体润滑剂敷层；

原涂层为：氮化铬CrN涂层；

摩擦系数测试结果为：

复合涂层摩擦系数为：0.202 , 氮化铬涂层摩擦系数为：0.722。

由此结果可明显看出，复合涂层摩擦系数远远低于氮化铬涂层的摩擦系数，因此复合涂层具有很好润滑性的优点。

图6是离子氮化炉设备结构示意图。如图6所示，图中炉体300，炉体内侧壁装有电阻加热器310，炉内下方设有回转托架350，回转托架与电源330连接，回转托架上放置被处理工件370，炉外侧设有气体流量控制器360，气体流量控制器控制N₂、Ar、H₂、CH₄等气体输入炉内的流量。气体流量控制器设有多条气体管路通入炉内。炉外的另一侧安装有调节温度用风扇320，在炉的下方设有管路与真空泵相连，真空泵为炉内抽真空用。

Claims

1.一种金属表面复合涂层制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）工件表面研磨和抛光步骤；

（2）工件清洗步骤；

（3）工件离子氮化步骤；

（4）工件敷着涂层步骤；

（5）工件涂层表面控制处理步骤；

（6）工件清洗步骤；

（7）在涂层上蒸着固体润滑剂敷层步骤；

（8）产品烘干及加热固化步骤。

2.根据权利要求1所述的金属表面复合涂层制作方法，其特征在于：在（1）工件表面研磨和抛光步骤中，工件用空压研磨工具使用砂纸按照120#-220#-320#-400#顺序研磨后，再使用混合好的橄榄油和金刚石粉末进行抛光。

3.根据权利要求1所述的金属表面复合涂层制作方法，其特征在于：在（2）工件清洗步骤中，清洗设备是3槽式（超声波槽，浸泡槽，蒸汽槽）超声波清洗机，使用三氯乙烯清洗液，先加热超声波槽中的清洗液，温度为40℃时将工件浸泡10～30分钟，然后工件移动到浸泡槽浸泡10～30分钟，浸泡槽使用三氯乙烯清洗液，再移动到蒸汽槽，该槽中是三氯乙烯清洗液，加热到84℃～90℃时蒸发，用蒸汽清洗工件表面。

4.根据权利要求1所述的金属表面复合涂层制作方法，其特征在于：在（3）工件离子氮化步骤中，将工件装入离子氮化炉内，炉内抽真空，真空度为0.3托以下，然后用电阻加热器加热，加热至温度为400℃～500℃，投入氩气Ar和氢气H2气体，真空度为0.5～0.8 托,打开偏压电源，附加-700V电压后，利用离子进行1～2小时的表面异物质清除之后，投入氮气N2和氢气H2，气体真空度为1.5 ～2.0托, 电压-380V处理8～12小时的离子氮化,处理结束后在炉内真空条件下降温,降到150℃后出炉。

5.根据权利要求1所述的金属表面复合涂层制作方法，其特征在于：在（4）工件敷着涂层步骤中，将工件装在电弧式物理气相沉积法的涂层炉的托架上，工件投入后，炉内开始抽真空,抽至真空度为1.0×10^-4 托，开始加热,使用电阻加热器,加热到350℃～500℃并维持此温度1小时以上，加热期间匀速转动托架，然后投入氮气，炉内真空度维持在4.0×10^-4 托，然后用电弧电源，电流50～60A进行靶材点火，开始电弧放电，启动与回转托架连接在一起的偏压电源后，附加-600V电压，电压持续上升到-900V工作10分钟，然后投入氩气Ar，真空度为1.0×10^-2 托时，实施电弧放电，电弧电源电流用60～80A点火靶材，偏压电压-100V,工作20分钟，此后再投入氮气，真空度为1.0×10^-2 托，实施电弧放电，电弧电源电流用60～80A点火靶材，偏压电压-100V,工作150分钟，涂层操作期间温度维持400℃～500℃，操作结束后在炉内保持高真空状态下降温到100℃后出炉。

6.根据权利要求1所述的金属表面复合涂层制作方法，其特征在于：在（5）工件涂层表面控制处理步骤中，先用1000#砂纸研磨工件涂层处理产生的微滴后，再装入微型喷砂机中，用 3～4Kg/cm2压缩空气，将80#玻璃珠均匀喷射在工件的使用部位表面，从而形成喷砂孔。

7.根据权利要求1所述的金属表面复合涂层制作方法，其特征在于：在（6）工件清洗步骤中，此步骤与（2）工件清洗步骤相同。

8.根据权利要求1所述的金属表面复合涂层制作方法，其特征在于：在（7）在涂层上蒸着固体润滑剂敷层步骤中，使用喷雾器将固体润滑剂按空压式喷射或者通过浸泡方式均匀敷着在产品表面后自然晾干。

9.根据权利要求1所述的金属表面复合涂层制作方法，其特征在于：在（8）产品烘干及加热固化步骤中，将晾干后的产品装入烘干炉中，在 200℃的温度下加热1小时，进行加热固化处理。