复合涂层活塞杆及其制造方法
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。