CN107385398A - 一种导轨用高硬度、耐磨抗蚀涂层及其制备工艺 - Google Patents

一种导轨用高硬度、耐磨抗蚀涂层及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导轨用高硬度用耐磨损涂层及其制备工艺，旨在提供一种效提高导轨表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性、延长使用寿命和提高导轨表面热硬性的涂层及其制备工艺。本发明包括涂层及其制备工艺，所述涂层的化学成分及含量分别为：N 50‑52%、Cr 48‑50%，所述涂层包括沉积层和扩散层，所述沉积层的厚度为14‑17um；所述制备工艺，它包括以下步骤：A.待喷涂导轨表面预加工、B.导轨表面净化、C.遮蔽保护、D.表面粗化、E.涂层制备、F.涂层研磨加工。本发明应用于各类高精度移动平台导轨的技术领域。

Description

一种导轨用高硬度、耐磨抗蚀涂层及其制备工艺
技术领域
本发明应用于各类高精度移动平台导轨,特别涉及一种导轨用高硬度、耐磨蚀涂层及其制备工艺。
背景技术
常用导轨材料有铸铁、钢和塑料等，铸铁具有减震性好，热稳定性高；市面上为了提高刚钢导轨的耐磨性，常采用滓硬钢导轨，淬火的钢导轨都是镶装或焊接上去的，要求一般的刚导轨，表面淬火或全淬，硬度为HRC52～58。要求高的钢导轨，常渗碳淬硬至HRC56～62；塑料镶装塑料导轨具有耐磨性好（但略低于铝青铜），抗震性能好，工作温度适应范围广（-200～+2600C），抗撕伤能力强，动、静摩擦系数低、差别小，可降低低速运动的临界速度，加工性和化学稳定好，工艺简单，成本低等优点。目前在各类机床的动导轨及图形发生器工作台的导轨上都有应用。塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨搭配。
在超厚涂层制备方面,申请号为201510329817.8的发明专利《超厚涂层真空等离子喷涂成型方法》提供了一种高结合强度的超厚涂层制备方法,采用多道次的真空等离子喷涂真空热处理喷砂、转移弧清理方法,涂层厚度可大于1.5mm,与基体的结合强度高达65MPa左右。但该涂层制备方法工艺复杂,生产成本高,制备的涂层面积受限于真空室尺寸,不适合大规格导轨表面涂层的制备。此外,申请号为201510168852.3的发明专利《一种大气等离子体喷涂法制备细晶钨、钥涂层的方法》通过对超细钨粉及钥粉进行造粒处理,喷涂过程中布置保护气幕,在无氧铜、不锈钢表面制备了低孔隙率、较好力学性能和抗热冲击的细晶钨、钥涂层,涂层厚度约,主要用于机械部件的耐磨表面保护层及耐高温等离子体冲刷部件。但该涂层的显微硬度为245-532Hv,与基体结合强度为10-35MPa,涂层导电率未考核,涂层的性能不稳定,也不适合导轨涂层制备。
现导轨在运动平台高速摩擦作用下导轨表面要经受极大的热一流冲击,易使导轨材料表面软化、甚至熔化、强度降低,从而导致“刨削”、“转挨”等现象产生,显著影响了测试平台的精度。现有解决导轨“刨削”、“转挨”等现象的主要技术是通过加工和装配过程的尺寸精度控制、以及导轨材质后处理等。通过加工和装配过程的尺寸精度控制来控制导轨精度，操作复杂，不能引起质变。为提高导轨的耐磨性，常对材质进行热处理，如经过铸铁导轨的热处理为提高铸铁导轨的耐磨性，常对导轨表面进行淬火处理。火焰淬火设备简单，但淬火温度不易控制，变形较大，应用较少。因此,测量设备导轨材料需具备高强、高硬、耐磨、抗蚀等综合性能,目前的单质材度料均难以同时满足上述要求。若能在高导的导轨表面制备一层厚度可控的高强耐磨抗蚀特殊涂层,就能有望解决测试平台由导轨产生精度误差的关键问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种有效提高导轨表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性、延长使用寿命和提高导轨表面热硬性的涂层及其制备工艺。
本发明所采用的技术方案是：本发明包括一种导轨用高硬度、耐磨蚀涂层，所述涂层的化学成分及含量分别为：N 50-52%、Cr 48-50%，所述涂层包括沉积层和扩散层，所述沉积层的厚度为14-17um。
进一步的，所述涂层的化学成分及含量分别为：N 50.96%、Cr 49.04%，所述沉积层的厚度为16um。
进一步的，本发明还包括一种导轨用高硬度用耐磨损涂层的制备工艺，它包括以下步骤：A.待喷涂导轨表面预加工；B.导轨表面净化；C.遮蔽保护；D.表面粗化；E.涂层制备；F.涂层研磨加工；所述涂层制备中的涂层是采用双阴极等离子溅射沉积技术制得，其具体步骤为：a.将工件装入双阴极等离子溅射沉积炉内；b.打开真空泵，将所述沉积炉的内腔抽到真空度3.8×10-3 Pa后向所述沉积炉内充入氩气，稳定气压至19-22Pa；c.打开冷却水，将工件极电压缓慢调至600V，对试样通过双阴极等离子预轰击10分钟；d.将气压调至35Pa，将源极电压调到950 V和工件极电压缓慢调至300V，当工作温度达到900°后，各工艺参数稳定后开始保温计时；e.保温3小时后，关闭源极和工件极电源，将所述沉积炉抽到极限真空，所述极限真空为6×10-4 Pa随所述沉积炉冷却至室温后开炉取出试样，放置在干燥皿中；f.将第一次制备的导轨试样，靶材到预定位置，重复上面b，c，d步骤，保温半小时后通入氮气，氩气与氮气的气流量比为40:1，气压仍为35Pa，源极电压调整为900V，工件电压调整为350V，保温时间3h，关闭源极和工件极电源，将所述沉积炉抽到极限真空，随炉冷却至室温后开炉取出试样，放置在干燥皿中。
进一步的，所述待喷涂导轨表面预加工是指在表面预加工时预留出喷涂层的厚度，预加工量留0.05-0.1mm，预加工时，要保证边角处平滑过渡，防止喷涂层因在边角处产生较大的内应力而剥落。
进一步的，所述导轨表面净化是指在温度为80 ~100℃的烤箱中低温反复烘烤，擦去油脂，放入装有丙酮的超声波容器内清洗清洗之后，用 SiC水砂纸精细打磨，然后用绒布精抛光至镜面，电吹风吹干。
进一步的，遮蔽保护是指采用喷涂工装对不需要喷涂的表面进行遮蔽保护。
进一步的，所述表面粗化是指对喷涂层导轨表面进行喷砂粗化，其步骤为在较强光线下喷砂至喷涂层导轨表面，从各个角度观察喷砂面，均无反射亮斑后，用压缩空气将黏附在工件表面的碎砂粒吹净，所述喷砂材料为多角冷硬铸铁砂。
进一步的，所述涂层研磨加工是指采用陶瓷砂轮对所述导轨涂层进行粗磨，精磨。
更进一步的，所述双阴极等离子溅射沉积炉包括炉体和均设置于所述炉体内的源极控制电源、工件极控制电源、真空模块、测温模块、输气模块和冷却模块，所述炉体设有外层保温罩和内层保温罩，所述外层保温罩上设置有贯穿所述内层保温罩的测温观察孔，所述内层保温罩内设置阴极座，所述阴极座上设置有垫片，所述垫片上设置有工件，所述工件上方设置有源极靶材。
本发明的有益效果是：由于本发明包括一种导轨用高硬度、耐磨蚀涂层，所述涂层的化学成分及含量分别为：N 50-52%、Cr 48-50%，所述涂层包括沉积层和扩散层，所述沉积层的厚度为14-17um,本发明还包括一种导轨用高硬度用耐磨损涂层的制备工艺，它包括以下步骤：A.待喷涂导轨表面预加工；B.导轨表面净化；C.遮蔽保护；D.表面粗化；E.涂层制备；F.涂层研磨加工；所述涂层制备中的涂层是采用双阴极等离子溅射沉积技术制得，其具体步骤为：a.将工件装入双阴极等离子溅射沉积炉内；b.打开真空泵，将所述沉积炉的内腔抽到真空度3.8×10-3 Pa后向所述沉积炉内充入氩气，稳定气压至19-22Pa；c.打开冷却水，将工件极电压缓慢调至600V，对试样通过双阴极等离子预轰击10分钟；d.将气压调至35Pa，将源极电压调到950 V和工件极电压缓慢调至300V，当工作温度达到900°后，各工艺参数稳定后开始保温计时；e.保温3小时后，关闭源极和工件极电源，将所述沉积炉抽到极限真空，所述极限真空为6×10-4 Pa随所述沉积炉冷却至室温后开炉取出试样，放置在干燥皿中；f.将第一次制备的导轨试样，靶材到预定位置，重复上面b，c，d步骤，保温半小时后通入氮气，氩气与氮气的气流量比为40:1，气压仍为35Pa，源极电压调整为900V，工件电压调整为350V，保温时间3h，关闭源极和工件极电源，将所述沉积炉抽到极限真空，随炉冷却至室温后开炉取出试样，放置在干燥皿中；所以本发明双阴极等离子溅射沉积技术较其它表面改性技术，可制备具有连续稳定的沉积层与扩散层的致密均匀涂层。实验过程中，在高速双阴极等离子体轰击下，工件表面形成空位和缺陷，导致靶材原子或原子团沿晶界扩散和向晶内扩渗，使扩散层和沉积层快速形成，且通过控制工艺参数可以控渗层化学成分渗层厚度，涂层制备的整个过程处于近似真空的环境中，因而涂层表面质量高，具有较低的表面粗糙度，工件表面不会有新钝化膜的生成，且无废气、废水的排出，另外所述涂层制备在f步骤中重复b，c，d步骤，使得所述涂层分两次制备，这样制备出的所述涂层不仅可以消除应力，还可加强所述涂层的结合力。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
图2是涂层的声发射曲线图；
图3是基体和涂层的纳米压痕曲线图；
图4是室温和500℃下基体和涂层在不同载荷下的比磨损率。
具体实施方式
在本实施例中，本发明包括一种导轨用高硬度、耐磨蚀涂层，所述涂层的化学成分及含量分别为：N 50-52%、Cr 48-50%，所述涂层包括沉积层和扩散层，所述沉积层的厚度为14-17um。
在本实施例中，所述涂层的化学成分及含量分别为：N 50.96%、Cr 49.04%，所述沉积层的厚度为16um。
在本实施例中，本发明还包括一种导轨用高硬度用耐磨损涂层的制备工艺，它包括以下步骤：A.待喷涂导轨表面预加工；B.导轨表面净化；C.遮蔽保护；D.表面粗化；E.涂层制备；F.涂层研磨加工；所述涂层制备其具体步骤为：a.将工件装入双阴极等离子溅射沉积炉内；b.打开真空泵，将所述沉积炉的内腔抽到真空度3.8×10-3 Pa后向所述沉积炉内充入氩气，稳定气压至19-22Pa；c.打开冷却水，将工件极电压缓慢调至600V，对试样通过双阴极等离子预轰击10分钟；d.将气压调至35Pa，将源极电压调到950 V和工件极电压缓慢调至300V，当工作温度达到900°后，各工艺参数稳定后开始保温计时；e.保温3小时后，关闭源极和工件极电源，将所述沉积炉抽到极限真空，所述极限真空为6×10-4 Pa随所述沉积炉冷却至室温后开炉取出试样，放置在干燥皿中；f.将第一次制备的导轨试样，靶材到预定位置，重复上面b，c，d步骤，保温半小时后通入氮气，氩气与氮气的气流量比为40:1，气压仍为35Pa，源极电压调整为900V，工件电压调整为350V，保温时间3h，关闭源极和工件极电源，将所述沉积炉抽到极限真空，随炉冷却至室温后开炉取出试样，放置在干燥皿中。所以本发明中采用双阴极等离子溅射沉积技术制备具有连续稳定的沉积层与扩散层的致密均匀涂层。且通过控制工艺参数可以控渗层化学成分渗层厚度。涂层制备的整个过程处于近似真空的环境中，因而涂层表面质量高，具有较低的表面粗糙度，工件表面不会有新钝化膜的生成，且无废气、废水的排出。磨削后的涂层厚度为0.8mm,涂层与导轨的结合强度结合力高于150N，完全满足滑动接触的应用。另外涂层分两次制备，这样制备出的涂层不仅可以消除应力，还可加强涂层的结合力；涂层的显微硬度为961.3HV,本发明获得的高硬度耐磨涂层主要用于高精度测量设备的导轨等部件,可以有效地提高导轨表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性,延长使用寿命,提高导轨表面热硬性、降低刨削失效机率,具有重要的工程应用价值。
在本实施例中，所述待喷涂导轨表面预加工是指在表面预加工时预留出喷涂层的厚度，预加工量留0.05-0.1mm，预加工时，要保证边角处平滑过渡，防止喷涂层因在边角处产生较大的内应力而剥落。
在本实施例中，所述导轨表面净化是指在温度为80-00℃的烤箱中低温反复烘烤，擦去油脂，放入装有丙酮的超声波容器内清洗清洗之后，用 SiC水砂纸精细打磨，然后用绒布精抛光至镜面，电吹风吹干，完成后导轨表面要小心保护，避免污染。
在本实施例中，遮蔽保护是指采用喷涂工装对不需要喷涂的表面进行遮蔽保护。
在本实施例中，所述表面粗化是指对喷涂层导轨表面进行喷砂粗化，其步骤为在较强光线下喷砂至喷涂层导轨表面，从各个角度观察喷砂面，均无反射亮斑后，用压缩空气将黏附在工件表面的碎砂粒吹净，所述喷砂材料为多角冷硬铸铁砂。
在本实施例中，所述涂层研磨加工是指采用陶瓷砂轮对所述导轨涂层进行粗磨，精磨。
在本实施例中，所述双阴极等离子溅射沉积炉包括炉体和均设置于所述炉体内的源极控制电源、工件极控制电源、真空模块、测温模块、输气模块和冷却模块，所述炉体设有外层保温罩和内层保温罩，所述外层保温罩上设置有贯穿所述内层保温罩的测温观察孔，所述内层保温罩内设置阴极座，所述阴极座上设置有垫片，所述垫片上设置有工件，所述工件上方设置有源极靶材。
在本实施例中，如图2所示，通过声发射曲线我们可以发现，从初始加载初始阶段一直随着载荷的增大至150N，涂层表面均表现出完整光滑，没有任何剥落迹象，对应的涂层发射信号也未见有明显的波动。表明涂层此时没有被划穿，即CrN涂层临界载荷大于150N。完全满足滑动接触的应用。
在本实施例中，如图3所示，采用纳米压入测试仪对所制备的结合力最好的涂层的硬度H和弹性模量E进行了测量。为了减小基体对纳米压入测试结果的影响，压痕深度必须小于涂层厚度的10%。从图2中可知，两种试样在最大载荷为20mN的压力下的最大压入深度均小于400nm，不足涂层厚度的十分之一,即1000nm，因此本实验在测试过程中能完全避免基体材料的影响，能真实的反应涂层的机械性能。在相同的加载条件下，涂层的纳米压入深度明显小于基体，表明涂层的硬度要高于基体。
利用非接触式表面三维形貌仪测试涂层以及导轨基体的磨损体积后，计算出比磨损率得出结果如图4所示:相同载载荷下涂层的比磨损率相比导轨基体在相同测试条件下的比磨损率大约降低了1个数量级，表明涂层改善了导轨基体的磨损性能；常温下涂层的比磨损率大于高温时的比磨损率，表明涂层耐高温，扩大了导轨的使用范围。
涂层相对于基体，涂层具有高的腐蚀电位和低的自腐蚀电流密度，钛合金的腐蚀电流密度高于涂层的腐蚀电流密度；腐蚀电流密度正比于材料的腐蚀速率，腐蚀电流密度越大，材料的腐蚀速率就越大，即耐蚀性能就越差。表明涂层对基体起到了腐蚀防护的作用，扩大了导轨的应用范围。另外，涂层相对于基体，极化电阻Rp变大，由1352KΩ增大到2612KΩ。极化电阻的增大表明试样表面的结构发生了变化，或者说在试样表面形成的钝化膜的电阻增大，导电率降低。纳米晶涂层对基体的保护效率(P)可由下列方程求得：
（公式一）
其中，icoor和（公式一符号）分别代表涂层和导轨基体的自腐蚀电流密度。由极化曲线测试结果，算得涂层对基体的保护效率为65.25%，延长了导轨的使用寿命。
本发明应用于各类高精度移动平台导轨的技术领域。
虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本发明含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。

Claims (9)

1.一种导轨用高硬度、耐磨蚀涂层，其特征在于：所述涂层的化学成分及含量分别为：N50-52%、Cr 48-50%，所述涂层包括沉积层和扩散层，所述沉积层的厚度为14-17um。
2.根据权利要求1所述的一种导轨用高硬度、耐磨蚀涂层，其特征在于：所述涂层的化学成分及含量分别为：N 50.96%、Cr 49.04%，所述沉积层的厚度为16um。
3.一种如权利要求1或2所述的导轨用高硬度、耐磨蚀涂层的制备工艺，其特征在于,它包括以下步骤：
待喷涂导轨表面预加工；
导轨表面净化；
遮蔽保护；
表面粗化；
涂层制备；
涂层研磨加工；
所述步骤E中的涂层制备中的涂层是采用双阴极等离子溅射沉积技术制得，其具体步骤为：
将工件装入双阴极等离子溅射沉积炉内；
打开真空泵，将所述沉积炉的内腔抽到真空度3.8×10-3 Pa后向所述沉积炉内充入氩气，稳定气压至19-22Pa；
打开冷却水，将工件极电压缓慢调至600V，对试样通过双阴极等离子预轰击10分钟；
将气压调至35Pa，将源极电压调到950 V和工件极电压缓慢调至300V，当工作温度达到900°后，各工艺参数稳定后开始保温计时；
保温3小时后，关闭源极和工件极电源，将所述沉积炉抽到极限真空，所述极限真空为6×10-4Pa随所述沉积炉冷却至室温后开炉取出试样，放置在干燥皿中；
将第一次制备的导轨试样，靶材到预定位置，重复上面b，c，d步骤，保温半小时后通入氮气，氩气与氮气的气流量比为40:1，气压仍为35Pa，源极电压调整为900V，工件电压调整为350V，保温时间3h，关闭源极和工件极电源，将所述沉积炉抽到极限真空，随炉冷却至室温后开炉取出试样，放置在干燥皿中。
4.根据权利要求3所述的一种导轨用高硬度、耐磨蚀涂层的制备工艺，其特征在于：所述待喷涂导轨表面预加工是指在表面预加工时预留出喷涂层的厚度，预加工量留0.05-0.1mm，预加工时，要保证边角处平滑过渡，防止喷涂层因在边角处产生较大的内应力而剥落。
5.根据权利要求3所述的一种导轨用高硬度、耐磨蚀涂层的制备工艺，其特征在于：所述导轨表面净化是指在温度为80 ~100℃的烤箱中低温反复烘烤，擦去油脂，放入装有丙酮的超声波容器内清洗清洗之后，用 SiC水砂纸精细打磨，然后用绒布精抛光至镜面，电吹风吹干。
6.根据权利要求3所述的一种导轨用高硬度、耐磨蚀涂层的制备工艺，其特征在于：遮蔽保护是指采用喷涂工装对不需要喷涂的表面进行遮蔽保护。
7.根据权利要求3所述的一种导轨用高硬度、耐磨蚀涂层的制备工艺，其特征在于：所述表面粗化是指对喷涂层导轨表面进行喷砂粗化，其步骤为在较强光线下喷砂至喷涂层导轨表面，从各个角度观察喷砂面，均无反射亮斑后，用压缩空气将黏附在工件表面的碎砂粒吹净，所述喷砂材料为多角冷硬铸铁砂。
8.根据权利要求3所述的一种导轨用高硬度、耐磨蚀涂层的制备工艺，其特征在于：所述涂层研磨加工是指采用陶瓷砂轮对所述导轨涂层进行粗磨，精磨。
9.根据权利要求3所述的一种导轨用高硬度、耐磨蚀涂层的制备工艺，其特征在于：所述双阴极等离子溅射沉积炉包括炉体和均设置于所述炉体内的源极控制电源、工件极控制电源、真空模块、测温模块、输气模块和冷却模块，所述炉体设有外层保温罩和内层保温罩，所述外层保温罩上设置有贯穿所述内层保温罩的测温观察孔，所述内层保温罩内设置阴极座，所述阴极座上设置有垫片，所述垫片上设置有工件，所述工件上方设置有源极靶材。
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