CN110468259A - 一种抗磨液压泵零件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于液压泵制造技术领域，具体涉及一种抗磨液压泵零件的制备方法，液压泵零件基体材料经过淬火、高温回火、粗精加工后采用离子镀方法进行渗碳处理，然后再通过离子镀和磁控溅射复合方法沉积表面的HfCrWSiC多元复合碳化物涂层；发明的制备方法将HfCrWSiC碳化物涂层、物理气相沉积方法与渗碳技术相结合，能够减缓HfCrWSiC多元复合涂层与液压泵零件基体材料之间的物理性能差异，提高基体材料的表面硬度与支撑作用，具有很高的表面硬度和芯部韧性，本发明可增强涂层与基体的附着性能100％以上，表面硬度提高2倍以上，缩短表面处理时间90％以上，延长液压泵的使用寿命一倍以上，降低液压泵的维护和保养成本70％以上。

Description

一种抗磨液压泵零件的制备方法
技术领域
本发明属于液压泵制造技术领域，具体涉及一种抗磨液压泵零件的制备方法。
背景技术
液压泵是液压传动系统的动力元件，其作用是将动力机(如电机和内燃机等)的机械能转换成油液的液压能，并为整个液压系统提供动力。随着工业技术的快速发展，液压泵逐渐朝着高压、高速及大流量方向发展。由于液压泵在高速运转同时还要承受高而集中的交变载荷作用，泵内的零件磨损是国产液压泵尤其是高压液压泵的主要损坏形式，因此，提高液压泵零件材料的使用性能是发展高压、高速液压泵的关键技术之一。
由于碳化物涂层具备高硬度，高强度，化学性质稳定，耐热，抗磨损等优良特性，因此有望通过在零件表面制备碳化物涂层或通过金属表层的碳化处理来提高零件的耐磨性。
目前制备碳化物涂层的技术主要有喷涂、渗碳以及气相沉积等方法。其中，喷涂是指借助压力或离心力，将涂层材料喷射到工件的表面，该方法制备涂层虽然具有较高的喷涂效率，但是涂层与工件基体的结合力很差，而且涂层的表面非常粗糙，不适合高压高速的恶劣工况条件；渗碳是指使碳原子渗入到钢类工件表层的过程，从而使工件表面获得很高的表面硬度，提高其耐磨性能。但是由于渗碳温度达到800℃以上，渗碳后工件仍要进行淬火和回火，使得工件表面发生较大变形，无法保证零件的尺寸和形状精度，处理完的零件仍需修磨和再加工，而且渗碳及后续热处理时间通常达到30小时以上，效率低下；气相沉积法，尤其是物理气相沉积(PVD)，制备的涂层表面具有极高的硬度、强度，以及良好的热稳定性和耐磨性，而且该制备工艺温度可控制在400℃以下，不会导致零件基体组织变化，表面尺寸和形状精度也不受影响。因此，物理气相沉积技术(PVD)在表面处理领域极具潜力。但是，直接在液压泵零件表面制备PVD碳化物涂层，会由于基体硬度、弹性模量、热膨胀系数等性能与涂层材料相差较大，无法获得较高结合力的PVD涂层，使得PVD涂层过早脱落和失效。中国专利CN101058870A模具表面采用单一的PVD涂层，涂层与基体的结合力差以及PVD涂层同基体的力学匹配差是限制PVD涂层高硬度及低摩擦系数等优势发挥的重要因素。中国专利CN103727180A直接在碳钢表面制备了耐磨陶瓷涂层和金刚石涂层，由于基体较软的硬度无法支撑涂层以及基体与涂层之间明显的性能差异导致制备的涂层使用性能无法满足诸多实际使用要求，尤其是高速、重载、交变载荷工况条件下涂层很快脱落和磨损。
发明内容
本发明目的在于提供一种抗磨液压泵零件的制备方法，可提高液压泵零件基体材料的硬度，使其具备较高抗磨性，同时增强涂层与基体的附着性能，从而改善液压泵零件的综合性能，有效提高表面处理效率和工件的使用寿命。
本发明所述的抗磨液压泵零件的制备方法，液压泵零件基体材料经过淬火、高温回火、粗精加工后采用离子镀方法进行渗碳处理，然后再通过离子镀和磁控溅射复合方法沉积表面的HfCrWSiC多元复合碳化物涂层；沉积时采用2个C离子镀靶，1个Hf磁控溅射靶，1个Cr磁控溅射靶，1个W磁控溅射靶和1个Si磁控溅射靶；具体包括以下步骤：
(1)零件基体加工：零件基体毛坯→淬火→高温回火→粗加工→半精加工→去应力回火→精加工，通过淬火及高温回火处理能够保证零件基体芯部足够的韧性和抗冲击变形能力；
(2)零件表面预处理：采用金属清洗剂去除工件表面油污，漂洗烘干；
(3)零件表面处理：将零件依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各30min，去除表面杂质和其它附着物，干燥充分后迅速放入PVD复合镀膜机，抽真空至6.5×10-3Pa，加热至300℃，保温20min；
(4)表面辉光清洗：通Ar气，其压力为3.0-4.0Pa，温度270℃，打开偏压电源电压800V，占空比0.2，表面辉光放电清洗18min；
(5)表面离子清洗：偏压调至650V，占空比0.3，Ar气压1.3Pa，温度270℃，开启离子源，离子清洗10min，开启电弧C靶电源，C靶电流115A，离子轰击5～6min；
(6)离子镀渗碳：C靶离子镀电源调为120A，Ar气压0.8～0.85Pa，基体偏压调至300V，温度250℃，进行离子渗碳25-35min；
(7)沉积碳化物梯度涂层：Ar气压调为0.7～0.8Pa，偏压降为210V，沉积温度200℃，C靶电流调至60A，打开磁控溅射Hf靶电流70A，磁控溅射Cr靶电流60A，磁控溅射W靶电流40A，磁控溅射Si靶电流40A，沉积HfCrWSiC复合层3～4min；其它参数不变，增加C靶电流，C靶电流每次增加5A，沉积HfCrWSiC复合层3～4min，直至C靶电流增至100A，再沉积HfCrWSiC复合层3～4min；
(8)后处理：关闭各靶电源、离子源及气体源，涂层结束。
本发明所述的零件基体材料为20Cr、20Cr2Mo、20Mn2TiB、20Cr2Ni4、20CrMnTi、32Cr2MoV、40Cr中低碳钢及合金钢中的一种。
本发明所制得的液压泵零件具有以下结构：零件基体表面向外依次具有表面渗碳扩散层、HfCrWSiC多元复合碳化物涂层。
本发明通过在液压泵零件基体表面物理气相沉积进行表面渗碳及涂层处理，制得抗磨液压泵零件，将碳化物涂层、PVD方法与渗碳技术相结合，在碳化物涂层与零件基体间通过离子溅射的方法制备一个渗碳扩散层，即对基体表面先通过离子溅射的方法进行表面渗碳处理，然后再采用离子镀和磁控溅射复合方法沉积成分梯度变化的HfCrWSiC多元复合碳化物涂层，以减缓涂层与基体材料的物理性能差异，提高基体材料的硬度，增强涂层与基体的附着性能，从而改善液压泵零件的抗磨性等综合性能，有效提高表面处理效率和工件的使用寿命。
本发明通过表面离子渗碳处理，使碳原子渗入到零件内部，并随着深度的增加，碳原子的浓度逐渐减小，有利于形成高硬度和强度的碳化物梯度扩散层，从而为后续HfCrWSiC多元复合碳化物涂层的制备提供强有力的支撑基体以及良好的结合性能；而通过离子镀和磁控溅射复合方法制备的成分渐变的HfCrWSiC多元复合碳化物梯度涂层，可以减缓涂层与基体材料之间的性能差异，改善结构和性能上的匹配性能，增大涂层与基体的结合力和涂层的耐冲击性能。同时，该HfCrWSiC多元复合碳化物梯度涂层中，C元素可降低涂层表面的摩擦系数，降低液压泵工作过程中的噪音和摩擦磨损，Hf元素提高了涂层的抗磨损性，Cr元素对涂层起到固溶强化作用，Si和W元素改善了涂层硬度和抗化学扩散性能，提高了涂层的抗氧化性能。成分渐变的HfCrWSiC多元复合梯度碳化物涂层能够阻止涂层裂纹的扩展，可改善工件的物理机械性能。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果。
本发明制得的抗磨液压泵，与原有基体材料相比，可增强涂层与基体的附着性能100％以上，减小工作过程中的摩擦和粘结，表面硬度提高2倍以上，由于采用物理气相沉积技术进行渗碳和涂层处理，缩短工艺处理时间80％以上，延长液压泵的使用寿命一倍以上，降低液压泵的维护和保养成本50％以上。同时，由于该制备工艺温度可控制在300℃以下，不会导致零件基体组织性能退化，表面尺寸和形状精度不受影响，处理完后无需进行修磨和再加工，可作为零件的最终处理工艺。
附图说明
图1为本发明制备的抗磨液压泵零件的表面结构示意图。
图中：1、零件基体 2、表面渗碳扩散层 3、HfCrWSiC多元复合碳化物涂层。
具体实施方式
下面给出本发明的两个最佳实施例。
本发明所述的液压泵零件为可用于生产制造液压泵的所有金属零件。
实施例1
本发明所述的抗磨液压泵零件的制备方法，液压泵零件基体材料为40Cr，液压泵零件基体材料经过淬火、高温回火、粗精加工后采用离子镀方法进行渗碳处理，然后再通过离子镀和磁控溅射复合方法沉积表面的HfCrWSiC多元复合碳化物涂层；沉积时采用2个C离子镀靶，1个Hf磁控溅射靶，1个Cr磁控溅射靶，1个W磁控溅射靶和1个Si磁控溅射靶；具体包括以下步骤：
(1)零件加工：零件毛坯→淬火(870～880℃，水冷)→高温回火(540～560℃，水冷)→粗加工→半精加工→去应力回火(500～550℃，空冷)→精加工(表面粗糙度Ra1.6μm，加工尺寸：公差下限)；
(2)零件表面预处理：采用金属清洗剂去除工件表面油污，漂洗烘干；
(3)零件表面处理：将零件依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各30min，去除表面杂志和其它附着物，干燥充分后迅速放入PVD复合镀膜机，抽真空至6.5×10-3Pa，加热至300℃，保温20min；
(4)表面辉光清洗：通Ar气，其压力为3.0-4.0Pa，温度270℃，打开偏压电源电压800V，占空比0.2，表面辉光放电清洗18min；
(5)表面离子清洗：偏压调至650V，占空比0.3，Ar气压1.3Pa，温度270℃，开启离子源，离子清洗10min，开启电弧C靶电源，C靶电流115A，离子轰击5～6min；
(6)离子镀渗碳：C靶离子镀电源调为120A，Ar气压0.8～0.85Pa，基体偏压调至300V，温度250℃，进行离子渗碳25-35min；
(7)沉积碳化物梯度涂层：Ar气压调为0.7～0.8Pa，偏压降为210V，沉积温度200℃，C靶电流调至60A，打开磁控溅射Hf靶电流70A，磁控溅射Cr靶电流60A，磁控溅射W靶电流40A，磁控溅射Si靶电流40A，沉积HfCrWSiC复合层3～4min；其它参数不变，增加C靶电流，C靶电流每次增加5A，沉积HfCrWSiC复合层3～4min，直至C靶电流增至100A，再沉积HfCrWSiC复合层3～4min；
(8)后处理：关闭各靶电源、离子源及气体源，涂层结束。
本实施例制得的具有HfCrWSiC多元复合碳化物涂层的抗磨液压泵零件，如图1，零件基体表面向外依次具有表面渗碳扩散层1、HfCrWSiC多元复合碳化物涂层2，制得的抗磨液压泵零件表面显微硬度达到HV2830，相比单独传统渗碳工艺的表面硬度(HV650)提高了3.3倍；结合强度为74-83N，相比单纯PVD涂层的结合强度(28-34N)提高了110-150％；涂层厚度为2μm，涂层表面粗糙度达到Ra 68-72nm。在相同的摩擦实验条件下(CETR UMT球盘摩擦磨损试验机，往复直线运动，对磨球为表面硬度HRC55-60的轴承钢，加载载荷80N，滑动速度10mm/s，对磨时间30min),本发明制备的抗磨涂层的磨损率只有2.18-2.47×10-6mm3/N·m，与未渗碳和涂层处理的普通淬火试样相比，磨损率降低了69-73％。整个有效渗碳及涂层时间约为1h，只有传统渗碳工艺处理时间的4％，而且没有后续的修磨和再加工工序。
实施例2
本发明所述的抗磨液压泵零件的制备方法，液压泵零件基体材料为40Cr，液压泵零件基体材料经过淬火、高温回火、粗精加工后采用离子镀方法进行渗碳处理，然后再通过离子镀和磁控溅射复合方法沉积表面的HfCrWSiC多元复合碳化物涂层；沉积时采用2个C离子镀靶，1个Hf磁控溅射靶，1个Cr磁控溅射靶，1个W磁控溅射靶和1个Si磁控溅射靶；具体包括以下步骤：
(1)零件基体加工：零件基体毛坯→淬火(910～930℃，油淬)→高温回火(560～620℃，空冷)→粗加工→半精加工→去应力回火(550～600℃，油冷)→精加工(表面粗糙度Ra1.6μm，加工尺寸：公差下限)；
(2)零件表面预处理：采用金属清洗剂去除工件表面油污，漂洗烘干；
(3)零件表面前处理：将零件依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面杂志和其它附着物，干燥充分后迅速放入PVD复合镀膜机，抽真空至6.0×10-3Pa，加热至300℃，保温30min；
(4)表面辉光清洗：通Ar气，其压力为3.0-3.5Pa，温度300℃，打开偏压电源电压800V，占空比0.2，表面辉光放电清洗20min，同时活化零件表面，以提高表面的结合性能；
(5)表面离子清洗：偏压调至650V，占空比0.3，Ar气压1.5Pa，温度280℃，开启离子源，离子清洗20min，开启电弧C靶电源，C靶电流130A，离子轰击5min，通过金属离子对零件表面轰击，在表面形成共渗层，提高结合力；
(6)离子镀渗碳：C靶离子镀电源调为125A，Ar气压0.8～0.9Pa，基体偏压调至400V，温度230℃，进行离子渗碳35min；
(7)沉积碳化物梯度涂层：Ar气压调为0.7～0.8Pa，偏压降为210V，沉积温度200℃，C靶靶电流调至50A，打开磁控溅射Hf靶电流80A，磁控溅射Cr靶电流70A，磁控溅射Mo靶电流60A，沉积HfCrM℃复合层4min；其它参数不变，增加C靶电流，C靶电流每次增加5A，沉积HfCrM℃复合层4min，直至C靶电流增至90A，再沉积HfCrM℃复合层4min；
(8)后处理：关闭各靶电源、离子源及气体源，涂层结束。
本实施例制备的HfCrWSiC多元复合抗磨涂层表面显微硬度达到HV2710，结合强度为73-80N，涂层厚度为2.2μm，涂层表面粗糙度达到Ra 70-74nm，整个有效渗碳及涂层时间为1.5h。

Claims (3)

1.一种抗磨液压泵零件的制备方法，其特征在于：液压泵零件基体材料经过淬火、高温回火、粗精加工后采用离子镀方法进行渗碳处理，然后再通过离子镀和磁控溅射复合方法沉积表面的HfCrWSiC多元复合碳化物涂层；沉积时采用2个C离子镀靶，1个Hf磁控溅射靶，1个Cr磁控溅射靶，1个W磁控溅射靶和1个Si磁控溅射靶；具体包括以下步骤：
(1)零件基体加工：零件基体毛坯→淬火→高温回火→粗加工→半精加工→去应力回火→精加工；
(2)零件表面预处理：采用金属清洗剂去除工件表面油污，漂洗烘干；
(3)零件表面处理：将零件依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各30min，去除表面杂质和其它附着物，干燥充分后迅速放入PVD复合镀膜机，抽真空至6.5×10-3Pa，加热至300℃，保温20min；
(4)表面辉光清洗：通Ar气，其压力为3.0-4.0Pa，温度270℃，打开偏压电源电压800V，占空比0.2，表面辉光放电清洗18min；
(5)表面离子清洗：偏压调至650V，占空比0.3，Ar气压1.3Pa，温度270℃，开启离子源，离子清洗10min，开启电弧C靶电源，C靶电流115A，离子轰击5～6min；
(6)离子镀渗碳：C靶离子镀电源调为120A，Ar气压0.8～0.85Pa，基体偏压调至300V，温度250℃，进行离子渗碳25-35min；
(7)沉积碳化物梯度涂层：Ar气压调为0.7～0.8Pa，偏压降为210V，沉积温度200℃，C靶电流调至60A，打开磁控溅射Hf靶电流70A，磁控溅射Cr靶电流60A，磁控溅射W靶电流40A，磁控溅射Si靶电流40A，沉积HfCrWSiC复合层3～4min；其它参数不变，增加C靶电流，C靶电流每次增加5A，沉积HfCrWSiC复合层3～4min，直至C靶电流增至100A，再沉积HfCrWSiC复合层3～4min；
(8)后处理：关闭各靶电源、离子源及气体源，涂层结束。
2.根据权利要求1所述的抗磨液压泵零件的制备方法，其特征在于：零件基体材料为20Cr、20Cr2Mo、20Mn2TiB、20Cr2Ni4、20CrMnTi、32Cr2MoV、40Cr中低碳钢及合金钢中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的抗磨液压泵零件的制备方法，其特征在于：所制得的液压泵零件具有以下结构：零件基体表面向外依次具有表面渗碳扩散层、HfCrWSiC多元复合碳化物涂层。
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