CN1127534A - 滑动部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是滑动部件及其制造方法，即在用喷砂处理使铸铁或钢的表面粗糙度达到2-8μm的滑动部件的滑动部位基底表面上，采用离子电镀形成以铬和氮为主要成分的覆膜，膜厚至少在10μm以上，通过研磨使膜表面粗糙度达到0.8μm以下，采用该方法可以制造具有良好耐久性且工业应用价值高的滑动部件。

Description

滑动部件及其制造方法
               技术领域
本发明关于具有耐磨性、耐烧结性和附着性均好的高硬度离子电镀膜的滑动部件及其制造方法。
               背景技术
内燃机中的活塞环和压缩机的叶片等滑动部件的滑动表面要求具有很高的滑动性能，镀硬铬由于具有良好的性能，以往一直为人们所采用。但是，近年来由于内燃机的输出功率不断提高，对排出气体的要求、重量减轻以及对于以往类型的氟利昂气体的使用限制，这些滑动部件表面所承受的负荷逐渐增大，人们转而采用离子电镀法形成的TiN膜、TiC膜、CrN膜。
用PVD法形成的TiN膜等又硬又脆，并且膜的残余应力高，因而附着性差，以厚膜使用时发生镀膜剥落问题，镀膜表面粗化时则发生与之相配合的部件磨损问题。为此特公平4-19412中公布了一种方法，首先用常规方法制造活塞环母材，通过研磨调整其表面粗糙度，在其上面形成非常薄的TiN膜。形成TiN膜之后，原则上不再进行加工，为了最大限度改善初期的状态，常进行研磨抛光。
在上述现有技术中，出于采用研磨加工调整基底表面的粗糙度，加工时基底产生变质层。该变质层在离子电镀工序的前处理-离子轰击时无法去除，导致基底与镀膜之间的粘附性不足，若加大膜的厚度，则镀膜容易剥落，反之，为了确保镀膜的附着性而减小膜厚时，滑动部件的耐久性不足。
              发明的说明
本发明的目的是解决涂镀TiN膜或TiC膜等离子电镀膜的滑动部件存在的上述问题，提供具有良好耐久性的滑动部件及其制造方法。
本发明的滑动部件在由基底表面的粗糙度为2-8μm的铸铁或钢构成的滑动部件的至少滑动面上具有用离子电镀形成的以铬和氮为主要成分的膜，并且该膜的表面粗糙度在0.8μm以下，膜厚为10μm以上，该膜是由金属铬和氮化铬构成的混合组织、氮化铬组织或氮浓度从膜内部向膜外部连续或分段增大的组织，还包括该组织是非晶态组织的情况。另外，本发明还包括上述滑动部件的制造方法，其特征在于所述方法由下列三道工序组成，第一道工序是对滑动部件的滑动面喷砂，第二道工序是利用离子电镀形成由铬和氮构成的膜，第三道工序是对镀膜表面进行研磨等加工。
一般地说，对于具有耐磨性镀膜的滑动部件的滑动面的形成方法，虽考虑由于要留出研磨余量而在镀膜时适当增加膜的厚度，并通过精磨表面减小表面的粗糙度，但离子电镀膜由于膜内应力比电镀膜高，且膜的硬度也大，因而容易剥落，并且内应力随膜的厚度而增大，因而在上述方法中研磨时镀膜发生剥离，另外，TiN膜和TiC膜由于Ti的蒸发速度慢，因而离子电镀的成膜速度迟缓，为留出研磨余量而增大镀膜厚度在工业生产上是不合算的，因而不被采用。
在本发明中，第一、通过喷砂除去基底表面的加工变质层，同时使表面粗糙度达到2-8μm。这是基于下面的考虑，即表面粗糙度在2μm以下时镀膜的残余应力高，膜的附着性不好，而在8μm以上时，降低镀膜残余应力的效果减小，为减小表面粗糙度要耗废大量工时并且必须确保膜厚，因而效率大为降低。采用喷砂物理地去除基底加工变质层，因而可以得到基底的活性表面。这种活性状态虽然不能保证到离子电镀时，但通过离子电镀工序中的离子轰击处理很容易使活性得到恢复，从而使离子镀膜与基底之间具有良好的附着性。另外，由于加大表面粗糙度，与离子镀膜的接触面积增加，进一步提高了膜与基底的粘附性。同时由于膜的残余应力减小，膜的剥离倾向降低。综上所述，由于镀膜的附着性提高，因而镀膜形成后即使研磨也不会发生剥离。本发明采用喷砂处理除去加工变质层，在表面粗糙度达到2-8μm的基底表面上进行离子电镀，使基底表面上形成镀膜，然后研磨镀膜的表面，将其粗糙度调整到0.8μm以下。在基底表面上形成的镀膜的厚度，与基底表面的粗糙度和镀膜表面粗糙度的调整相关联适当加以选择，为了提高膜的耐久性至少在10μm以上，低于这一厚度时，滑动部件表面耐受负荷的能力不足，另外，膜表面粗糙度超过0.8μm时，将给与之相配合的部件造成不良影响。
第二，在本发明中，离子电镀形成的膜是以铬和氮为主要成分，之所以由铬和氮构成镀膜，是因为铬的蒸气压比钛高的多，蒸发速度快，因而离子电镀时成膜速度也要快的多，这样，考虑到留出研磨余量而增大膜厚就不会带来经济上的问题。另外，由铬和氮构成的膜，具有良好的耐烧结性、耐磨性、耐腐蚀性，适合于作为滑动部件的表面膜层，不仅如此，与TiN膜和TiC膜相比，其内应力低，具有良好的抗剥离性，因而可以加大膜厚，从而得到具有良好耐久性的滑动制品。这里所说的由铬和氮构成的膜，是由Cr、Cr2N、CrN以及它们的混合物构成的膜，包括氮浓度从膜内部向膜外部连续或分段增大的膜，此外还包括膜组织是非晶态组织的情况。
              附图的简要说明
图1是所使用的叶片的斜视图。
图2是离子电镀装置的示意图。
本发明的优选实施方案
本发明是通过下列工序实施的，即利用喷砂使表面活化的工序，利用离子电镀形成出铬和氮构成的镀膜的工序，以及采用抛光等方法研磨表面的工序。
在喷砂工序中，向滑动部件的滑动基底表面上喷吹砂与空气的高压混合气体，除去基底表面上的污染物、氧化物等损害镀膜附着性的物质，得到基底活性表面。在该工序中，可以通过改变氧化铝、碳化硅等粉末的粒度和改变压力、喷吹次数来改变平均表面粗糙度。如表1中所示，平均表面粗糙度在2μm以下时膜层的残余应力高，平均表面粗糙度在2μm以上时膜层的残余应力逐渐减小，在8μm以上时膜层残余应力降低的效果减小。但是，如果表面粗糙度过高，则必须相应增大膜厚，并且表面研磨所需的时间增加，因此表面粗糙度在4-6μm最为适宜。
                    表1
基底表面粗糙度 残余应力   覆膜膜厚 覆膜组织
约0.8μm以下  1480MPa     43μm     CrN
约0.8μm-约2.0μm  1400MPa     40μm     CrN
约2.0μm-约4.0μm  1350MPa     46μm     CrN
约4.0μm-约6.0μm  1320MPa     38μm     CrN
约6.0μm-约8.0μm  1290MPa     45μm     CrN
约8.0μm以上  1280MPa     42μm     CrN
将100根钢制活塞环(外径85mm×高度2mm×径向厚度3.1mm)的外周对齐，沿高度方向叠放在一起，用圆板和螺母夹持其两边，用作被处理物。另外，同样地将50个钢制(经过氮化)的回转式压缩机用叶片(50mm×30mm×5mm)(见图1)的R滑动面对齐，用夹具固定住，作为被处理物。
首先，采用喷砂使外周面活化。砂使用#180的碳化硅，在490KPa的压力下对其外周面喷砂两次，使表面粗糙度达到平均4.3μm。用三氯乙烷清洗并进行蒸气除油，将砂完全洗掉。另外，如果用清洁的压缩空气可以除去砂，则不必用三氯乙烷清洗，因此本发明对防治污染是十分有利的。
接下来，用HCD离子电镀法在经过上述处理的被处理物上镀覆由铬和氮构成的膜。下面参照图2对该方法进行详细说明。
将该活塞环设置在真空装置1内，然后用真空泵(图中未示出)减压至1×10-4托以下，用加热器3加热至400℃。经过规定的时间后，由进气口9导入氩气直至达到约1×10-2托，加直流电压引起辉光放电，用氩离子轰击基底表面。接着，用空心阴极4产生电子束，电子束击中水冷式铜坩埚5中的金属铬6，使铬蒸发。另外，利用线圈7使电子束收束。接着由进气口10导入氮气至规定的压力，在活塞环2的外周面上形成由铬和氮构成的镀膜，形成的膜厚度为20-60μm。
在涂镀由铬和氮构成的非晶态膜的情况下，用加热器加热至200℃。另外，在形成氮浓度从膜内部向膜外部连续或分段增大的膜的情况下，在规定的涂镀时间里连续或分段增加导入的氮气量直至达到氮气分压。
按照以上所述，采用表2中所示的各种条件涂镀以铬和氮为主要成分的膜，制成活塞环和叶片。
                   表2
                      涂    镀    条    件
  实施例No. 温度     氮气分压  Ar气量   电子束电流   时间
  实施例1  200℃   1.2×10-3torr   30cc    500A   200分
  实施例2  400℃   1.0×10-3torr   30cc    500A   200分
  实施例3  400℃   1.2×10-3torr   30cc    500A   200分
  实施例4  400℃   1.5×10-3torr   30cc    500A   200分
  实施例5  400℃   3.0×10-3torr   30cc    500A   200分
  实施例6  400℃   连续地上升至3.0×10-3torr 30cc 500A 200分
然后，采用研磨抛光精加工按上述条件制成的活塞环和叶片，使其表面粗糙度在0.8μm以下。对这些活塞环和叶片的镀膜进行测试和分析，结果列于表3中。镀膜的组成分析采用EPMA，组织分析采用X射线分析，硬度采用显微维式硬度计测定镀膜断面，膜厚用金属显微镜测定。
                   表3
 实施例No.  膜厚μm    组织      组成    硬度  覆膜剥离
实施例1  35μm  非晶态  Cr，N、杂质   1712Hmv   无
实施例2  38→μm  Cr，Cr2N  Cr，N、杂质   1581Hmv   无
实施例3  32→μm  Cr2N  Cr，N、杂质   1676Hmv   无
实施例4  33→μm  Cr2N、CrN  Cr，N、杂质   1996Hmv   无
实施例5  30→μm  CrN  Cr，N、杂质   1896Hmv   无
实施例6  30→μm  最外表面CrN  Cr，N、杂质   1812Hmv   无
比较例1  7→μm  TiN  Ti，N、杂质   2400Hmv   无
比较例2  35→μm  Cr，Cr2N  Cr，N、杂质   1623Hmv   有
(符号→表示以上)
比较例1、2是用现有技术方法制造的活塞环和叶片。比较例1是采用研磨抛光精加工活塞环和叶片的基底外周面至约0.18μm，然后有三氯乙烷清洗除油，用离子电镀形成约7μm的TiN膜。再采用轻抛光进行精加工。比较例2，是与比较例同样地操作，涂镀以铬和氮为主要成分的膜。
将上述实施例中制成的活塞环和叶片实际装机进行评价。同时还对用现有技术方法镀膜的活塞环和叶片(比较例1和比较例2)进行评价。结果示于表4和表5中。本发明的活塞环和叶片的耐磨性均不低于现有技术产品(比较例1)，膜厚度较厚的产品的耐久性非常好。另外，现有技术的耐久性较佳的产品，镀膜产生剥离，如果评价时间延长势必造成与之相配合的部件磨损。
                     表4
实际装机评价条件
    评价发动机                2800cc柴油发动机
    转速×负荷                 2500转×4/4
    时间                       100小时
    燃料                        轻油
  磨损量μm   残留膜厚μm  耐久性  覆膜剥离
实施例1     3μm  28μm  1033hr     无
实施例2     5μm  32μm  740hr     无
实施例3     4μm  30→μm  1133hr     无
实施例4     2μm  27→μm  1450hr     无
实施例5     3μm  26→μm  966hr     无
实施例6     3μm  33→μm  1233hr     无
比较例1     4μm  4→μm  200hr     无
比较例2     3μm  30→μm  1100hr     有
(符号→表示以上)
              表5评价用的压缩机             密闭型致冷剂压缩机致冷剂                     1，1，1，2-四氯乙烷冷冻机油                   聚亚烷基二醇类转速                       200rpm时间                       200小时
 磨损量μm 残留膜厚μm    耐久性  覆膜剥离
实施例1     2μm  30μm    3200hr     无
实施例2     3μm  32μm    2333hr     无
实施例3     2μm  31→μm    3300hr     无
实施例4     1μm  29→μm    6000hr     无
实施例5     1μm  28→μm    5800hr     无
实施例6     2μm  34→μm    3600hr     无
比较例1     3μm   3→μm     400hr     有
比较例2     2μm  29→μm    3100hr     有
(符号→表示以上)
                    在工业上的应用
如上所述，本发明的滑动部件具有良好的耐久性、适合于发动机中使用的活塞环、机械密封件、压缩机的叶片等，具有很高的工业应用价值。

Claims (7)

1.滑动部件，其特征在于，在由基底表面的粗糙度为2-8μm的铸铁或钢构成的滑动部件的至少滑动面上具有用离子电镀形成的以铬和氮为主要成分的膜，该膜的表面粗糙度在0.8μm以下，膜厚为10μm以上。
2.权利要求1所述的滑动部件，其特征在于，基底表面的粗糙度是4-6μm。
3.权利要求1或2所述的滑动部件，其特征在于，以铬和氮为主要成分的膜是由金属铬和氮化铬构成的混合组织。
4.权利要求1或2所述的滑动部件，其特征在于，以铬和氮为主要成分的膜是氮化铬。
5.权利要求1或2所述的滑动部件，其特征在于，以铬和氮为主要成分的膜中氮浓度从膜内部向膜外部连续或分段增大。
6.权利要求3-5中任一项所述的滑动部件，其特征在于，以铬和氮为主要成分的膜是非晶态组织。
7.权利要求1-6中任一项所述滑动部件的制造方法，其特征在于所述方法由下列三道工序构成：第一道工序是对滑动部件的滑动面喷砂，第二道工序是利用离子电镀形成由铬和氮构成的覆膜，第三道工序是对镀膜表面进行研磨等加工。
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