CN113215537A - 一种连杆用防护涂层的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连杆用防护涂层的制备方法，包括如下步骤：步骤1：将由杆体和连接在杆体两端的球体组成的连杆清洗干净后对杆体进行保护；步骤2：去除球体表面的氧化物及污染物；步骤3：在球体表面沉积纯Cr金属过渡层；步骤4：在纯Cr金属过渡层上沉积CrN层；步骤5：在CrN层上沉积DLC层；步骤6：重复步骤4和步骤5的操作，在纯Cr金属过渡层上进行不少于两次交替沉积CrN、DLC层。在无油润滑环境下，带涂层的连杆在与活塞及摇盘发生相互摩擦作用时，能够显著降低零件之间发生磨损、刮擦和咬死的几率，同时减轻连杆在恶劣工况下的腐蚀作用，从而延长零件使用寿命，提高空调压缩机的工作效率。
Description
技术领域
本专利申请涉及空调压缩机技术领域，特别是涉及一种连杆用防护涂层的制备方法及其应用。
背景技术
目前，汽车空调压缩机根据工作方式的不同可以分为往复式和旋转式。其中，常见的往复式压缩机有曲轴连杆式和轴向活塞式，压缩机内部连杆结构主要包括杆体和球体两部分，杆体两端的球体分别与压缩机中的活塞和摇盘相连接，能够把活塞的推力传递给摇盘，又能将摇盘的回转运动转化为活塞的往复运动，从而起到压缩气体的作用。其中，连杆的材质为钢，活塞和摇盘的材质为铝合金。连杆在工作过程中会受到气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷，这就要求连杆具有较高的强度和刚度。同时，压缩机内部在正常工作状态下无法进行油脂润滑，仅能依靠极少量的油性气氛来起到有限程度的减摩润滑效果。普通钢材所制作的连杆在这种高频、高速、交变载荷的环境下极易发生严重破坏，从而影响压缩机的正常使用。
类金刚石涂层(Diamond-like Carbon，DLC)是以sp3杂化键(金刚石结构)和sp2杂化键(石墨结构)相结合组成的三维网状结构的亚稳态无定形非晶碳膜，其具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量等优异性能，通过调控工艺可以制备不同比例的sp3、sp2键，获得不同性能的DLC薄膜，从而广泛应用于电子、机械、航空航天、生物医学、汽车零件等众多领域。但在金属基体表面直接沉积DLC涂层，会产生较大的内应力，极易造成涂层剥落，结合强度较差，无法起到对金属的保护作用。
因此，如何将现有的DLC涂层沉积工艺进行改进，并完美运用到压缩机连杆上，在保证优良的摩擦磨损和腐蚀性能的同时还具有较高的结合强度，就成为一个有待探索的方向。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利申请的目的在于提供一种连杆用防护涂层的制备方法及其应用，解决上述现有技术的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种连杆用防护涂层的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：将由杆体和连接在杆体两端的球体组成的连杆清洗干净后对杆体进行保护；
步骤2：去除球体表面的氧化物及污染物；
步骤3：在球体表面沉积纯Cr金属过渡层；
步骤4：在纯Cr金属过渡层上沉积CrN层；
步骤5：在CrN层上沉积DLC层；
步骤6：重复步骤4和步骤5的操作，在纯Cr金属过渡层上进行不少于两次交替沉积CrN层、DLC层。
进一步的，所述步骤1中，连杆在25-60℃丙酮和无水乙醇中超声清洗5-30min后，在85-100℃热风中烘干5-30min；
所述步骤2中，利用辉光放电和离子刻蚀的方法去除球体表面的氧化物或污染物，辉光放电条件为真空室本底真空达1×10-2Pa后通入Ar并控制气体流量为100sccm，设置偏压为-700～-800V，辉光时间为10-20min，温度为150-250℃；离子刻蚀条件为真空室本底真空达5×10-3Pa后打开Cr靶，通入Ar并控制气体流量为100sccm，设置偏压为-700～-800V，弧流为60-70A，刻蚀时间为20-30min，温度为150-250℃。
进一步的，所述步骤3-6沉积方法是采用电弧离子镀方法。
进一步的，所述步骤3中，纯Cr金属过渡层的沉积工艺条件为：Cr靶开启，偏压为-90～-110V，真空室气压为0.6-0.8Pa，通入Ar并设置气体流量为100sccm，温度为150-250℃，在球体表面沉积纯Cr金属过渡层。
进一步的，所述步骤4中，Cr层沉积结束后，关闭Ar气路，通入N2并设置气体流量为100sccm，调整真空室气压为1.0-1.5Pa，温度为150-250℃，在纯Cr金属过渡层上沉积CrN层；
所述步骤5中，CrN层沉积结束后，关闭Cr靶，开启C靶，关闭N2气路，通入Ar并设置气体流量为100sccm，保持真空室气压为1.0-1.5Pa，温度为150-250℃，在CrN层上沉积DLC层。
进一步的，所述步骤6中，通过间歇性开启和关闭气路阀门，同时配合引弧针点靶以实现Cr靶与C靶交替工作，CrN层与DLC层交替沉积，CrN层和DLC层的每个单层的膜厚一致。
进一步的，所述球体表面纯Cr金属过渡层厚度为200-400nm，CrN层厚度为325-525nm，DLC层厚度为1450-1750nm。
进一步的，所述连杆的材质采用钢材质，球体以摩擦焊的方式固定焊接在杆体的两端，且球体的球心与杆体的几何中心在同一直线上，防护涂层均匀涂覆在球体的表面。
一种连杆，包括使用上述所述的连杆用防护涂层的制备方法制备的连杆。
一种汽车空调压缩机连杆，包括如上述所述的连杆。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明所提供防护涂层，通过纳米多层复合结构的设计理念，涂层成分和结构呈周期性变化，基体表面沉积多层涂层可获得多种材料的综合物化性能。
2.通过设计纯Cr金属过渡层的方式，减小了工作层与基体之间的热膨胀系数差异，能够降低涂层的内应力。
3.通过纯Cr金属过渡层上沉积CrN层、DLC层的梯度结构设计，减小了层间界面的物化性质差异，从而实现良好的界面匹配效果。
4.本发明所提供的制备方法，使用价格适中的电弧离子镀设备，其离化率明显高于普通磁控溅射技术，同时入射粒子能量高、绕射性好，能够制备出组织结构均匀致密、膜基结合优良的涂层。
5.本发明所公开的制备方法，能够极大提高球体工作面的硬度，降低球面的摩擦系数，尤其是在无油润滑环境下，带涂层的连杆在与活塞及摇盘发生相互摩擦作用时，能够显著降低零件之间发生磨损、刮擦和咬死的几率，同时减轻连杆在恶劣工况下的腐蚀作用，从而延长零件使用寿命，降低工业生产成本，提高空调压缩机的工作效率。
附图说明
图1为本发明连杆的结构示意图；
图2为本发明制得的防护涂层的截面结构示意图；
图3为本发明实施例一制得的涂层的显微硬度曲线示意图；
图4为本发明实施例一制得的连杆与对比例制得的连杆的动电位极化曲线示意图。
附图说明：杆体1、球体2、纯Cr金属过渡层3、CrN层4、DLC层5。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本专利申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利申请的其他优点与功效。本专利申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1-4，本发明提供如下技术方案：
实施例一
一种具有耐腐蚀磨损防护涂层的汽车空调压缩机连杆，如图1所示，连杆包括杆体1和连接在杆体1两侧的球体2，连杆的材质采用钢材质，球体2以摩擦焊的方式固定焊接在杆体1的两端，且球体2的球心与杆体1的几何中心在同一直线上，防护涂层均匀涂覆在球体2的表面，制备防护涂层的方法采用电弧离子镀方法，防护涂层制备方法包括如下步骤：
步骤1：先将球体2冲压成型，磨抛至表面粗糙度≤0.8μm，然后通过摩擦焊的方式将球体2与杆体1焊接形成连杆结构，再将连杆置于40℃丙酮和无水乙醇中超声清洗15min除油脱脂，再用100℃热风烘干15min，最后用屏蔽罩将杆体1包裹保护；
步骤2：清洗结束后，将连杆放置在真空室转架上，设置转架转速为6r/min，关闭炉门进行抽真空，当真空室本底真空达1×10-2Pa后，通入Ar并控制气体流量为100sccm，保持真空室温度为250℃，气压为0.1Pa，在-800V偏压下对球体2进行辉光清洗10min；
辉光清洗结束后，停止通入Ar，再次进行抽真空至真空室本底真空达5×10-3Pa后，利用引弧针点开Cr靶，通入Ar并设置气体流量为100sccm，保持真空室温度为200℃，气压为0.2Pa，在-800V偏压和60A弧流下对球体2进行离子刻蚀30min；
步骤3：刻蚀结束后，保持Cr靶开启，调整偏压为-100V，真空室气压为0.7Pa，通入Ar并设置气体流量为100sccm，保持真空室温度为200℃，在球体2表面沉积30min的纯Cr金属过渡层3；
步骤4：纯Cr金属过渡层3沉积结束后，关闭Ar气路，通入N2并设置气体流量为100sccm，真空室气压为1.0Pa，保持真空室温度为200℃，在纯Cr金属过渡层3上沉积2min的CrN层4；
步骤5：CrN层4沉积结束后，关闭Cr靶，开启C靶，关闭N2气路，通入Ar并设置气体流量为100sccm，真空室气压为1.0Pa，保持真空室温度为200℃，在CrN层4上沉积6min的DLC层5；
步骤6：利用引弧针交替开启和关闭十五次Cr靶和C靶，在球体2表面沉积出三十层CrN、DLC层。
根据统计和检测：涂层沉积总时间为2.5h，总厚度约为2.21μm，硬度约为2853.9HK0.025，膜-基结合约为7.7N，摩擦系数约为0.107，表面粗糙度约为536A，涂层腐蚀电位与自腐蚀电流密度分别为-129.358mV和4.728μA·cm-2。
如图3所示为本实施例一制得的连杆表面沉积防护涂层后的显微硬度曲线示意图，涂层硬度约为2853.9HK0.025，远高于普碳钢的硬度，结构强度高。
实施例二
一种具有耐腐蚀磨损防护涂层的汽车空调压缩机连杆，如图1所示，连杆包括杆体1和连接在杆体1两侧的球体2，连杆的材质采用钢材质，球体2以摩擦焊的方式固定焊接在杆体1的两端，且球体2的球心与杆体1的几何中心在同一直线上，防护涂层均匀涂覆在球体2的表面，制备防护涂层的方法采用电弧离子镀方法，防护涂层制备方法包括如下步骤：
步骤1：先将球体2冲压成型，磨抛至表面粗糙度≤0.8μm，然后通过摩擦焊的方式将球体2与杆体1焊接形成连杆结构，再将连杆置于25℃丙酮和无水乙醇中超声清洗30min除油脱脂，再用85℃热风烘干30min，最后用屏蔽罩将杆体1包裹保护；
步骤2：清洗结束后，将连杆放置在真空室转架上，设置转架转速为6r/min，关闭炉门进行抽真空，当真空室本底真空达1×10-2Pa后，通入Ar并控制气体流量为100sccm，保持真空室温度为150℃，气压为0.1Pa，在-700V偏压下对球体2进行辉光清洗20min；
辉光清洗结束后，停止通入Ar，再次进行抽真空至真空室本底真空达5×10-3Pa后，利用引弧针点开Cr靶，通入Ar并设置气体流量为100sccm，保持真空室温度为150℃，气压为0.2Pa，在-700V偏压和70A弧流下对球体2进行离子刻蚀25min；
步骤3：刻蚀结束后，保持Cr靶开启，调整偏压为-110V，真空室气压为0.8Pa，通入Ar并设置气体流量为100sccm，保持真空室温度为150℃，在球体2表面沉积30min的纯Cr金属过渡层3；
步骤4：纯Cr金属过渡层3沉积结束后，关闭Ar气路，通入N2并设置气体流量为100sccm，真空室气压为1.0Pa，保持真空室温度为150℃，在纯Cr金属过渡层3上沉积3min的CrN层4；
步骤5：CrN层4沉积结束后，关闭Cr靶，开启C靶，关闭N2气路，通入Ar并设置气体流量为100sccm，真空室气压为1.0Pa，保持真空室温度为150℃，在CrN层4上沉积9min的DLC层5；
步骤6：利用引弧针交替开启和关闭十次Cr靶和C靶，在球体2表面沉积出二十层CrN、DLC层。
根据统计和检测：涂层沉积总时间为2.5h，总厚度为2.58μm，硬度为2548.7HK0.025，膜-基结合为6.6N，摩擦系数为0.172，表面粗糙度为926A，涂层腐蚀电位与自腐蚀电流密度分别为149.645mV和6.582μA·cm-2。
实施例三
一种具有耐腐蚀磨损防护涂层的汽车空调压缩机连杆，如图1所示，连杆包括杆体1和连接在杆体1两侧的球体2，连杆的材质采用钢材质，球体2以摩擦焊的方式固定焊接在杆体1的两端，且球体2的球心与杆体1的几何中心在同一直线上，防护涂层均匀涂覆在球体2的表面，制备防护涂层的方法采用电弧离子镀方法，防护涂层制备方法包括如下步骤：
步骤1：先将球体2冲压成型，磨抛至表面粗糙度≤0.8μm，然后通过摩擦焊的方式将球体2与杆体1焊接形成连杆结构，再将连杆置于60℃丙酮和无水乙醇中超声清洗5min除油脱脂，再用90℃热风烘干10min，最后用屏蔽罩将杆体1包裹保护；
步骤2：清洗结束后，将连杆放置在真空室转架上，设置转架转速为6r/min，关闭炉门进行抽真空，当真空室本底真空达1×10-2Pa后，通入Ar并控制气体流量为100sccm，保持真空室温度为250℃，气压为0.1Pa，在-750V偏压下对球体2进行辉光清洗10min；
辉光清洗结束后，停止通入Ar，再次进行抽真空至真空室本底真空达5×10-3Pa后，利用引弧针点开Cr靶，通入Ar并设置气体流量为100sccm，保持真空室温度为250℃，气压为0.2Pa，在-800V偏压和65A弧流下对球体2进行离子刻蚀20min；
步骤3：刻蚀结束后，保持Cr靶开启，调整偏压为-90V，真空室气压为0.6Pa，通入Ar并设置气体流量为100sccm，保持真空室温度为250℃，在球体2表面沉积30min的纯Cr金属过渡层3；
步骤4：纯Cr金属过渡层3沉积结束后，关闭Ar气路，通入N2并设置气体流量为100sccm，真空室气压为1.0Pa，保持真空室温度为250℃，在纯Cr金属过渡层3上沉积1.5min的CrN层4；
步骤5：CrN层4沉积结束后，关闭Cr靶，开启C靶，关闭N2气路，通入Ar并设置气体流量为100sccm，真空室气压为1.0Pa，保持真空室温度为250℃，在CrN层4上沉积4.5min的DLC层5；
步骤6：利用引弧针交替开启和关闭二十次Cr靶和C靶，在球体2表面沉积出四十层CrN、DLC层。
根据统计和检测：涂层沉积总时间为2.5h，总厚度约为2.33μm，硬度约为2778.7HK0.025，膜-基结合约为9.9N，摩擦系数约为0.112，表面粗糙度约为742A，涂层腐蚀电位与自腐蚀电流密度分别为-130.379mV和4.857μA·cm-2。
防护涂层包括利用电弧离子镀技术依次在球体2表面沉积的纯Cr金属过渡层3、工作层，工作层由CrN层4和DLC层5交替沉积构成，由于交替沉积过程中需要使用引弧针频繁点靶，引弧针多次撞击靶材后可能造成引弧针与炉体连接处松动进而脱落，因此交替沉积的层数不宜过多，具体工作层数量可根据实际需要及设备状态来确定，如图2所示，工作层有15层，工作层最底层为CrN层4，最顶层为DLC层5。
对比例
一种汽车空调压缩机连杆，连杆包括杆体和连接在杆体两侧的球体，连杆的材质采用钢材质，球体以摩擦焊的方式固定焊接在杆体的两端，且球体的球心与杆体的几何中心在同一直线上，球体表面不涂覆任何防护材料。
实验对比，将根据实施例一防护涂层的制备方法制得的汽车空调压缩机连杆与表面不涂覆任何防护层的汽车空调压缩机连杆放置在浓度为3.5wt％NaCl溶液中，检测分析两者动电位，根据实验，得到如图4所示的动电位极化曲线示意图，涂覆有防护涂层的汽车空调压缩机连杆的腐蚀电位与自腐蚀电流密度分别为-129.358mV和4.728μA·cm-2，不涂覆防护涂层的汽车空调压缩机连杆的腐蚀电位与自腐蚀电流密度分别为-623.832mV和42.175μA·cm-2，涂覆有防护涂层的汽车空调压缩机连杆的腐蚀电位显著大于纯连杆的腐蚀电位，涂覆有防护涂层的汽车空调压缩机连杆的自腐蚀电流密度显著低于纯连杆的自腐蚀电流密度，表明防护涂层具有优良的防腐性能。
本发明所提供防护涂层，通过纳米多层复合结构的设计理念，涂层成分和结构呈周期性变化，基体表面沉积多层涂层可获得多种材料的综合物化性能；通过设计纯Cr金属过渡层3的方式，减小了工作层与基体之间的热膨胀系数差异，能够降低涂层的内应力；通过纯Cr金属过渡层3上沉积CrN层4、DLC层5的梯度结构设计，减小了层间界面的物化性质差异，从而实现良好的界面匹配效果；本发明所提供的制备方法，使用价格适中的电弧离子镀设备，其离化率明显高于普通磁控溅射技术，同时入射粒子能量高、绕射性好，能够制备出组织结构均匀致密、膜基结合优良的涂层；本发明所公开的制备方法，能够极大提高球体工作面的硬度，降低球面的摩擦系数，尤其是在无油润滑环境下，带涂层的连杆在与活塞及摇盘发生相互摩擦作用时，能够显著降低零件之间发生磨损、刮擦和咬死的几率，同时减轻连杆在恶劣工况下的腐蚀作用，从而延长零件使用寿命，降低工业生产成本，提高空调压缩机的工作效率。
上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利申请的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种连杆用防护涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：将由杆体和连接在杆体两端的球体组成的连杆清洗干净后对杆体进行保护；
步骤2：去除球体表面的氧化物及污染物；
步骤3：在球体表面沉积纯Cr金属过渡层；
步骤4：在纯Cr金属过渡层上沉积CrN层；
步骤5：在CrN层上沉积DLC层；
步骤6：重复步骤4和步骤5的操作，在纯Cr金属过渡层上进行不少于两次交替沉积CrN层、DLC层。
2.根据权利要求1所述的一种连杆用防护涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，连杆在25-60℃丙酮和无水乙醇中超声清洗5-30min后，在85-100℃热风中烘干5-30min；
所述步骤2中，利用辉光放电和离子刻蚀的方法去除球体表面的氧化物或污染物，辉光放电条件为真空室本底真空达1×10-2Pa后通入Ar并控制气体流量为100sccm，设置偏压为-700～-800V，辉光时间为10-20min，温度为150-250℃；离子刻蚀条件为真空室本底真空达5×10-3Pa后打开Cr靶，通入Ar并控制气体流量为100sccm，设置偏压为-700～-800V，弧流为60-70A，刻蚀时间为20-30min，温度为150-250℃。
3.根据权利要求1所述的一种连杆用防护涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤3-6沉积方法是采用电弧离子镀方法。
4.根据权利要求1所述的一种连杆用防护涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，纯Cr金属过渡层的沉积工艺条件为：Cr靶开启，偏压为-90～-110V，真空室气压为0.6-0.8Pa，通入Ar并设置气体流量为100sccm，温度为150-250℃，在球体表面沉积纯Cr金属过渡层。
5.根据权利要求1所述的一种连杆用防护涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤4中，Cr层沉积结束后，关闭Ar气路，通入N2并设置气体流量为100sccm，调整真空室气压为1.0-1.5Pa，温度为150-250℃，在纯Cr金属过渡层上沉积CrN层；
所述步骤5中，CrN层沉积结束后，关闭Cr靶，开启C靶，关闭N2气路，通入Ar并设置气体流量为100sccm，保持真空室气压为1.0-1.5Pa，温度为150-250℃，在CrN层上沉积DLC层。
6.根据权利要求1所述的一种连杆用防护涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤6中，通过间歇性开启和关闭气路阀门，同时配合引弧针点靶以实现Cr靶与C靶交替工作，CrN层与DLC层交替沉积，CrN层和DLC层的每个单层的膜厚一致。
7.根据权利要求1所述的一种连杆用防护涂层的制备方法，其特征在于：所述球体表面纯Cr金属过渡层厚度为200-400nm，CrN层厚度为325-525nm，DLC层厚度为1450-1750nm。
8.根据权利要求1所述的一种连杆用防护涂层的制备方法，其特征在于：所述连杆的材质采用钢材质，球体以摩擦焊的方式固定焊接在杆体的两端，且球体的球心与杆体的几何中心在同一直线上，防护涂层均匀涂覆在球体的表面。
9.一种连杆，其特征在于：包括使用权利要求1-8任意一项所述的连杆用防护涂层的制备方法制备的连杆。
10.一种汽车空调压缩机连杆，其特征在于：包括如权利要求9所述的连杆。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115821206A (zh) * | 2022-12-08 | 2023-03-21 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种异质多层结构的超厚碳基复合涂层及其制法与应用 |
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| CN103256142A (zh) * | 2013-05-03 | 2013-08-21 | 武汉大学 | 一种节油型Cr-O-N纳米晶复合陶瓷涂层柴油发动机活塞环及制备方法 |
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| RU2740591C1 (ru) * | 2020-05-27 | 2021-01-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО РГУПС) | Способ получения многослойных износостойких алмазоподобных покрытий |
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2021
- 2021-04-21 CN CN202110431048.8A patent/CN113215537A/zh active Pending
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