CN115852314A - 阀用部件复合表面处理工艺及阀用部件 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了阀用部件复合表面处理工艺及阀用部件，其中表面处理工艺是在清洗后的基体上加工得到50微米‑300微米厚的支撑层并在磨削和抛光处理后，在支撑层上加工得到表层为超硬碳基涂层的PVD涂层。本发明采用较厚的支撑层为PVD涂层提供支撑，可以防止PVD涂层，尤其是超硬碳基涂层因基体变形而失效。支撑层的硬度介于基体和超硬碳基涂层的硬度之间，极大程度地避免基体和超硬碳基涂层之间由于硬度梯度过大导致结合力不良的问题。进一步超硬碳基涂层的硬度在3500HV‑6500HV之间，摩擦系数在0.06‑0.1之间，成倍地提高表面硬度，且表面具有低摩擦系数，充分满足了高压、高频硬密封场合的使用需要，使用寿命相对于常规工艺处理的阀用部件提高3‑10倍。
Description
技术领域
本发明涉及表面改性技术领域，尤其是阀用部件复合表面处理工艺及阀用部件。
背景技术
目前随着阀门行业的发展，满足高压，高频开关，高强度的硬质颗粒冲击等极端苛刻工况的要求层出不穷,因此对阀座、阀芯、阀瓣等阀用部件的表面进行处理以满足耐磨性要求极高的高压、高频硬密封场合的使用要求是必须的。
申请公布号为CN109750249A的中国专利申请揭示了一种阀芯的渗碳热处理方法，其处理后得到的阀芯表面的硬度在HV10600-750之间或HR 15N88-91，其硬度无法满足更高硬密封场景的使用需要。
当然，也有采用电镀、等离子堆焊、激光熔覆等表面改性的方式来提高阀用部件的表面性能，但是这些方式表面改性后，阀用部件表面硬度达不到1800HV，对于硬度要求更高且需要较高耐磨性的应用场景来说，例如在进行多晶硅粉末传输用的阀门中，这些表面改性工艺得到的阀用部件的使用寿命达不到预期的要求。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种阀用部件复合表面处理工艺及阀用部件。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
阀用部件复合表面处理工艺，包括如下步骤：
S1,在基体表面加工得到支撑层，所述支撑层的厚度在50微米-300微米之间；所述支撑层的硬度大于所述基体的硬度；
S2,对所述支撑层进行磨削和抛光处理；
S3,在抛光后的支撑层上加工得到PVD涂层，所述PVD涂层的表层为超硬碳基涂层，所述超硬碳基涂层的硬度大于所述支撑层的硬度，所述超硬碳基涂层的硬度范围在3500HV-6500HV之间，所述超硬碳基涂层的摩擦系数在0.06-0.1之间。
优选的，所述阀用部件复合表面处理工艺中，所述支撑层通过热喷涂或表面热处理强化得到。
优选的，所述阀用部件复合表面处理工艺中，所述基体是不锈钢时，所述支撑层是热喷涂工艺加工得到镍基合金层或碳化钨层或碳化铬层。
优选的，所述阀用部件复合表面处理工艺中，所述基体是钛合金时，所述支撑层是渗氮层或渗碳层或碳氮共渗层或渗氧层。
优选的，所述阀用部件复合表面处理工艺中，所述支撑层的硬度范围在600HV-1800HV之间。
优选的，所述阀用部件复合表面处理工艺中，所述S3包括如下步骤：
S31，对经过所述S2处理的基体进行清洗；
S32，在清洗后的所述支撑层上沉积底层；
S33，在所述底层上沉积过渡层；
S34，在所述过渡层上沉积所述超硬碳基涂层。
优选的，所述阀用部件复合表面处理工艺中，所述底层及过渡层采用磁控溅射工艺沉积得到；所述超硬碳基涂层采用电弧离子镀技术沉积得到。
优选的，所述阀用部件复合表面处理工艺中，所述超硬碳基涂层中金刚石相的含量不低于70%。
优选的，所述阀用部件复合表面处理工艺中，所述超硬碳基涂层是taC镀膜。
优选的，所述阀用部件复合表面处理工艺中，所述超硬碳基涂层的厚度在2微米-10微米之间。
阀用部件，包括基体，所述基体的表面设置有支撑层，所述支撑层的硬度大于所述基体的硬度；所述支撑层的厚度在50微米-300微米之间；所述支撑层上设置PVD涂层，所述PVD涂层的表层为超硬碳基涂层，所述超硬碳基涂层的硬度大于所述支撑层的硬度，所述超硬碳基涂层的硬度范围在3500HV-6500HV之间，所述超硬碳基涂层的摩擦系数在0.06-0.1之间。
本发明技术方案的优点主要体现在：
本发明在基体上先形成较厚的支撑层，较大厚度的支撑层能够为PVD涂层提供有效地支撑，可以起到抵抗基体变形的功效，有效防止PVD涂层，尤其是超硬碳基涂层因基体变形而失效。同时，支撑层的硬度介于基体和超硬碳基涂层的硬度之间，其能够实现硬度梯度的平稳过渡，从而极大程度地避免基体和超硬碳基涂层之间由于硬度梯度过大导致结合力不良的问题，保证了结合力。进一步超硬碳基涂层的硬度在3500HV-6500HV之间，摩擦系数在0.06-0.1之间，成倍地提高表面硬度，且表面具有低摩擦系数，充分满足了高压、高频硬密封场合的使用需要，且使用寿命相对于常规工艺处理的阀芯提高3-10倍。
本发明的超硬碳基涂层采用taC镀膜，其中金刚石相的含量不低于70%，可以有效保证超硬碳基涂层具有超高硬度，同时兼具低摩擦系数，从而满足高压，高频开关，高强度的硬质颗粒冲击场景下长时间的使用要求。
本发明在超硬碳基涂层是的清洗工艺采用两种工艺结合的方式，能够有效的提高刻蚀清洗质量以及效率，为提高支撑层和PVD涂层之间的结合力打下稳定的基础。
附图说明
图1是本发明的阀用部件的示意图；
图2是本发明的阳极层离子源的示意图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
在方案的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。并且，在方案的描述中，以操作人员为参照，靠近操作者的方向为近端，远离操作者的方向为远端。
下面结合附图对本发明揭示的阀用部件复合表面处理工艺进行阐述，所述阀用部件可以是阀瓣、球阀球体、阀座等，当然所述复合表面处理工艺也可以用于其他具有同样表面要求的部件。
所述复合表面处理工艺包括如下步骤：
S1,在基体1表面加工得到支撑层2，所述支撑层2的厚度在50微米-300微米之间；所述支撑层2的硬度大于所述基体1的硬度；
S2,对所述支撑层2进行磨削和抛光处理；
S3,在抛光后的支撑层2上加工得到PVD涂层3，所述PVD涂层的表面为超硬碳基涂层，所述超硬碳基涂层的硬度大于所述支撑层2的硬度，所述超硬碳基涂层的硬度范围在3500HV-6500HV之间，所述超硬碳基涂层33的摩擦系数（干摩擦）在0.06-0.1之间。
根据上述方法加工得到如附图1所示的阀用部件，其包括基体1，所述基体1的表面设置有支撑层2，所述支撑层2上设置PVD涂层3，所述PVD涂层的表层为超硬碳基涂层33。
其中，所述基体1可以是不锈钢或钛合金等，其硬度相对较低，通常在100-600HV之间。
所述S1中，所述支撑层2通过热喷涂或表面热处理强化得到。具体的，当所述基体1是不锈钢时，所述支撑层2采用热喷涂的方式进行加工，所述支撑层2可以是镍基合金或碳化钨或碳化铬。当所述基体1时钛合金时，采用渗氮工艺或渗碳工艺或碳氮共渗工艺或渗氧工艺加工得到，对应的，所述支撑层2是或渗氮层或渗碳层或碳氮共渗层或渗氧层。其中，热喷涂、渗氮工艺、渗碳工艺、碳氮共渗工艺和渗氧工艺为已知技术，在此不作赘述。
较优的，所述支撑层2的硬度范围在600HV-1800HV之间，所述支撑层2的厚度在100微米-300微米之间，这样支撑层2能够提供足够的支撑力同时实现硬度梯度过渡，提升超硬碳基涂层33与基体1的结合力，根据VDI-3198的标准（德国），测得超硬碳基涂层33与基体1的结合强度能够到达最优的HF1级。同时，较厚的支撑层2具有一定的耐冲击性能，能够弥补超硬碳基涂层33硬度高但脆性大的缺点，这样既能充分发挥超硬碳基涂层33的高硬度和耐磨性能，同时，使得超硬碳基涂层33的结合力及抗冲击性能优于直接在基体1表面加工得到超硬碳基涂层33的膜基结合力和抗冲击性能。
所述S2中对支撑层进行磨削和抛光处理的具体工艺为已知技术，不是本方案的创新，此处不作赘述。
所述S3包括如下步骤：
S31，对经过所述S2处理的基体进行清洗；
S32，在清洗后的所述支撑层上沉积底层31；
S33，在所述底层31上沉积过渡层32；
S34，在所述过渡层32上沉积所述超硬碳基涂层。
所述S31中，对经过所述S2处理的基体进行清洗可以采用已知的方法来实现，本实施例中，采用等离子体清洗工艺对所述基体1表面进行清洗。所述等离子体清洗工艺可以是已知的清洗方式。
更优的，所述等离子体清洗工艺包括如下步骤：
S311，将工件置于真空室内的工件架上。
S312，将真空室抽真空至0.05Pa。
S313，向真空室内充入氩气使真空室内的气压处于0.6-10Pa，更优在0.6-1.5Pa之间。
S314，开启偏压电源及离子束源实现偏压辉光清洗和离子束清洗同步对工件进行清洗。具体操作时，先开启偏压电源，然后逐一开启离子束源，所述偏压电源的电压在700-2000V之间，更优在800V-2000V之间，此时能够获得大的偏压电流（2-30A，更优为15-30A）从而可以取得较好的清洗效果。
所述离子束源工作时的电压在300-2000V之间，更优在1500V-2000V之间。所述偏压辉光清洗和离子束清洗同步对工件进行清洗的时间不超过1个小时，更优为不超过45分钟，最优为30分钟左右。
偏压辉光清洗的等离子体的偏流较大，能够实现大面积的清洗，但是这种方法对形状复杂的工件表面清洗时，由于辉光分布不均匀导致清洗效果达不到预期。而离子束清洗具有等离子体能量大且具有定向性的优势，但是存在，等离子体偏流小，清洗时间长，效率低的不足。将两种清洗方式结合后，偏压辉光清洗的大面积高效率的优点有效弥补了离子束清洗偏流小、效率低的问题，同时，离子束清洗的等离子体能量大和定向性有效弥补了偏压辉光清洗的等离子能量不足且不能对边角区域、异性位置进行高质量清洗的缺陷，实现了清洗效果和效率的完美结合。并且一炉工件能够在半小时内全部完成清洗，清洗时间大大减少，清洗效率极大改善。
所述真空室内设置的离子束源优选为阳极层离子源，它们均匀分布在工件架周围，这样能够实现不同角度方向的离子束清洗，从而改善离子束清洗的效果。
但是，由于离子束清洗和偏压辉光清洗工作时所需的工作气压不同（偏压辉光清洗时所需的工作气压在0.7-10Pa之间。而阳极层离子束清洗时，所需的工作气压在0.1-0.4Pa之间）。
鉴于此，需要使它们能够在相同的工作气压下同步工作是需要达到的：
本发明是通过改变阳极层离子源的内阴极10、外阴极20的水平距离和阴阳极30在高度方向上的距离来实现。
如附图2所示，与已知的阳极层离子源一样，所述阳极层离子源包括内阴极10及位于所述内阴极10外周的外阴极20，所述内阴极10和外阴极20的间隙的正下方间隙设置有阳极30。所述内阴极10的正下方设置有位于阳极30中间位置的磁体40，所述磁体40为永磁体。
发明人研究得出:内阴极、外阴极之间的水平间距L1以及阴极和阳极在高度方向上的距离L2较小时，辉光放电的极间距近，在离子束源工作时的电压在1500V-2000V时，在高气压下，容易发生击穿从而导致工作不稳定。本发明通过使内、外阴极的水平距离设置在4-8mm之间，阴、阳极在高度方向上的距离设置在4-8mm之间，能够加大辉光放电的极间距，有效降低打弧的发生，从而使得离子束能在更高的气压下保持稳定，具体的，当所述离子束源在1500V-2000V的电压下工作时，使得离子束能够在1.5Pa以内的工作气压下稳定工作。
同时，所述阳极层离子源连接脉冲电源，所述脉冲电源工作时的占空比控制在40%以内，能有效抑制离子束在高电压1500-2000V，高气压0.6-1.5Pa下出现打弧的现象，这样使得离子束在更高的工作压力下能够更稳定地工作。
上述间距的调整虽然使得离子束能够在更高的工作气压下稳定工作，但是，同时会造成离子能量的减弱，这就影响了清洗效果，因此，需要增加离子能量，具体是通过增加所述阳极层离子源的磁体40的磁感应强度来实现，发明人进一步研究确定：当磁体40的磁感应强度在450-550mT（毫特斯拉）之间时，能够使离子能量达到预期效果。通过这样的设计，从而能够实现两种清洗工艺的充分、有效的结合。
所述S32中，所述底层31优选是通过磁控溅射工艺沉积得到，其可以是已知的可行材料加工得到，例如是Cr（铬）或Ti（钛）等。
所述S33中，所述过渡层32可以是底层材料的碳化物或氮化物等，例如可以是氮化铬，碳化铬，碳化钨等，其同样采用磁控溅射工艺沉积得到。
通过磁控溅射工艺沉积得到底层31和过渡层32的具体工艺为已知技术，此处不作赘述。
所述S34中，所述超硬碳基涂层33采用电弧离子镀技术沉积得到，所述超硬碳基涂层33优选是taC镀膜（tetrahedral amorphous carbon，四面体非晶碳），其厚度在2微米-10微米之间，并且，所述超硬碳基涂层33中金刚石相的含量不低于70%，剩余为石墨相，其耐磨性能是支撑层2的10倍以上，其硬度是支撑层2硬度的约2倍以上，结合一定的涂层厚度，从而能够有效延长阀用部件的使用寿命。
电弧离子镀技术为已知技术，在具体制备时，电弧电流控制在40-80A，偏压电压优选在50-500V之间。这样的工艺条件能够使得最终得到的超硬碳基涂层33中金刚石相的含量尽可能地高，从而具有更好的硬度。
进一步，在沉积一段时间后，关闭电源，保持真空室内真空度冷却5-30分钟。然后，再次启动阴极电弧电源、偏压电源，沉积一段时间后，再次关闭电源。交替执行沉积和冷却过程至最终完成沉积。这样能够有效地控制沉积温度，避免温度过高对超硬碳基涂层33造成不利影响，保证了超硬碳基涂层33的硬度。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.阀用部件复合表面处理工艺，其特征在于：包括如下步骤：
S1,在基体表面加工得到支撑层，所述支撑层的厚度在50微米-300微米之间；所述支撑层的硬度大于所述基体的硬度；
S2,对所述支撑层进行磨削和抛光处理；
S3,在抛光后的支撑层上加工得到PVD涂层，所述PVD涂层的表层为超硬碳基涂层，所述超硬碳基涂层的硬度大于所述支撑层的硬度，所述超硬碳基涂层的硬度范围在3500HV-6500HV之间，所述超硬碳基涂层的摩擦系数在0.06-0.1之间。
2.根据权利要求1所述的阀用部件复合表面处理工艺，其特征在于：所述支撑层通过热喷涂或表面热处理强化得到。
3.根据权利要求1所述的阀用部件复合表面处理工艺，其特征在于：
所述基体是不锈钢时，所述支撑层是热喷涂工艺加工得到镍基合金层或碳化钨层或碳化铬层；
所述基体是钛合金时，所述支撑层是渗氮层或渗碳层或碳氮共渗层或渗氧层。
4.根据权利要求1所述的阀用部件复合表面处理工艺，其特征在于：所述支撑层的硬度范围在600HV-1800HV之间。
5.根据权利要求1所述的阀用部件复合表面处理工艺，其特征在于：所述S3包括如下步骤：
S31，对经过所述S2处理的基体进行清洗；
S32，在清洗后的所述支撑层上沉积底层；
S33，在所述底层上沉积过渡层；
S34，在所述过渡层上沉积所述超硬碳基涂层。
6.根据权利要求5所述的阀用部件复合表面处理工艺，其特征在于：
所述底层及过渡层采用磁控溅射工艺沉积得到；
所述超硬碳基涂层采用电弧离子镀技术沉积得到。
7.根据权利要求1所述的阀用部件复合表面处理工艺，其特征在于：所述超硬碳基涂层中金刚石相的含量不低于70%。
8.根据权利要求1所述的阀用部件复合表面处理工艺，其特征在于：所述超硬碳基涂层是taC镀膜。
9.根据权利要求1-8任一所述的阀用部件复合表面处理工艺，其特征在于：所述超硬碳基涂层的厚度在2微米-10微米之间。
10.阀用部件，包括基体，其特征在于：所述基体的表面设置有支撑层，所述支撑层的硬度大于所述基体的硬度；所述支撑层的厚度在50微米-300微米之间；所述支撑层上设置PVD涂层，所述PVD涂层的表层为超硬碳基涂层，所述超硬碳基涂层的硬度大于所述支撑层的硬度，所述超硬碳基涂层的硬度范围在3500HV-6500HV之间，所述超硬碳基涂层的摩擦系数在0.06-0.1之间。
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2022
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