TW555873B - Method of coating a substrate and vane for vane-type compressor - Google Patents

Description

555873 五、發明說明（1) 【發明之技術領域】 本發明係關於在由機械元件等構成之基# _ 佈含有氮化鉻（以下簡稱CrN)之包覆膜時 :面上，塗 術，其適合於如壓縮冷媒氣等氣體之葉片式心！技 片。 、工至鲕機用葉 【習用技術】

CrN之表面硬度為1 800HV，因其非常堅硬同時复典 性亦較優良，故被採用為在苛酷滑動環了 /、/月動 今、兄「尸/χ便用之機 凡件之包覆膜。此種包覆膜形成方法（塗佈方法）一妒 HCD(空心陰極放電式，Hollow Cathode Discharge)

弧式之離子電鑛法。 / ” 【發明欲解決之課題】 但於上述方法中，若基材溫度以低溫處理，則包覆膜 之耐久性（即包覆膜對基材之密接性）較差而無法實用，、 因此需要將基材以4 5 0 °C以上高溫處理。其結果施以回火 處理（約1 5 0〜2 0 0 °C之處理溫度時）之基材（如合金鋼、 機械構造用碳鋼）恐有改變其機械性質（受熱損害）之慮。 於是在上述習用表面處理方法其處理對象基材材質必然受 限（如高速工具鋼（回火溫度約52〇〜57〇。〇)。

本發明乃鑑於上述問題而完成，以提供不限定特殊基 材材質之包覆膜形成方法為課題，更詳言之，以提供不劣 化熱處理基材之機械性質之包覆膜形成方法為課題。 【發明概要】 為解決上述課題，本發明之第一項發明提供一種包覆

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膜形成方法，其包含：於磁控濺鍍裝置中，在基材上形成 鉻（Cr)層之前製程；及於電弧式離子電鍍裝置"中，將/基 材溫度維持為100〜2〇(TC，在上述鉻（Cr)層之上形成氮%匕 鉻（CrN)層之後製程。 本發明之第二項發明提供一種包覆膜形成方法，豆包 含：於磁控濺鍍裝置中，在基材上形成鉻（Cr)層之前製 程；及於磁控濺鍍裝置中，在上述鉻（Cr)層之上S < 鉻（CrN)層之後製程。 本發明之第三項發明提供一種包覆膜形成方法，其包 含：於磁控濺鍍裝置中，在基材上形成鉻（Cr)層之前製 程；及於不平衡磁控濺鍍裝置（Unbalanced MagnetFQn、 Sputter、以下簡稱UBM濺鍍）中，在上述鉻（Cr)層之上形 成氮化鉻（CrN)層之後製程。 於上述任一包覆膜形成方法中，首先，最初之製程為 使用磁控濺鍍裝置，在安置於該裝置中之基材上形成以 層。磁控濺鍍裝置在與被安置基材相對向之輕内側配置磁 鐵，並施加磁場以將γ電子封入乾附近，由於電漿集中於 乾附近’故可減少因r電子或電漿所引起之基材受損，同 時可防止基材之溫度上升。因此，基材不會因該製程而受 熱損害。

在上述製程之前，最好設置電漿蝕刻之製程。電漿姓 刻處理將被導入之氬（以下簡稱Ar)氣電漿化，以Ar離子 去除基材表面之氧化膜、水分或油分。此製程可增加C r層 對基材表面之密接性。

第6頁 555873 五、發明說明（3)

Cr層之功能為CrN層之中間層。因此，Cr層不僅需要 在接性’也需要某種程度之柔軟性。通常在磁控濺鑛裝置 中，一般將偏壓電壓設定為一20--30 V，但本發明者 發現偏壓電壓最好設定為〇 V。此結果可抑制Cr層之硬度 過回’並可防止因伴隨硬度上升引起之cr層内殘留内部應 $而減低Cr層之密接性。Cr層之膜厚為〇·ι〜hOvm，而 若為0 · 1〜〇, 5 // m則更好。 、在此製程之後其次之製程，於第一項發明為使用電弧 式離子電鍍裝置在基材表面Cr層之上形成CrN層，於第二 項叙明為使用磁控賤鑛裝置在基材表面C r層之上形成◦ r n

層，於第三項發明則為使用UBM濺鍍裝置在基材表面叶層 之上形成CrN層。 、電弧式離子電鍍裝置為在電弧放電下蒸發鍍料（在此 為C/)成離子化，並對此施加電場使之加速，使鍍料（與 氮氣反應之Cr)蒸鍍在基材表面（cr層表面）。於第一項發 明中，重要的是，將安置於裝置中之基材溫度控制為1〇(； 〜2〇0°C、最好為130〜18(rc。此溫度為接近基材之熱處 理溫度（回火溫度）之溫度，藉由上述溫度之控制，因為 基材不會以大幅超過其熱處理溫度被加熱，故亦不會受熱 2:二η因底層不是基材而是Cr層，故即使在此溫度範 圍亦此夠充/刀確保crN層對Cr層之密接性（Lc = 6〇〜8〇 N)。結果C r N層甚難發生剝離。 相同於害===:與=

555873 五 、發明說明（4) 用UBM濺鍍裝置，故不僅基材無受熱損害之 速度較磁控濺鍍裝置快速，故可提升生產性〜鱼成膜 UBM濺鍍裝置為在圓形靶中心部與週邊部配詈且/ '成本。 之磁鐵，使由較強大磁鐵產生之磁力線之一八 寻 $使電漿擴散至基材附近。無論於何種；=基 N;第-項务明相同均可獲得良好密接性（Lc = 6〇〜8。

CrN層之膜厚就耐摩損性觀點而言，〜 好，1〜2 _更好。 ·5 5 “較 【較佳實施例之詳細說明】 (實施例1 ) 用SCM415加壓成形葉片式壓縮機用葉片，I 理以改善其表面。x，葉片式壓縮機為於： 囫请形或橢圓形之内筒形狀汽缸體兩侧固定側板以播 堅細機本體’在該壓縮機本體内配 汽：f朝放射線方向之多數葉片•，可自由出= 、廿由將此葉片壓入汽缸體内圓周面或轉子外圓月 氣體之構】 +，以形成壓縮被葉片隔開之壓縮室内 電漿=電ί基進行電軸處理’其處理條件如下： 蝕刻電壓：2 Ο Ο V A r 流 2； · 6 5 s c c id 容器内壓力：lx 1〇-3 mbar 555873 五、發明說明（5) 處理時間·· 3 0 m i η 其次對基材進行Cr塗佈，其處理條件如下 方式：磁控濺鍍 濺鍍電力：8 kW A r 流量：2 2 5 s c c in 偏壓電壓：0 V 容器内壓力·· 3 X ΙΟ-3 mbar 處理時間·· 1 0 m i η 其處理條件如下 其次’對基材進行CrN塗佈 方式：電弧式離子電鍍 電弧電流：160A X 2無 氮氣流量·· 1 0 0 〇 s c c m 偏壓電壓：2 Ο V 容器内壓力·· 2 X 1 0-2 mbar 處理時間：3 0 m i η X 4次广p日- 絲 -r /古苴从、攻由 （間隔1 5 m i η)，藉此間歇谨 轉，可使基材溫度之上限. J驭連 仰制在1 8 Ο 。

又電漿餘刻製程、Cr C 別以不同裝置實施，亦可^ 製私、及CrN塗佈製程可分 (實施例2 ) —部複合裝置集中實施。 但在此，CrN塗佈條 之處理條件如下： ”

至C r塗佈為止，盥眚 件與實施例1不同。該CrN^J1相同 方式：不平衡磁控賤錢 濺鍍電力：5 kW A r 流量：1 6 5 s c c m 555873 五 、發明說明（6) 氮氣流量：60 seem 偏壓電壓：3 0 0V 容器内壓力：3 X ΙΟ-3 nibar 處理時間：1 2 0 m i η (比較例） 使用與貫鉍例1及2相同材質之基材，以電弧式離子電 鍍裝置進行CrN塗佈。處理條件為基材溫度18()1：、25〇 C、35 0 °C、及450 °C等4種樣式分別成為比較例工〜4。

以電子顯微鏡照相測定於上述實施例1及2及比較例1 〜4所形成之包覆膜之厚度，以顯微威氏硬度計測定其硬 度’以到痕試驗器測定其密接性（刮痕臨界負載），並以 錘擊曲率22.5、30 Hz、〇· 2MPa之自製錘擊試驗機進行耐衝 擊試驗。各所得結果列示如表1。 〔表1〕 溫度。C 膜厚"m 硬度 1¾ 密接度N 衝擊試驗 母材硬度HRC 實施例1 180 2.6 1862 72 末確認包覆膜破壞 61 實施例2 180 2.7 1882 78 末確認包覆膜破壞 61 比較例1 180 2.5 1800 25 包覆膜剝離脫落 61 比較例2 250 2.5 1800 卜35 包覆膜剝離脫落 58 S較例3 350 2.6 1800 55 包覆膜剝離脫落 52 比較例4 450 2.5 1800 75 45 〜4之基材受熱損害（由母 。又比較例1之基材雖未受 由上示結果可知，比較例2 材硬度可知）故不能利用為產品

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熱損害，但其密接性與耐衝擊性較實施例丨及2差，可 不能利用為產品。 处 又’一將實施例1 (之葉片）組裝於壓縮機，使用冷媒 R22，以高壓33· OKg / cm2、排氣溫度117，進行48 、 連續運轉，結果如下： 4守 茱片尖端摩損量：〇#m 葉片吸氣側摩損量·· 〇 # m 葉片排氣側摩損量：〇 # m 汽缸吸氣側摩損量：3. 5 # m 汽缸排氣側摩損量：〇. 2 // m

活塞外圓周摩損量：〇. 5 # m 由上彳于結果可知實施例1 (之葉片）其耐摩損性、亦即 耐滑動性優異，如實際製成產品時具充分實用性。至於實 施例2亦可充分預測同等效果。

片如亡f述，依上述表面處理，在不損害基材之機械性 夤下可獲知良好包覆膜。因此基材材質不只限定於如為 SCM415之表面硬化用合金鋼，其他如為S45C之機械構造用 碳鋼、如為SK5之工具用碳鋼、如為81(1151之高速工具鋼、 如為SCM435之全體淬火用合金鋼、如為SKM1之合金工具 鋼、如為SPCC之冷軋鋼板、如為SPHC之熱軋鋼板、鋁合 金、黃銅、青銅等均可適用。又SK5、SKH51、SKDU之埶 處理為淬火處理，SCM435為氮化處理，spcc、spHC為滲碳 氮化處理。 又本發明之特徵為於電弧式離子電鍍裝置保持基材溫

第11頁 555873 五、發明說明（8) 力=度t由以大幅超越此熱處理溫度 為ς、ϋ 寸可防止土材文熱知害之觀點所設定。因此，如 為S45C之機械構造用碳鋼、如為su 為SPHC之熱軋鋼板等熱處理溫度 芙、火目丨\ 如 如設定為_〜38。。。亦不成問；“之基材’則上述溫度 塞、：：於！途”限定為壓縮機用葉片；如轉動器、活 沈錘箄縫：气缸等壓縮機之機械元件；如凸輪、軸、針、 閥機械，機械元件；如凸輪、曲軸、凸輪軸、起 種機抒-、】片等汽車引擎之機械元件；及其他未例舉之各 钱蛾7L件均可使用。

CrN冷叉故如士上述實施形態，以塗佈TiN、TiCN、TiA1N等取代 層時^ ^亦可獲得相同效果。例如在CrN層之上形成TiN 二寺=件及結果如下。又於電弧式離子電鍍裝置、磁控 塗佈^ 及不平衡磁控濺鍍裝置中之TiN、TiCN、TiA!N 習知去（TlN層、TiCN層、TiA〗N層之形成方法）則均為 知，勿須贅言。 <條件> 方式··電弧式離子電鍍 電弧電流 氮氣流量 偏壓電壓 _ <結果> 160A X 2 靶 1000 seem 20V 容器内壓力·· 2x 10-2 mbar 處理時間：3〇 min χ 4次（間隔15 min

555873 發明說明（9)

處理溫度：180 °C

膜厚：2· 6 /zm 包覆膜硬度：Hv2230 密接度：65N 衝擊試驗：末確認包覆膜破壞 母材硬度：HRC61

〜 又如上述實施形態，如以塗佈Ti取代Cr塗佈時亦可； 侍相同效果。亦即，對於含有於磁控濺鍍裝置中，在基？ ^形成鈦（Titanium)層之前製程；及於電弧式離子電錢 衣置磁控濺鍍裝置、或不平衡磁控濺鍍裝置中，在前g 鈦層之上形成氮化鉻層、氮化鈦層、破氮化 鈦銘層之後製程之包覆膜形成方法亦有用。、㈢、或乳〃 【發明效果】 如上所述，本發明與HCD式或電弧式之 同，因處理溫度（基材溫度）不會成為高㉟，：電鍍法不 材文熱損害之問題發生，結果基材（鋼鐵故完全無基 料）之材質不限定為特殊材質。因此， &料、非鐵材 加工容易之SPHC為基材時，可提供細、又價廉且加壓 (如壓縮機之葉片等）。 〜 廉之機械元件 555873

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Claims (1)

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   16532 ?: 六、申請專利範圍 1 ·種包覆膜形成方法，盆特彳^ i ^1 中，在基材上形成鉻層之前製i為包含：於磁控減鍍裝置 置中，將基材溫度維持為10〇4m:離子電鑛裝 〇"m之鉻層之上形成 C 厚為o.h. 程。 ·55·〇#πι之氮化鉻層之後製 2.如申請專利範圍第丨項之包覆 ' 前製程中，將偏壓電壓設為零伏膜^成方法，其中，於該 3前圍第1項之包覆膜形成方法，其中，於該 油分之電浆蝕刻製程。 *基材表面之氧化膜、水分或 4中：==方法’其特徵為包含：於磁議裝置 τ，在基材上形成鉻層之前，· 將基材溫度維持為100~2。0;“乂，及於磁控藏鑛裝置中’ 鉻層之上形成膜；為。° c ’在該膜厚為〇·Η.〇Ρ之 ^如申珠皇4丨二阁二· 5·Q 之氮化鉻層之後製程。 b ·如曱〇月專利範圍第4工苜夕^7 «& . 〜ϋ U々 包覆膜形成方法，其中，於該 刖衣f王中，將偏壓電壓設為零伏特。 6 ·如申清專利範圍第4 jg之台费 前製程之前，設ΪΓΛ除Λ膜:…,’其中 分之電㈣刻製程。除基材表面之氧化膜、水分或油 ^-種包覆膜形成方法，其特徵為包含：於磁控濺鍍裝置 ，在基材上形成鉻層之前製程；及於不平衡磁控濺鍍裝 置中將基材度維持為100〜200 °c，在該膜厚為0·1〜1.0 //m之鉻層之上形成膜厚為〇5〜5〇 之氮化鉻層之後製 程0

   第15頁 555873 修正 案號 90116532 六、申請專利範圍 8 ·如申請專利範圍第7項之包覆膜形成方法，其中，於該 前製程中，將偏壓電壓設為零伏特。 9 ·如申請專利範圍第7項之包覆膜形成方法，其中，於該 前製程之前，設置用以去除基材表面之氧化膜、水分或油 分之電漿蝕刻製程。 1 0 · —種葉片型壓縮機用葉片，其使用申請專利範圍第1至 9項中任一項之包覆膜形成方法，進行表面處理。

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