復合涂層活塞桿及其制造方法

復合涂層活塞桿及其制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種復合涂層活塞桿及其制造方法，涉及空氣壓縮機活塞桿領域，提供一種具有高表面硬度的復合涂層活塞桿及其制造方法。復合涂層活塞桿包括活塞桿主體，活塞桿主體表面為滲氮層，滲氮層外附著有復合涂層，復合涂層從內向外依次為金屬底層、硬質涂層和固體潤滑表層；金屬底層為Ti或Cr層；硬質涂層為硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦系數為0.2-0.5的金屬氮化物或金屬碳氮化物層；固體潤滑表層為類金剛石碳涂層、MoS2層或WS2層中的一種。硬質涂層、固體潤滑表層和金屬底層均采用氣相沉積法涂鍍。本發明既可以應用于空氣壓縮機活塞桿中，也可以應用于其它表面需要高硬度的零件。
【專利說明】復合涂層活塞桿及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及空氣壓縮機活塞桿領域，尤其涉及一種復合涂層活塞桿及其制造方法。
【背景技術】
[0002]目前往復式空氣壓縮機活塞桿制造工藝包括鍛壓成型、正火、調質、去應力、高頻淬火及低溫回火。該工藝制成的活塞桿表面硬度較低，耐磨性較差。要提高活塞桿表面硬度和耐磨性，如果采用傳動的熱處理方法提高硬度值，往往會產生表面淬火裂紋而使產品報廢，或是在用戶應用過程中斷裂，給用戶造成巨大的直接或間接的經濟損失。

【發明內容】

[0003]本發明要解決的技術問題是:提供一種具有高表面硬度的復合涂層活塞桿。
[0004]為解決上述問題采用的技術方案是:復合涂層活塞桿，包括活塞桿主體，活塞桿主體表面為滲氮層，滲氮層外附著有復合涂層，復合涂層從內向外依次為金屬底層、硬質涂層和固體潤滑表層；金屬底層為Ti或Cr層；硬質涂層為硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦系數為0.2-0.5的金屬氮化物或金屬碳氮化物層；固體潤滑表層為類金剛石碳涂層、MoS2層或WS2層中的一種。
[0005]進一步的是:金屬底層厚度為100nm-200nm。
[0006]進一步的是:硬質涂層厚度為2 μ m-5 μ m。
[0007]進一步的是:硬質涂層包括多層成分不同的金屬氮化物或金屬碳氮化物。
[0008]進一步的是:固體潤滑表層為厚度為80nm-120nm。
[0009]進一步的是:活塞桿主體材料為38CrMoAlA。
[0010]本發明要解決的另一技術問題是:提供一種具有高表面硬度的復合涂層活塞桿的制造方法。
[0011]為解決上述問題采用的技術方案是:復合涂層活塞桿制造方法包括如下步驟:
[0012]A、依次進行下料、鍛造、正火、粗車、調質、精車和精磨工序，完成活塞桿主體形狀的加工；
[0013]B、對活塞桿主體進行滲氮處理，使活塞桿主體表面形成滲氮層；
[0014]C、米用氣相沉積法使滲氮層表面附著厚度為100nm-200nm的金屬底層,金屬底層為Ti或Cr層；
[0015]D、采用氣相沉積法使金屬底層表面附著厚度為2 μ m-5 μ m的硬質涂層,硬質涂層包括一層硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦系數為0.2-0.5的金屬氮化物或金屬碳氮化物層，或者多層成分不同的硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦系數為0.2-0.5的金屬氮化物或金屬碳氮化物層；
[0016]E、采用氣相沉積法使硬質涂層表面附著厚度為80nm-120nm的固體潤滑表層，固體潤滑表層為類金剛石碳涂層、MoS2層或WS2層中的一種。[0017]進一步的是:步驟B中，滲氮處理方法為等離子滲氮、氣體滲氮或QPQ技術中的一種，滲氮溫度為500°C _550°C的，滲氮層(2)硬度大于HVl 100。
[0018]進一步的是:步驟C至E中，氣相沉積法為離子鍍，在同一離子鍍設備中進行；
[0019]步驟C包括以下步驟:
[0020]Cl、將活塞桿主體裝入離子鍍設備的工件旋轉設備上；
[0021]C2、抽真空至本底真空≥2X10_2Pa ;真空室加熱溫度至300°C，并保持恒溫Ih以上；
[0022]C3、通入高純Ar氣，使真空度保持在約6Pa，開啟脈沖偏壓電源，逐步升高偏壓至IKV以上，占空比80%，輔助開啟霍爾離子源，進行等離子體輝光清洗IOmin以上；
[0023]C4、開啟工件轉動機構，調節高純Ar氣流量，使真空度保持在約2 X KT1Pa,開啟脈沖偏壓電源，偏壓電源參數為800V，80% ;開啟電弧源，電弧源弧流為130A，觸發高純Ti靶，對桿體進行高能離子流轟擊清洗5min以上；
[0024]C5、調節高純Ar氣流量，使真空度保持在3_5X KT1Pa,降低脈沖偏壓至參數500V，30%，直至沉積的金屬底層(4)厚度為100nm-200nm ；
[0025]步驟D具體為:開啟電弧源，電弧源弧流為130A，觸發高純Cr靶，通入高純N2氣，調節Ar/N2比例，保持真空度為IPa，沉積CrN層0.8 μ m_l μ m ;;關閉Cr靶弧源，沉積TiN層0.8 μ m-Ι μ m ;如此交替沉積，并以TiN作為表層結束，總厚度為2 μ m_5 μ m ;
[0026]步驟E具體為:關閉Ti祀弧源,關閉聞純N2氣,調節聞純Ar氣流量,使真空室保在3-5X KT1Pa,開啟磁過濾陰極 石墨弧源，沉積類金剛石碳涂層約80nm-120nm ;依次關閉石墨弧源，脈沖偏壓電源，高純Ar氣，加熱，工件轉動，停止抽真空，等待真空爐內溫度冷卻至60°C以下或至環境溫度。
[0027]本發明的有益效果是:滲氮層使活塞桿主體表面硬度達到HVllOO以上，為后續涂層工序打好硬度過渡基礎。金屬底層是在滲氮層與后續硬質涂層之間生成一層金屬過渡層，增加后續涂層的附著力。硬質涂層硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦系數為0.2-0.5，其作用是增加基材的表面硬度，大大提升活塞桿的耐磨性，延長活塞桿的單件使用壽命。固體潤滑表層是在硬質涂層表層再沉積一薄層固體潤滑層，既使表面摩擦系數降至0.1-0.2之間，還能起到潤滑的作用。各涂層各司其職，共同作用，使活塞桿表面具備高硬度，高耐磨性和低摩擦系數等優點，同時各涂層結合牢固，不易脫落，大大提高活塞桿使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0028]圖1是復合涂層活塞桿結構示意圖；
[0029]圖中標記為:活塞桿主體1、滲氮層2、復合涂層3、金屬底層4、硬質涂層5、固體潤
滑表層6。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進一步說明。
[0031]復合涂層活塞桿，包括活塞桿主體1，活塞桿主體I表面為滲氮層2，滲氮層2外附著有復合涂層3，復合涂層3從內向外依次為金屬底層4、硬質涂層5和固體潤滑表層6 ;金屬底層4為Ti或Cr層；硬質涂層5為硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦系數為0.2-0.5的金屬氮化物或金屬碳氮化物層；固體潤滑表層6為類金剛石碳涂層、MoS2層或WS2層中的一種。金屬底層4厚度推薦為100nm-200nm。硬質涂層5厚度推薦為2 μ m-5 μ m。固體潤滑表層6厚度推薦為80nm-120nm。活塞桿主體I材料推薦為38CrMoAlA。
[0032]滲氮層使活塞桿主體表面硬度達到HVllOO以上，為后續涂層工序打好硬度過渡基礎。金屬底層是在滲氮層與后續硬質涂層之間生成一層金屬過渡層，增加后續涂層的附著力。硬質涂層硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦系數為0.2-0.5，其作用是增加基材的表面硬度，大大提升活塞桿的耐磨性，延長活塞桿的單件使用壽命。固體潤滑表層是在硬質涂層表層再沉積一薄層固體潤滑層，既使表面摩擦系數降至0.1-0.2之間，還能起到潤滑的作用。各涂層各司其職，共同作用，使活塞桿表面具備高硬度，高耐磨性和低摩擦系數等優點，同時各涂層結合牢固，不易脫落，大大提高活塞桿使用壽命。
[0033]構成硬質涂層5的硬度為20GPa_50GPa，表面摩擦系數為0.2-0.5金屬氮化物或金屬碳氮化物可以是 TiN，CrN, ZrN, TiCN, CrTiN, AlTiN, AlCrN, AlTiCN, AlCrCN, AlTiCrN,AlTiCrCN 等。
[0034]硬質涂層5可以使單層金屬氮化物或金屬碳氮化物，硬質涂層5可以包括多層成分不同的金屬氮化物或金屬碳氮化物。也就是說TiN層加CrN層，或是TiN層加CrN加ZrN，層數從至少兩層到單層厚度小于IOnm的數千層。總厚度應為2 μ m-5 μ m。
[0035]類金剛石碳涂層即DLC涂層，為現有技術產品，是一種兼有高硬度和優異摩擦性能的非晶體硬質薄膜，其結構是一種非晶亞穩態結構。
[0036]復合涂層活塞桿制造方法包括如下步驟:
[0037]A、依次進行下料、鍛造、正火、粗車、調質、精車和精磨工序，完成活塞桿主體I形狀的加工；
[0038]B、對活塞桿主體I 進行滲氮處理，使活塞桿主體I表面形成滲氮層2 ；
[0039]C、米用氣相沉積法使滲氮層2表面附著厚度為100nm-200nm的金屬底層4,金屬底層4為Ti或Cr層；
[0040]D、采用氣相沉積法使金屬底層4表面附著厚度為2 μ m_5 μ m的硬質涂層5,硬質涂層5包括一層硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦系數為0.2-0.5的金屬氮化物或金屬碳氮化物層，或者多層成分不同的硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦系數為0.2-0.5的金屬氮化物或金屬碳氮化物層；
[0041]E、采用氣相沉積法使硬質涂層5表面附著厚度為80nm-120nm的固體潤滑表層6,固體潤滑表層6為類金剛石碳涂層、MoS2層或WS2層中的一種。
[0042]步驟B中，滲氮處理方法可以是現有的各種滲氮處理方法，本發明滲氮處理方法推薦為等離子滲氮、氣體滲氮或QPQ技術中的一種，滲氮溫度為500°C _550°C的，滲氮層2硬度大于HV1100。
[0043]步驟C至E中的氣相沉積方法可以是現有的各種氣相沉積方法。本發明的氣相沉積法推薦為離子鍍，步驟C至E可在同一離子鍍設備中進行；具體步驟和參數如下:
[0044]步驟C包括以下步驟:
[0045]Cl、將活塞桿主體I裝入離子鍍設備的工件旋轉設備上；
[0046]C2、抽真空至本底真空≥2X 10_2Pa ;真空室加熱溫度至300°C，并保持恒溫Ih以上；[0047]C3、通入高純Ar氣，使真空度保持在約6Pa，開啟脈沖偏壓電源，逐步升高偏壓至IKV以上，占空比80%，輔助開啟霍爾離子源，進行等離子體輝光清洗IOmin以上；
[0048]C4、開啟工件轉動機構，調節高純Ar氣流量，使真空度保持在約2 X KT1Pa,開啟脈沖偏壓電源，偏壓電源參數為800V，80% ;開啟電弧源，電弧源弧流為130A，觸發高純Ti靶，對桿體進行高能離子流轟擊清洗5min以上；
[0049]C5、調節高純Ar氣流量，使真空度保持在3_5X KT1Pa,降低脈沖偏壓至參數500V，30%，直至沉積的金屬底層(4)厚度為100nm-200nm ；
[0050]步驟D具體為:開啟電弧源，電弧源弧流為130A，觸發高純Cr靶，通入高純N2氣，調節Ar/N2比例，保持真空度為IPa，沉積CrN層0.8 μ m_l μ m ;;關閉Cr靶弧源，沉積TiN層0.8 μ m-Ι μ m ;如此交替沉積，并以TiN作為表層結束，總厚度為2 μ m_5 μ m ;
[0051]步驟E具體為:關閉Ti靶弧源，關閉高純N2氣，調節高純Ar氣流量，使真空室保在3-5X KT1Pa,開啟磁過濾陰極石墨弧源，沉積類金剛石碳涂層約80nm-120nm ;依次關閉石墨弧源，脈沖偏壓電源，高純Ar氣，加熱，工件轉動，停止抽真空，等待真空爐內溫度冷卻至60°C以下或至環境溫度。
[0052]上述工藝中，滲氮處理和氣相沉積在不同的設備中進行，優點是可將不同的工序分配到不同的部門或平臺完成，分散運營成本。缺點是整個活塞桿表面處理工藝環節多，質量可控性較差，產品合格率相對較低。也可以針對性定制專用設備，該專用設備既能進行滲氮處理又能進行氣相沉積，使滲氮處理和氣相沉積在同一設備中進行，其優點是成品率高，單件加工成本降低；缺點是該表面處理設備一般需要定制，一次性投入較大，且結構復雜，技術性綜合，運行者的知識面及技術水平要求較高，培訓熟練工的周期相對較長。
[0053]本發明既可以應用于空氣壓縮機活塞桿中，也可以應用于其它表面需要高硬度的零件。
【權利要求】
1.復合涂層活塞桿，包括活塞桿主體(1)，其特征在于:活塞桿主體(1)表面為滲氮層(2)，滲氮層(2)外附著有復合涂層(3)，復合涂層(3)從內向外依次為金屬底層(4)、硬質涂層(5)和固體潤滑表層(6);金屬底層(4)為Ti或Cr層；硬質涂層(5)為硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦系數為0.2-0.5的金屬氮化物或金屬碳氮化物層；固體潤滑表層(6 )為類金剛石碳涂層、MoS2層或WS2層中的一種。
2.根據權利I所述的復合涂層活塞桿，其特征在于:金屬底層(4)厚度為100nm-200nmo
3.根據權利2所述的復合涂層活塞桿，其特征在于:硬質涂層(5)厚度為2μ m-5 μ m。
4.根據權利3所述的復合涂層活塞桿，其特征在于:硬質涂層(5)包括多層成分不同的金屬氮化物或金屬碳氮化物。
5.根據權利4所述的復合涂層活塞桿，其特征在于:固體潤滑表層(6)為厚度為80nm_120nm。
6.根據權利5所述的復合涂層活塞桿，其特征在于:活塞桿主體(1)材料為38CrMoAlA0
7.復合涂層活塞桿制造方法，其特征在于包括如下步驟: A、依次進行下料、鍛造、正火、粗車、調質、精車和精磨工序，完成活塞桿主體(1)形狀的加工； B、對活塞桿主體(1)進行滲氮處理，使活塞桿主體(1)表面形成滲氮層(2);` C、采用氣相沉積法使滲氮層(2)表面附著厚度為100nm-200nm的金屬底層(4)，金屬底層(4)為Ti或Cr層； D、采用氣相沉積法使金屬底層(4)表面附著厚度為2μ m-5 μ m的硬質涂層(5),硬質涂層(5)包括一層硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦系數為0.2-0.5的金屬氮化物或金屬碳氮化物層，或者多層成分不同的硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦系數為0.2-0.5的金屬氮化物或金屬碳氮化物層； E、采用氣相沉積法使硬質涂層(5)表面附著厚度為80nm-120nm的固體潤滑表層(6)，固體潤滑表層(6)為類金剛石碳涂層、MoS2層或WS2層中的一種。
8.根據權利要求7所述的復合涂層活塞桿制造方法，其特征在于:步驟B中，滲氮處理方法為等離子滲氮、氣體滲氮或QPQ技術中的一種，滲氮溫度為500°C-550°C的，滲氮層(2)硬度大于HV1100。
9.根據權利要求8所述的復合涂層活塞桿制造方法，其特征在于:步驟C至E中，氣相沉積法為離子鍍，在同一離子鍍設備中進行； 步驟C包括以下步驟: Cl、將活塞桿主體(1)裝入離子鍍設備的工件旋轉設備上； C2、抽真空至本底真空≤2X10_2Pa ;真空室加熱溫度至300°C，并保持恒溫Ih以上； C3、通入高純Ar氣，使真空度保持在約6Pa，開啟脈沖偏壓電源，逐步升高偏壓至IKV以上，占空比80%，輔助開啟霍爾離子源，進行等離子體輝光清洗IOmin以上； C4、開啟工件轉動機構，調節高純Ar氣流量，使真空度保持在約2 X KT1Pa,開啟脈沖偏壓電源，偏壓電源參數為800V，80% ;開啟電弧源，電弧源弧流為130A，觸發高純Ti靶，對桿體進行高能離子流轟擊清洗5min以上；C5、調節高純Ar氣流量，使真空度保持在3-5 X KT1Pa,降低脈沖偏壓至參數500V，30%，直至沉積的金屬底層(4)厚度為100nm-200nm ； 步驟D具體為:開啟電弧源，電弧源弧流為130A，觸發高純Cr靶，通入高純N2氣，調節Ar/N2比例，保持真空度為IPa，沉積CrN層I μ m_4 μ m ;關閉Cr靶弧源，沉積TiN層.0.8 μ m_l μ m ； 步驟E具體為:關閉Ti靶弧源，關閉高純N2氣，調節高純Ar氣流量，使真空室保在3-5X 10?,開啟磁過濾陰極石墨弧源，沉積類金剛石碳涂層約80nm-120nm ;依次關閉石墨弧源，脈沖偏壓電源，高純Ar氣，加熱，工件轉動，停止抽真空，等待真空爐內溫度冷卻至60°C 以下或至環境溫度。
【文檔編號】C23C14/34GK103775634SQ201410060422
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月21日 優先權日:2014年2月21日
【發明者】鄢強, 梁政, 吳濤, 吳俊 , 李斌 申請人:四川金星壓縮機制造有限公司, 西南石油大學, 四川金星石油化工機械設備有限公司, 四川亞連金星特種設備有限責任公司