一種提高壓縮機滑片耐磨損性的薄膜及其製備方法
2023-06-18 12:46:36 1
專利名稱：一種提高壓縮機滑片耐磨損性的薄膜及其製備方法
技術領域：
本發明涉及壓縮機滑片技術領域，尤其涉及一種提高壓縮機滑片耐磨損性的薄膜及其製備方法
背景技術：
近年來，極端的氣候變化已引起人們越來越多的關注，環保問題已經成為全球最熱門的話題，臭氧層的不斷破壞和氣候的逐漸變暖，是當今地球人類所面臨的兩大亟待解決的環境問題。被廣泛應用於汽車、空調、冰箱等電器致冷裝置中的氟裡昂是臭氧層破壞和製造溫室效應的主要參與者，它在地球表面很穩定，但是在距離地球表面15千米 50千米的高空，受到紫外線的照射，就會生成新的物質和氯離子，使臭氧層變得越來越薄，局部區域例如南極上空甚至出現臭氧層空洞，給人類健康和生態環境帶來多方面的危害，按照《蒙特婁議定書》的規定，我國在2010年1月1日已全面禁用此類物質。目前，國內外空調企業已經在高能效空調上啟用一種新的製冷劑-R410A環保新冷媒來替代傳統氟利昂類物質R22。R410A環保新冷媒主要由氫、氟和碳元素組成，具有穩定、無毒等特點，同時由於不含氯元素，故不會破壞臭氧層；另外，採用R410A環保新冷媒的空調在性能方面也有一定提高，因此，R410A環保新冷媒是目前國際公認的用來替代R22最合適的冷媒，至今已在歐美、日本等國家和地區得到應用。但是，由於環保新冷媒的運用，原有的壓縮機及其零配件已經不能完全滿足新的冷媒介質環境要求，其中包括壓縮機內部工作壓力，從R22時的1.5Mpa 2Mpa增加到 R410A時的3Mpa 4Mpa，日本的最新技術壓縮機的內部工作壓力甚至已經達到IlMpa以上。因此，在新的冷媒環境下，壓縮機的「心臟部件」滑片的摩損加劇，原有滑片的表面處理技術已經不能滿足需求，亟需開發一種能適應高壓摩擦及潤滑劑環境下的綠色高性能表面塗層新材料和技術。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有技術現狀，提供一種提高壓縮機滑片耐磨損性的薄膜及其製備方法，該薄膜能夠提高壓縮機滑片的耐磨損性，從而使壓縮機滑片適應因使用新冷媒而產生的超高壓強以及使用潤滑劑的環境。本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為一種提高壓縮機滑片耐磨損性的薄膜，該薄膜位於壓縮機滑片基體表面，該薄膜是多層膜結構，自壓縮機滑片基體表面起， 第一層是線性離子源輔助沉積的金屬單質薄膜粘結層，第二層是金屬單質薄膜過渡層，第三層是金屬硬質碳化物薄膜過渡層，第四層是類金剛石碳膜層。所述的線性離子源輔助沉積的金屬單質薄膜粘結層是採用磁控濺射在基體表面沉積金屬單質薄膜的同時開啟線性離子源並通入氬氣，在沉積金屬單質薄膜的同時保持刻蝕狀態進而形成的高結合力粘結層；所述的金屬硬質碳化物薄膜過渡層是採用磁控濺射在基體表面沉積金屬單質薄
4膜的同時開啟線性離子源並通入碳氫氣體，在金屬單質薄膜與金剛石碳膜層之間形成的金屬碳化物過渡層。所述的金屬優選為鎢、銅、鈦、銀或鉻。所述的壓縮機滑片基體優選為7Crl7、9Crl8、llCrl7、HlU H13中的任意一種鋼材。本發明一種提高壓縮機滑片耐磨損性的薄膜的製備方法具體為鍍膜設備採用磁控濺射與離子束濺射複合鍍膜機，包括真空室、磁控濺射源、線性離子源和能同時公轉自轉的工件託架，工件託架安裝在真空室內，磁控濺射源上安裝過渡層金屬靶，製備過程包括以下步驟步驟1、清洗滑片基體將表面預處理完畢的滑片基體固定在工件託架上，調整真空室氣壓至 1 X 10_5Torr 5 X IO^5Torr,通入氬氣，開啟線性離子源，離子源的工作電流為0. IA 1A， 功率為100W 1000W，調整滑片基體的負偏壓為0 300V，工作時間為10分鐘 40分鐘；步驟2、在滑片基體上依次沉積各層膜(1)沉積線性離子源輔助沉積的金屬單質薄膜粘結層調整滑片基體的負偏壓為50V 500V，保持線性離子源開啟狀態，工作電流為 0. IA 1A，繼續通入氬氣，同時開啟磁控濺射源、調整磁控濺射源的工作電流為IA 5A，工作時間為5分鐘 30分鐘，然後關閉線性離子源；(2)沉積金屬單質薄膜過渡層調整滑片基體的負偏壓為50V 500V，保持磁控濺射源開啟狀態，調整磁控濺射源的工作電流為IA 5A，通入氬氣，工作時間為5分鐘 30分鐘；(3)沉積金屬硬質碳化物薄膜過渡層保持O)中工作條件不變，開啟線性離子源，調整線性離子源的工作電流為 0. IA 0. 3A，同時對離子源通入碳氫氣體，工作時間為5分鐘 30分鐘，然後關閉磁控濺射源；(4)沉積類金剛石碳膜層調整線性離子源的工作電流為0. IA 0. 5A，調整滑片基體的負偏壓為50V 500V，工作時間為60分鐘 500分鐘，然後關閉線性離子源；步驟3、取出滑片基體待真空室溫度降至室溫，取出滑片，滑片表面得到多層結構的薄膜。所述的滑片基體的表面預處理方法可以為氣體滲氮、氣體碳氮共滲、氣體氧-碳-氮三元共滲中的任意一種化學熱處理方法。所述的碳氫氣體優選為CH4或C2H2。與現有技術相比，本發明的優點在於(1)選用類金剛石(DLC)碳膜作為滑片基體表面的薄膜，充分利用其高硬度、低摩擦係數、高耐磨耐蝕性、表面光滑，以及可由多種綠色、乾式的物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)技術，在小於200°C的低溫下大面積生長，並且對基體適用性廣等優異特性；(2)為了提高膜基結合力，增加滑片基體的服役性能，將上述優點(1)中單一的類金剛石碳膜優化設計為多層膜結構，引入金屬元素及其碳合物，在不損失類金剛石碳膜硬度的前提下，進一步大幅度提高膜基結合力；(3)結合滑片基體的表面預處理工藝，在沉積薄膜之前，對滑片基體優化進行表面預處理，包括氣體滲氮、氣體碳氮共滲、氣體氧-氮-碳三元共滲技術，以提高滑片基體的硬度，使滑片基材與多層膜結構的薄膜具有更高的匹配性，進而提高兩者之間結合力；因此，本發明通過優化設計滑片基體表面的薄膜結構以及優化製備工藝，得到的薄膜具有硬度高、摩擦係數低、耐磨耐蝕性高、表面光滑、厚度均勻，以及膜基結合力高的優點，能夠提高壓縮機滑片的耐磨損性，從而使滑片基體能夠在R410A或更高級別新冷媒以及潤滑劑的環境下使用，並且提高滑片基體的使用壽命。
圖1是本發明中滑片基體表面的薄膜結構圖。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。圖1是本發明中滑片基體表面的薄膜結構示意圖。實施例1 H13熱作模具鋼為壓縮機滑片基體，滑片基體表面是由多層膜結構組成的薄膜，自滑片基體表面起，第一層是線性離子源輔助沉積的單質鉻薄膜粘結層，第二層是單質鉻薄膜過渡層，第三層是鉻的硬質碳化物過渡層，第四層是類金剛石碳膜層。上述滑片基體表面的薄膜的製備方法如下鍍膜設備採用磁控濺射與離子束濺射複合鍍膜機，設備包括真空室、磁控濺射源、 線性離子源和能同時公轉自轉的工件託架，工件託架安裝在真空室內部，磁控濺射源上安裝由高純度單質鉻(純度> 99.9% )金屬靶，通過以下步驟進行製備(1)表面預處理H13熱作模具鋼作為壓縮機滑片基體，將滑片基體經過氣體碳氮共滲表面預處理；(2)清洗基體將上述表面預處理完畢的滑片基體固定在工件託架上，可按塗覆圓弧面和端面等方向適時調整，將真空室氣壓調整至2 X IO-S1Torr，通入40sCCm氬氣，開啟線性離子源，線性離子源的工作電流為0. 2A，功率為270W，調整滑片基體的負偏壓為100V， 工作時間為33分鐘；(3)沉積線性離子源輔助沉積的單質鉻薄膜粘結層調整滑片基體負偏壓為 100V，保持線性離子源開啟狀態，調整線性離子源的工作電流為0. 1A，繼續通入16SCCm氬氣，同時開啟磁控濺射源，調整磁控濺射源的工作電流為3A，通入40sCCm氬氣，工作時間為 10分鐘，然後關閉線性離子源；(4)沉積金屬單質薄膜過渡層調整滑片基體負偏壓為100V，保持磁控濺射源開啟狀態，調整磁控濺射源的工作電流為3A，通入40sCCm氬氣，工作時間為5分鐘；(5)沉積鉻的硬質碳化物薄膜過渡層保持(4)中的工作條件不變，開啟線性離子源，調整線性離子源工作電流為0. 2A ；同時通入kccm乙炔氣體，工作時間為13分鐘，然後關閉磁控濺射源；(6)沉積類金剛石碳膜層調整線性離子源的工作電流為0. 2A，功率為270W，調整滑片基體的負偏壓為100V，通入40SCCm乙炔氣體，工作時間為210分鐘；(7)取出滑片基體待真空室溫度降至室溫，取出滑片基體，滑片基體表面即為所述多層膜結構的薄膜。該薄膜厚度為3430. 3nm，呈光亮黑色，經測定薄膜的膜基結合力達40N以上，摩擦係數在0. 15以下，納米壓痕硬度達20GPa以上。實施例2 9Crl8不鏽鋼為壓縮機滑片基體，滑片基體表面是由多層膜結構組成的薄膜，自滑片基體表面起，第一層是線性離子源輔助沉積的單質鈦薄膜粘結層，第二層是單質鈦薄膜過渡層，第三層是鈦的硬質碳化物過渡層，第四層是類金剛石碳膜層。上述滑片基體表面的薄膜的製備方法如下鍍膜設備採用磁控濺射與離子束濺射複合鍍膜機，設備包括真空室、磁控濺射源、 線性離子源和能同時公轉自轉的工件託架，工件託架安裝在真空室內部，磁控濺射源上安裝高純度單質鈦(純度> 99. 9% )金屬靶，通過以下步驟進行製備(1)表面預處理9Crl8不鏽鋼作為壓縮機滑片基體，將滑片基體經過氣體滲氮表面預處理；(2)清洗基體將上述表面預處理完畢的滑片基體固定在工件託架上，可按塗覆圓弧面和端面等方向適時調整，將真空室氣壓調整至2 X IO-S1Torr，通入40sCCm氬氣，開啟線性離子源，線性離子源的工作電流為0. 2A，功率為260W，調整滑片基體的負偏壓為100V， 工作時間為30分鐘；(3)沉積線性離子源輔助沉積的單質鈦薄膜粘結層調整滑片基體負偏壓為 100V,保持線性離子源開啟狀態，調整線性離子源的工作電流為0. 1A，通入20sCCm氬氣，同時開啟磁控濺射源，調整磁控濺射源的工作電流為3A，通入40sCCm氬氣，工作時間為5分鐘，然後關閉線性離子源；(4)沉積單質鈦薄膜過渡層調整滑片基體負偏壓為100V，保持磁控濺射源開啟狀態，調整磁控濺射源的工作電流為2A，通入50sCCm氬氣，工作時間為5分鐘；(5)沉積鈦的硬質碳化物薄膜過渡層保持(4)中的工作條件不變，開啟線性離子源，調整線性離子源工作電流為0. 2A ；同時通入kccm乙炔氣體，工作時間為8分鐘，然後關閉磁控濺射源；(6)沉積類金剛石碳膜層調整線性離子源的工作電流為0. 2A，功率為^OW,調整滑片基體的負偏壓為100V，工作時間為100分鐘；(7)取出滑片基體待真空室溫度降至室溫，取出滑片基體，滑片基體表面即為所述多層膜結構的薄膜。該薄膜厚度為1750nm，呈光亮黑色，經測定類金剛石碳膜塗層的膜基結合力達 40N以上，摩擦係數在0. 15以下，納米壓痕硬度達20GPa以上。
權利要求
1.一種提高壓縮機滑片耐磨損性的薄膜，位於壓縮機滑片基體表面，其特徵是所述的薄膜是多層膜結構，自壓縮機滑片基體表面起，第一層是線性離子源輔助沉積的金屬單質薄膜粘結層，第二層是金屬單質薄膜過渡層，第三層是金屬硬質碳化物薄膜過渡層，第四層是類金剛石碳膜層；所述的線性離子源輔助沉積的金屬單質薄膜粘結層是採用磁控濺射在基體表面沉積金屬單質薄膜的同時開啟線性離子源並通入氬氣，在沉積金屬單質薄膜的同時保持刻蝕狀態進而形成的高結合力粘結層；所述的金屬硬質碳化物薄膜過渡層是採用磁控濺射在基體表面沉積金屬單質薄膜的同時開啟線性離子源並通入碳氫氣體，在金屬單質薄膜與金剛石碳膜層之間形成的金屬碳化物過渡層。
2.根據權利要求1所述的一種提高壓縮機滑片耐磨損性的薄膜，其特徵是所述的金屬為鎢、銅、鈦、銀或鉻。
3.根據權利要求1所述的一種提高壓縮機滑片耐磨損性的薄膜，其特徵是所述的滑片基體為7Crl7、9Crl8、llCrl7、Hll和H13中的任意一種鋼材。
4.根據權利要求1、2或3所述的一種提高壓縮機滑片耐磨損性的薄膜的製備方法，鍍膜設備為磁控濺射與離子束濺射複合鍍膜機，包括真空室、磁控濺射源、線性離子源和能同時公轉自轉的工件託架，工件託架安裝在真空室內，磁控濺射源上安裝由過渡金屬製成的過渡金屬靶，其特徵是包括以下步驟步驟1、清洗滑片基體將表面預處理完畢的滑片基體固定在工件託架上，調整真空室氣壓至IX IO-5Torr 5 X KT5Torr，通入氬氣，開啟線性離子源，離子源的工作電流為0. IA 1A，功率為IOOW 1000W，調整滑片基體的負偏壓為O 300V，工作時間為10分鐘 40分鐘；步驟2、在滑片基體上依次沉積各層膜(1)沉積線性離子源輔助沉積的金屬單質薄膜粘結層調整滑片基體的負偏壓為50V 500V，保持線性離子源開啟狀態，工作電流為0. IA 1A，繼續通入氬氣，同時開啟磁控濺射源、調整磁控濺射源的工作電流為IA 5A，工作時間為5分鐘 30分鐘，然後關閉線性離子源；(2)沉積金屬單質薄膜過渡層調整滑片基體的負偏壓為50V 500V，保持磁控濺射源開啟狀態，調整磁控濺射源的工作電流為IA 5A，通入氬氣，工作時間為5分鐘 30分鐘；(3)沉積金屬硬質碳化物薄膜過渡層保持O)中工作條件不變，開啟線性離子源，調整線性離子源的工作電流為0. IA 0. 3A，同時對離子源通入碳氫氣體，工作時間為5分鐘 30分鐘，然後關閉磁控濺射源；(4)沉積類金剛石碳膜層調整線性離子源的工作電流為0. IA 0. 5A，調整滑片基體的負偏壓為50V 500V，工作時間為60分鐘 500分鐘，然後關閉線性離子源；步驟3、取出滑片基體待真空室溫度降至室溫，取出滑片，滑片表面得到多層結構的薄膜。
5.根據權利要求4所述的一種提高壓縮機滑片耐磨損性的薄膜的製備方法，其特徵是所述的滑片基體的表面預處理方法為氣體滲氮、氣體碳氮共滲、氣體氧-碳-氮三元共滲中的任意一種化學熱處理方法。
6.根據權利要求4所述的一種提高壓縮機滑片耐磨損性的薄膜的製備方法，其特徵是所述的碳氫氣體為CH4或C2H2。
全文摘要
本發明公開了一種提高壓縮機滑片耐磨損性的薄膜以及製備方法，該薄膜位於滑片基體表面，為多層膜結構，自滑片基體表面起，第一層是線性離子源輔助沉積的金屬單質薄膜粘結層，第二層是金屬單質薄膜過渡層，第三層是金屬硬質碳化物薄膜過渡層，第四層是類金剛石碳膜層。與現有技術相比，本發明通過優化設計滑片基體表面的薄膜結構以及優化製備工藝，得到的薄膜具有硬度高、摩擦係數低、耐磨耐蝕性高、表面光滑、厚度均勻，以及膜基結合力高的優點，能夠提高壓縮機滑片的耐磨損性，從而使滑片基體能夠在R410A或更高級別新冷媒以及潤滑劑的環境下使用，並且提高滑片基體的使用壽命。
文檔編號B32B15/04GK102225640SQ201110085450
公開日2011年10月26日 申請日期2011年4月7日 優先權日2011年4月7日
發明者夏祖偉, 莊希平, 汪愛英, 鄭賀 申請人:寧波甬微集團有限公司