複合塗層活塞杆的製作方法

2023-05-25 16:36:51 2

複合塗層活塞杆的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種複合塗層活塞杆，涉及空氣壓縮機活塞杆領域，提供一種具有高表面硬度的複合塗層活塞杆。複合塗層活塞杆包括活塞杆主體，活塞杆主體表面為滲氮層，滲氮層外附著有複合塗層，複合塗層從內向外依次為金屬底層、硬質塗層和固體潤滑表層；金屬底層為Ti或Cr層；硬質塗層為硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦係數為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塗層、MoS2層或WS2層中的一種。硬質塗層、固體潤滑表層和金屬底層均採用氣相沉積法塗鍍。本實用新型既可以應用於空氣壓縮機活塞杆中，也可以應用於其它表面需要高硬度的零件。
【專利說明】複合塗層活塞杆
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及空氣壓縮機活塞杆領域，尤其涉及一種複合塗層活塞杆。
【背景技術】
[0002]目前往複式空氣壓縮機活塞杆製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。該工藝製成的活塞杆表面硬度較低，耐磨性較差。要提高活塞杆表面硬度和耐磨性，如果採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。
實用新型內容
[0003]本實用新型要解決的技術問題是:提供一種具有高表面硬度的複合塗層活塞杆。
[0004]為解決上述問題採用的技術方案是:複合塗層活塞杆，包括活塞杆主體，活塞杆主體表面為滲氮層，滲氮層外附著有複合塗層，複合塗層從內向外依次為金屬底層、硬質塗層和固體潤滑表層；金屬底層為Ti或Cr層；硬質塗層為硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦係數為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塗層、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:硬質塗層厚度為2 μ m-5 μ m。
[0007]進一步的是:硬質塗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:活塞杆主體材料為38CrMoAlA。
[0010]本實用新型的有益效果是:滲氮層使活塞杆主體表面硬度達到HVllOO以上，為後續塗層工序打好硬度過渡基礎。金屬底層是在滲氮層與後續硬質塗層之間生成一層金屬過渡層，增加後續塗層的附著力。硬質塗層硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦係數為0.2-0.5，其作用是增加基材的表面硬度，大大提升活塞杆的耐磨性，延長活塞杆的單件使用壽命。固體潤滑表層是在硬質塗層表層再沉積一薄層固體潤滑層，既使表面摩擦係數降至0.1-0.2之間，還能起到潤滑的作用。各塗層各司其職，共同作用，使活塞杆表面具備高硬度，高耐磨性和低摩擦係數等優點，同時各塗層結合牢固，不易脫落，大大提高活塞杆使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0011]圖1是複合塗層活塞杆結構示意圖；
[0012]圖中標記為:活塞杆主體1、滲氮層2、複合塗層3、金屬底層4、硬質塗層5、固體潤
滑表層6。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進一步說明。[0014]複合塗層活塞杆，包括活塞杆主體1，活塞杆主體I表面為滲氮層2，滲氮層2外附著有複合塗層3，複合塗層3從內向外依次為金屬底層4、硬質塗層5和固體潤滑表層6 ;金屬底層4為Ti或Cr層；硬質塗層5為硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦係數為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為類金剛石碳塗層、MoS2層或WS2層中的一種。金屬底層4厚度推薦為100nm-200nm。硬質塗層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。活塞杆主體I材料推薦為38CrMoAlA。
[0015]滲氮層使活塞杆主體表面硬度達到HVllOO以上，為後續塗層工序打好硬度過渡基礎。金屬底層是在滲氮層與後續硬質塗層之間生成一層金屬過渡層，增加後續塗層的附著力。硬質塗層硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦係數為0.2-0.5，其作用是增加基材的表面硬度，大大提升活塞杆的耐磨性，延長活塞杆的單件使用壽命。固體潤滑表層是在硬質塗層表層再沉積一薄層固體潤滑層，既使表面摩擦係數降至0.1-0.2之間，還能起到潤滑的作用。各塗層各司其職，共同作用，使活塞杆表面具備高硬度，高耐磨性和低摩擦係數等優點，同時各塗層結合牢固，不易脫落，大大提高活塞杆使用壽命。
[0016]構成硬質塗層5的硬度為20GPa_50GPa，表面摩擦係數為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。
[0017]硬質塗層5可以是單層金屬氮化物或金屬碳氮化物，硬質塗層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於IOnm的數千層。總厚度為2 μ m-5 μ m。
[0018]類金剛石碳塗層即DLC塗層，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。
[0019]複合塗層活塞杆製造方法包括如下步驟:
[0020]A、依次進行下料、鍛造、正火、粗車、調質、精車和精磨工序，完成活塞杆主體I形狀的加工；
[0021]B、對活塞杆主體I進行滲氮處理，使活塞杆主體I表面形成滲氮層2 ；
[0022]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；
[0023]D、採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的硬質塗層5,硬質塗層5包括一層硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦係數為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，表面摩擦係數為0.2-0.5的金屬氮化物或金屬碳氮化物層；
[0024]E、採用氣相沉積法使硬質塗層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為類金剛石碳塗層、MoS2層或WS2層中的一種。
[0025]步驟B中，滲氮處理方法可以是現有的各種滲氮處理方法，本實用新型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硬度大於HV1100。
[0026]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。本實用新型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:
[0027]步驟C包括以下步驟:[0028]Cl、將活塞杆主體I裝入離子鍍設備的工件旋轉設備上；
[0029]C2、抽真空至本底真空≥2X 10_2Pa ;真空室加熱溫度至300°C，並保持恆溫Ih以上；
[0030]C3、通入高純Ar氣，使真空度保持在約6Pa，開啟脈衝偏壓電源，逐步升高偏壓至IKV以上，佔空比80%，輔助開啟霍爾離子源，進行等離子體輝光清洗IOmin以上；
[0031]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,開啟脈衝偏壓電源，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，對杆體進行高能離子流轟擊清洗5min以上；
[0032]C5、調節高純Ar氣流量，使真空度保持在3_5X KT1Pa,降低脈衝偏壓至參數500V，30%，直至沉積的金屬底層(4)厚度為100nm-200nm ；
[0033]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-1 μ m ；
[0034]步驟E具體為:關閉Ti祀弧源，關閉1?純N2氣，調節1?純Ar氣流量，使真空室保在3-5X10^8，開啟磁過濾陰極石墨弧源，沉積類金剛石碳塗層約80rnn-120mn;依次關閉石墨弧源，脈衝偏壓電源，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。
[0035]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。缺點是整個活塞杆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。也可以針對性定製專用設備，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製，一次性投入較大，且結構複雜，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。 [0036]本實用新型既可以應用於空氣壓縮機活塞杆中，也可以應用於其它表面需要高硬度的零件。
【權利要求】
1.複合塗層活塞杆，包括活塞杆主體(1)，其特徵在於:活塞杆主體(I)表面為滲氮層(2)，滲氮層(2)外附著有複合塗層(3)，複合塗層(3)從內向外依次為金屬底層(4)、硬質塗層(5)和固體潤滑表層(6);金屬底層(4)為Ti或Cr層；硬質塗層(5)為硬度為20GPa-50GPa，表面摩擦係數為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 )為類金剛石碳塗層、MoS2層或WS2層中的一種。
2.根據權利要求1所述的複合塗層活塞杆，其特徵在於:金屬底層(4)厚度為100nm-200nmo
3.根據權利要求2所述的複合塗層活塞杆，其特徵在於:硬質塗層(5)厚度為2 μ m_5 μ m。
4.根據權利要求3所述的複合塗層活塞杆，其特徵在於:硬質塗層(5)包括多層成分不同的金屬氮化物或金屬碳氮化物。
5.根據權利要求4所述的複合塗層活塞杆，其特徵在於:固體潤滑表層(6)為厚度為80nm-120nmo
【文檔編號】C23C14/06GK203756974SQ201420077332
【公開日】2014年8月6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:四川金星壓縮機製造有限公司, 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