CN104235360A - 多层纳米硬质涂层活塞杆及加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层纳米硬质涂层活塞杆，包括杆体，所述杆体的基材的表面由内而外依次设有钛底层、氮化钛过渡层、氮碳化钛过渡层、氧碳氮化钛过渡层、α-Al2O3陶瓷涂层和氮化钛表层。本发明还公开了一种多层纳米硬质涂层活塞杆的加工工艺，主要包括以下步骤：清洗活塞杆杆体；装入低温等离子体渗注镀设备内进行渗氮和涂层；检验入库。本发明通过在活塞杆杆体基材表面由内而外依次设置六层涂层，形成内层高强韧性，外层高硬度、高耐磨的活塞杆实体，其硬度为20GPa～50GPa，表面摩擦系数为0.1～0.4，相比传统活塞杆能显著地降低摩擦，提高耐磨性，延长单件使用寿命；而且，在没有损坏杆体的前提下，易于进行多次修复，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种活塞杆，尤其涉及一种多层纳米硬质涂层活塞杆及加工工艺。
背景技术
活塞杆多用于压缩机等产品中，是支持活塞做功的连接部件，大部分应用在油缸、气缸运动执行部件中，是一个运动频繁、技术要求高的运动部件。因为活塞杆的工作环境温度高、磨擦频繁，所以要求活塞杆在硬度、耐磨性、摩擦系数、使用寿命方面有较高要求，传统的活塞杆虽然已有多年改进，但其硬度、耐磨性、摩擦系数、使用寿命的综合性能还是不足。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种综合性能高的多层纳米硬质涂层活塞杆及加工工艺。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种多层纳米硬质涂层活塞杆，包括杆体，所述杆体的基材的表面由内而外依次设有钛底层、氮化钛过渡层、氮碳化钛过渡层、氧碳氮化钛过渡层、α-Al2O3陶瓷涂层和氮化钛表层。
上述结构中，钛底层即Ti，能增加后续涂层的附着力，厚度约100nm～200nm；氮化钛过渡层即TiN，起到组分、硬度、给合力等方面的有效衔接作用，厚度通常在0.2μm-0.5μm之间；氮碳化钛过渡层即TiCN，厚度通常在1μm-3μm之间；氧碳氮化钛过渡层即TiCNO，起到组分、硬度、给合力等方面的有效衔接作用，厚度通常在0.1μm-0.5μm之间；α-Al2O3陶瓷涂层利于保持涂层的高红硬性，厚度通常在1μm-3μm之间；氮化钛表层即TiN，厚度约0.1μm-1μm，起到标识、降低摩擦系数、降低粘着性等方面作用。
所述杆体的基材为38CrMoAlA。
一种多层纳米硬质涂层活塞杆的加工工艺：包括以下步骤：
(1)准备活塞杆杆体；
(2)清洗杆体；
(3)将杆体装入夹具并置于低温等离子体渗注镀设备内，关闭设备门，抽真空至本底真空≥2×10-2Pa，真空室加热温度至300℃，并保持恒温1h以上；
(4)通入高纯Ar气，使真空度保持在约6Pa，开启脉冲偏压电源，逐步升高偏压至1KV以上，占空比80％，辅助开启霍尔离子源，进行等离子体辉光清洗10min以上；
(5)开启工件转动机构，调节高纯Ar气流量，使真空度保持在约2×10-1Pa，开启脉冲偏压电源，参数800V，80％，开启电弧源，弧流130A，触发高纯Ti靶，对杆体进行高能离子流轰击清洗5min以上；
(6)调节高纯Ar气流量，使真空度保持在3～5×10-1Pa，降低脉冲偏压至参数500V，30％，沉积Ti底层厚约100nm～200nm；
(7)通入高纯N2气，调节Ar/N2比例至1:1，保持真空度约1Pa，沉积TiN过渡层，厚约0.2μm-0.5μm；
(8)通入高纯C2H2气，调节Ar/N2/C2H2比例至1:30:5，保持真空度约1Pa，沉积TiCN过渡层，厚约1μm-3μm；
(9)通入高纯O2气，调节Ar/N2/C2H2/O2比例至1:30:5:1，保持真空度约1Pa，沉积TiCNO过渡层，厚约0.1μm-0.5μm；
(10)依次关闭Ti柱弧源，脉冲偏压电源，高纯C2H2和N2气，然后调节Ar/O2比例至15:1，保持真空度约0.5Pa，开启中频磁控溅射电源，参数20A，80％，40kHz，沉积α-Al2O3陶瓷涂层，厚约1μm-3μm；
(11)依次关闭中频磁控溅射电源，高纯O2气，然后通入高纯N2气，调节Ar/N2比例至1:30，保持真空度约0.5Pa，开启直流磁控电源，参数8A/460V，沉积TiN表层，厚约0.2μm-1μm；
(12)依次关闭直流磁控电源，高纯Ar和N2气，加热，工件转动，停止抽真空，等待真空炉内温度冷却至60℃以下或至环境温度；
(13)开启真空室门，取工件，逐件检验多层纳米硬质涂层活塞杆杆体表面综合状况；
(14)将多层纳米硬质涂层活塞杆成品进行真空封装，入成品库。
说明：上述各气体之间的比例均为体积比。
具体地，所述活塞杆杆体以38CrMoAlA为基材。
本发明的有益效果在于：
本发明通过在活塞杆杆体基材表面由内而外依次设置钛底层、氮化钛过渡层、氮碳化钛过渡层、氧碳氮化钛过渡层、α-Al2O3陶瓷涂层和氮化钛表层，形成内层高强韧性，外层高硬度、高耐磨的活塞杆实体，其多层涂层的硬度为20GPa～50GPa，表面摩擦系数为0.1～0.4，相比传统的机械加工及表面处理后的活塞杆能显著地降低摩擦，提高耐磨性，延长单件使用寿命；而且，在没有损坏杆体的前提下，易于进行多次修复，降低成本。
附图说明
图1是本发明所述多层纳米硬质涂层活塞杆的剖视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明所述多层纳米硬质涂层活塞杆包括杆体1，杆体1的基材8的表面由内而外依次设有钛底层2、氮化钛过渡层3、氮碳化钛过渡层4、氧碳氮化钛过渡层5、α-Al2O3陶瓷涂层6和氮化钛表层7。其中，杆体1的基材8为38CrMoAlA(一种专用氮化钢)；钛底层即Ti，厚度约100nm～200nm；氮化钛过渡层即TiN，厚度通常在0.2μm-0.5μm之间；氮碳化钛过渡层即TiCN，厚度通常在1μm-3μm之间；氧碳氮化钛过渡层即TiCNO，厚度通常在0.1μm-0.5μm之间；α-Al2O3陶瓷涂层厚度在1μm-3μm之间；氮化钛表层即TiN，厚度约0.1μm-1μm。
本多层纳米硬质涂层活塞杆有分离式和复合式两种加工方式。其中，分离式加工工艺是指在渗氮前的机械加工工序完成后，将基体分别依序装入渗氮处理设备、真空涂层设备中进行表面处理，然后出炉检验，封装入库。其中，每次装入真空炉前都要进行必要的清洁处理。采用此加工工序的优点是可选择多种有效渗氮工艺，且将渗氮和涂层工序分配到不同的部门或平台完成，分散运营成本。缺点是增加了整个活塞杆表面处理工艺环节，质量控制难度相对增高。
本多层纳米硬质涂层活塞杆宜采用复合式加工工艺，具体步骤包括：
(1)准备以38CrMoAlA为基材的活塞杆杆体，该杆体按以下常规加工步骤即可得到：下料→锻造→正火→粗车→调质→精车→精磨→铣六方→检验→入中转库；
(2)清洗杆体，一般采用化学清洗；
(3)将杆体装入夹具并置于低温等离子体渗注镀设备内，关闭设备门，抽真空至本底真空≥2×10-2Pa，真空室加热温度至300℃，并保持恒温1h以上；
(4)通入高纯Ar气，使真空度保持在约6Pa，开启脉冲偏压电源，逐步升高偏压至1KV以上，占空比80％，辅助开启霍尔离子源，进行等离子体辉光清洗10min以上；
(5)开启工件转动机构，调节高纯Ar气流量，使真空度保持在约2×10-1Pa，开启脉冲偏压电源，参数800V，80％，开启电弧源，弧流130A，触发高纯Ti靶，对杆体进行高能离子流轰击清洗5min以上；
(6)调节高纯Ar气流量，使真空度保持在3～5×10-1Pa，降低脉冲偏压至参数500V，30％，沉积Ti底层厚约100nm～200nm；
(7)通入高纯N2气，调节Ar/N2比例至1:1，保持真空度约1Pa，沉积TiN过渡层，厚约0.2μm-0.5μm；
(8)通入高纯C2H2气，调节Ar/N2/C2H2比例至1:30:5，保持真空度约1Pa，沉积TiCN过渡层，厚约1μm-3μm；
(9)通入高纯O2气，调节Ar/N2/C2H2/O2比例至1:30:5:1，保持真空度约1Pa，沉积TiCNO过渡层，厚约0.1μm-0.5μm；
(10)依次关闭Ti柱弧源，脉冲偏压电源，高纯C2H2和N2气，然后调节Ar/O2比例至15:1，保持真空度约0.5Pa，开启中频磁控溅射电源，参数20A，80％，40kHz，沉积α-Al2O3陶瓷涂层，厚约1μm-3μm；
(11)依次关闭中频磁控溅射电源，高纯O2气，然后通入高纯N2气，调节Ar/N2比例至1:30，保持真空度约0.5Pa，开启直流磁控电源，参数8A/460V，沉积TiN表层，厚约0.2μm-1μm；
(12)依次关闭直流磁控电源，高纯Ar和N2气，加热，工件转动，停止抽真空，等待真空炉内温度冷却至60℃以下或至环境温度；
(13)开启真空室门，取工件，逐件检验多层纳米硬质涂层活塞杆杆体表面综合状况；
(14)将多层纳米硬质涂层活塞杆成品进行真空封装，入成品库。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
Claims (4)
1.一种多层纳米硬质涂层活塞杆，包括杆体，其特征在于：所述杆体的基材的表面由内而外依次设有钛底层、氮化钛过渡层、氮碳化钛过渡层、氧碳氮化钛过渡层、α-Al2O3陶瓷涂层和氮化钛表层。
2.根据权利要求1所述的多层纳米硬质涂层活塞杆，其特征在于：所述杆体的基材为38CrMoAlA。
3.一种如权利要求1所述的多层纳米硬质涂层活塞杆的加工工艺：包括以下步骤：
(1)准备活塞杆杆体；
(2)清洗杆体；
(3)将杆体装入夹具并置于低温等离子体渗注镀设备内，关闭设备门，抽真空至本底真空≥2×10-2Pa，真空室加热温度至300℃，并保持恒温1h以上；
(4)通入高纯Ar气，使真空度保持在约6Pa，开启脉冲偏压电源，逐步升高偏压至1KV以上，占空比80％，辅助开启霍尔离子源，进行等离子体辉光清洗10min以上；
(5)开启工件转动机构，调节高纯Ar气流量，使真空度保持在约2×10-1Pa，开启脉冲偏压电源，参数800V，80％，开启电弧源，弧流130A，触发高纯Ti靶，对杆体进行高能离子流轰击清洗5min以上；
(6)调节高纯Ar气流量，使真空度保持在3～5×10-1Pa，降低脉冲偏压至参数500V，30％，沉积Ti底层厚约100nm～200nm；
(7)通入高纯N2气，调节Ar/N2比例至1:1，保持真空度约1Pa，沉积TiN过渡层，厚约0.2μm-0.5μm；
(8)通入高纯C2H2气，调节Ar/N2/C2H2比例至1:30:5，保持真空度约1Pa，沉积TiCN过渡层，厚约1μm-3μm；
(9)通入高纯O2气，调节Ar/N2/C2H2/O2比例至1:30:5:1，保持真空度约1Pa，沉积TiCNO过渡层，厚约0.1μm-0.5μm；
(10)依次关闭Ti柱弧源，脉冲偏压电源，高纯C2H2和N2气，然后调节Ar/O2比例至15:1，保持真空度约0.5Pa，开启中频磁控溅射电源，参数20A，80％，40kHz，沉积α-Al2O3陶瓷涂层，厚约1μm-3μm；
(11)依次关闭中频磁控溅射电源，高纯O2气，然后通入高纯N2气，调节Ar/N2比例至1:30，保持真空度约0.5Pa，开启直流磁控电源，参数8A/460V，沉积TiN表层，厚约0.2μm-1μm；
(12)依次关闭直流磁控电源，高纯Ar和N2气，加热，工件转动，停止抽真空，等待真空炉内温度冷却至60℃以下或至环境温度；
(13)开启真空室门，取工件，逐件检验多层纳米硬质涂层活塞杆杆体表面综合状况；
(14)将多层纳米硬质涂层活塞杆成品进行真空封装，入成品库。
4.根据权利要求3所述的多层纳米硬质涂层活塞杆，其特征在于：所述活塞杆杆体以38CrMoAlA为基材。
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