專利名稱：：滑動部件及其制造方法
技術領域：
：本發(fā)明關于具有耐磨性、耐燒結性和附著性均好的高硬度離子電鍍膜的滑動部件及其制造方法。
背景技術：
：內燃機中的活塞環(huán)和壓縮機的葉片等滑動部件的滑動表面要求具有很高的滑動性能，鍍硬鉻由于具有良好的性能，以往一直為人們所采用。但是，近年來由于內燃機的輸出功率不斷提高，對排出氣體的要求、重量減輕以及對于以往類型的氟利昂氣體的使用限制，這些滑動部件表面所承受的負荷逐漸增大，人們轉而采用離子電鍍法形成的TiN膜、TiC膜、CrN膜。用PVD法形成的TiN膜等又硬又脆，并且膜的殘余應力高，因而附著性差，以厚膜使用時發(fā)生鍍膜剝落問題，鍍膜表面粗化時則發(fā)生與之相配合的部件磨損問題。為此特公平4-19412中公布了一種方法，首先用常規(guī)方法制造活塞環(huán)母材，通過研磨調整其表面粗糙度，在其上面形成非常薄的TiN膜。形成TiN膜之后，原則上不再進行加工，為了最大限度改善初期的狀態(tài)，常進行研磨拋光。在上述現(xiàn)有技術中，出于采用研磨加工調整基底表面的粗糙度，加工時基底產生變質層。該變質層在離子電鍍工序的前處理-離子轟擊時無法去除，導致基底與鍍膜之間的粘附性不足，若加大膜的厚度，則鍍膜容易剝落，反之，為了確保鍍膜的附著性而減小膜厚時，滑動部件的耐久性不足。發(fā)明的說明本發(fā)明的目的是解決涂鍍TiN膜或TiC膜等離子電鍍膜的滑動部件存在的上述問題，提供具有良好耐久性的滑動部件及其制造方法。本發(fā)明的滑動部件在由基底表面的粗糙度為2-8μm的鑄鐵或鋼構成的滑動部件的至少滑動面上具有用離子電鍍形成的以鉻和氮為主要成分的膜，并且該膜的表面粗糙度在0.8μm以下，膜厚為10μm以上，該膜是由金屬鉻和氮化鉻構成的混合組織、氮化鉻組織或氮濃度從膜內部向膜外部連續(xù)或分段增大的組織，還包括該組織是非晶態(tài)組織的情況。另外，本發(fā)明還包括上述滑動部件的制造方法，其特征在于所述方法由下列三道工序組成，第一道工序是對滑動部件的滑動面噴砂，第二道工序是利用離子電鍍形成由鉻和氮構成的膜，第三道工序是對鍍膜表面進行研磨等加工。一般地說，對于具有耐磨性鍍膜的滑動部件的滑動面的形成方法，雖考慮由于要留出研磨余量而在鍍膜時適當增加膜的厚度，并通過精磨表面減小表面的粗糙度，但離子電鍍膜由于膜內應力比電鍍膜高，且膜的硬度也大，因而容易剝落，并且內應力隨膜的厚度而增大，因而在上述方法中研磨時鍍膜發(fā)生剝離，另外，TiN膜和TiC膜由于Ti的蒸發(fā)速度慢，因而離子電鍍的成膜速度遲緩，為留出研磨余量而增大鍍膜厚度在工業(yè)生產上是不合算的，因而不被采用。在本發(fā)明中，第一、通過噴砂除去基底表面的加工變質層，同時使表面粗糙度達到2-8μm。這是基于下面的考慮，即表面粗糙度在2μm以下時鍍膜的殘余應力高，膜的附著性不好，而在8μm以上時，降低鍍膜殘余應力的效果減小，為減小表面粗糙度要耗廢大量工時并且必須確保膜厚，因而效率大為降低。采用噴砂物理地去除基底加工變質層，因而可以得到基底的活性表面。這種活性狀態(tài)雖然不能保證到離子電鍍時，但通過離子電鍍工序中的離子轟擊處理很容易使活性得到恢復，從而使離子鍍膜與基底之間具有良好的附著性。另外，由于加大表面粗糙度，與離子鍍膜的接觸面積增加，進一步提高了膜與基底的粘附性。同時由于膜的殘余應力減小，膜的剝離傾向降低。綜上所述，由于鍍膜的附著性提高，因而鍍膜形成后即使研磨也不會發(fā)生剝離。本發(fā)明采用噴砂處理除去加工變質層，在表面粗糙度達到2-8μm的基底表面上進行離子電鍍，使基底表面上形成鍍膜，然后研磨鍍膜的表面，將其粗糙度調整到0.8μm以下。在基底表面上形成的鍍膜的厚度，與基底表面的粗糙度和鍍膜表面粗糙度的調整相關聯(lián)適當加以選擇，為了提高膜的耐久性至少在10μm以上，低于這一厚度時，滑動部件表面耐受負荷的能力不足，另外，膜表面粗糙度超過0.8μm時，將給與之相配合的部件造成不良影響。第二，在本發(fā)明中，離子電鍍形成的膜是以鉻和氮為主要成分，之所以由鉻和氮構成鍍膜，是因為鉻的蒸氣壓比鈦高的多，蒸發(fā)速度快，因而離子電鍍時成膜速度也要快的多，這樣，考慮到留出研磨余量而增大膜厚就不會帶來經濟上的問題。另外，由鉻和氮構成的膜，具有良好的耐燒結性、耐磨性、耐腐蝕性，適合于作為滑動部件的表面膜層，不僅如此，與TiN膜和TiC膜相比，其內應力低，具有良好的抗剝離性，因而可以加大膜厚，從而得到具有良好耐久性的滑動制品。這里所說的由鉻和氮構成的膜，是由Cr、Cr2N、CrN以及它們的混合物構成的膜，包括氮濃度從膜內部向膜外部連續(xù)或分段增大的膜，此外還包括膜組織是非晶態(tài)組織的情況。附圖的簡要說明圖1是所使用的葉片的斜視圖。圖2是離子電鍍裝置的示意圖。本發(fā)明的優(yōu)選實施方案本發(fā)明是通過下列工序實施的，即利用噴砂使表面活化的工序，利用離子電鍍形成出鉻和氮構成的鍍膜的工序，以及采用拋光等方法研磨表面的工序。在噴砂工序中，向滑動部件的滑動基底表面上噴吹砂與空氣的高壓混合氣體，除去基底表面上的污染物、氧化物等損害鍍膜附著性的物質，得到基底活性表面。在該工序中，可以通過改變氧化鋁、碳化硅等粉末的粒度和改變壓力、噴吹次數(shù)來改變平均表面粗糙度。如表1中所示，平均表面粗糙度在2μm以下時膜層的殘余應力高，平均表面粗糙度在2μm以上時膜層的殘余應力逐漸減小，在8μm以上時膜層殘余應力降低的效果減小。但是，如果表面粗糙度過高，則必須相應增大膜厚，并且表面研磨所需的時間增加，因此表面粗糙度在4-6μm最為適宜。表1p><p>將100根鋼制活塞環(huán)(外徑85mm×高度2mm×徑向厚度3.1mm)的外周對齊，沿高度方向疊放在一起，用圓板和螺母夾持其兩邊，用作被處理物。另外，同樣地將50個鋼制(經過氮化)的回轉式壓縮機用葉片(50mm×30mm×5mm)(見圖1)的R滑動面對齊，用夾具固定住，作為被處理物。首先，采用噴砂使外周面活化。砂使用#180的碳化硅，在490KPa的壓力下對其外周面噴砂兩次，使表面粗糙度達到平均4.3μm。用三氯乙烷清洗并進行蒸氣除油，將砂完全洗掉。另外，如果用清潔的壓縮空氣可以除去砂，則不必用三氯乙烷清洗，因此本發(fā)明對防治污染是十分有利的。接下來，用HCD離子電鍍法在經過上述處理的被處理物上鍍覆由鉻和氮構成的膜。下面參照圖2對該方法進行詳細說明。將該活塞環(huán)設置在真空裝置1內，然后用真空泵(圖中未示出)減壓至1×10-4托以下，用加熱器3加熱至400℃。經過規(guī)定的時間后，由進氣口9導入氬氣直至達到約1×10-2托，加直流電壓引起輝光放電，用氬離子轟擊基底表面。接著，用空心陰極4產生電子束，電子束擊中水冷式銅坩堝5中的金屬鉻6，使鉻蒸發(fā)。另外，利用線圈7使電子束收束。接著由進氣口10導入氮氣至規(guī)定的壓力，在活塞環(huán)2的外周面上形成由鉻和氮構成的鍍膜，形成的膜厚度為20-60μm。在涂鍍由鉻和氮構成的非晶態(tài)膜的情況下，用加熱器加熱至200℃。另外，在形成氮濃度從膜內部向膜外部連續(xù)或分段增大的膜的情況下，在規(guī)定的涂鍍時間里連續(xù)或分段增加導入的氮氣量直至達到氮氣分壓。按照以上所述，采用表2中所示的各種條件涂鍍以鉻和氮為主要成分的膜，制成活塞環(huán)和葉片。表2然后，采用研磨拋光精加工按上述條件制成的活塞環(huán)和葉片，使其表面粗糙度在0.8μm以下。對這些活塞環(huán)和葉片的鍍膜進行測試和分析，結果列于表3中。鍍膜的組成分析采用EPMA，組織分析采用X射線分析，硬度采用顯微維式硬度計測定鍍膜斷面，膜厚用金屬顯微鏡測定。表3(符號→表示以上)比較例1、2是用現(xiàn)有技術方法制造的活塞環(huán)和葉片。比較例1是采用研磨拋光精加工活塞環(huán)和葉片的基底外周面至約0.18μm，然后有三氯乙烷清洗除油，用離子電鍍形成約7μm的TiN膜。再采用輕拋光進行精加工。比較例2，是與比較例同樣地操作，涂鍍以鉻和氮為主要成分的膜。將上述實施例中制成的活塞環(huán)和葉片實際裝機進行評價。同時還對用現(xiàn)有技術方法鍍膜的活塞環(huán)和葉片(比較例1和比較例2)進行評價。結果示于表4和表5中。本發(fā)明的活塞環(huán)和葉片的耐磨性均不低于現(xiàn)有技術產品(比較例1)，膜厚度較厚的產品的耐久性非常好。另外，現(xiàn)有技術的耐久性較佳的產品，鍍膜產生剝離，如果評價時間延長勢必造成與之相配合的部件磨損。表4實際裝機評價條件評價發(fā)動機2800cc柴油發(fā)動機轉速×負荷2500轉×4/4時間100小時燃料輕油符號→表示以上)表5評價用的壓縮機密閉型致冷劑壓縮機致冷劑1，1，1，2-四氯乙烷冷凍機油聚亞烷基二醇類轉速200rpm時間200小時</tables>(符號→表示以上)在工業(yè)上的應用如上所述，本發(fā)明的滑動部件具有良好的耐久性、適合于發(fā)動機中使用的活塞環(huán)、機械密封件、壓縮機的葉片等，具有很高的工業(yè)應用價值。權利要求1.滑動部件，其特征在于，在由基底表面的粗糙度為2-8μm的鑄鐵或鋼構成的滑動部件的至少滑動面上具有用離子電鍍形成的以鉻和氮為主要成分的膜，該膜的表面粗糙度在0.8μm以下，膜厚為10μm以上。2.權利要求1所述的滑動部件，其特征在于，基底表面的粗糙度是4-6μm。3.權利要求1或2所述的滑動部件，其特征在于，以鉻和氮為主要成分的膜是由金屬鉻和氮化鉻構成的混合組織。4.權利要求1或2所述的滑動部件，其特征在于，以鉻和氮為主要成分的膜是氮化鉻。5.權利要求1或2所述的滑動部件，其特征在于，以鉻和氮為主要成分的膜中氮濃度從膜內部向膜外部連續(xù)或分段增大。6.權利要求3-5中任一項所述的滑動部件，其特征在于，以鉻和氮為主要成分的膜是非晶態(tài)組織。7.權利要求1-6中任一項所述滑動部件的制造方法，其特征在于所述方法由下列三道工序構成第一道工序是對滑動部件的滑動面噴砂，第二道工序是利用離子電鍍形成由鉻和氮構成的覆膜，第三道工序是對鍍膜表面進行研磨等加工。全文摘要本發(fā)明是滑動部件及其制造方法，即在用噴砂處理使鑄鐵或鋼的表面粗糙度達到2-8μm的滑動部件的滑動部位基底表面上，采用離子電鍍形成以鉻和氮為主要成分的覆膜，膜厚至少在10μm以上，通過研磨使膜表面粗糙度達到0.8μm以下，采用該方法可以制造具有良好耐久性且工業(yè)應用價值高的滑動部件。文檔編號C23C14/58GK1127534SQ9519033公開日1996年7月24日申請日期1995年4月20日優(yōu)先權日1994年4月21日發(fā)明者大矢正規(guī),瀧口勝美申請人:株式會社理研