專(zhuān)利名稱(chēng)：經(jīng)表面改性的GCr15壓縮機(jī)葉片及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制冷行業(yè)的壓縮機(jī)葉片，尤其涉及一種經(jīng)表面改性的GCrl5壓縮機(jī)葉片及其制備工藝，來(lái)代替昂貴的高速鋼壓縮機(jī)葉片以滿(mǎn)足其工況要求。
背景技術(shù)：
隨著制冷行業(yè)的發(fā)展和全球氣候變暖，制冷空調(diào)、冰箱的使用越來(lái)越普遍。任何制冷系統(tǒng)都是由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器三大核心模塊組成。制冷系統(tǒng)工作時(shí)，壓縮機(jī)將冷凍劑壓縮成高壓飽和氣體，這種氣態(tài)冷凍劑經(jīng)過(guò)冷凝器冷凝，并通過(guò)節(jié)流裝置節(jié)流之后，通入到蒸發(fā)器蛇行管內(nèi)，將所需要冷卻的媒介(如房間的空氣)冷卻換熱后變成低壓蒸氣流回到壓縮機(jī)，再被壓縮機(jī)壓縮，這樣反復(fù)循環(huán)運(yùn)行就完成了制冷過(guò)程。制熱系統(tǒng)也大致是這個(gè)原理，只是方式相反。制冷壓縮機(jī)種類(lèi)和形式很多，根據(jù)原理可分容積型和速度型兩類(lèi)，其中容積式是最為普遍的。轉(zhuǎn)子葉片式容積型壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)部件少；體積小，重量輕；排氣壓力脈動(dòng)小，容積效率高等特點(diǎn)。目前在小容量的空調(diào)壓縮機(jī)中占有主導(dǎo)地位，并在中央空調(diào)中已得到廣泛應(yīng)用。葉片作為轉(zhuǎn)子葉片式壓縮機(jī)的重要零部件，它將汽缸內(nèi)部空間一分為二，當(dāng)壓縮機(jī)主軸帶動(dòng)偏心轉(zhuǎn)子緊貼汽缸內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，葉片始終與偏心轉(zhuǎn)子滾動(dòng)接觸，并造成汽缸內(nèi)月牙形空間容積發(fā)生周期性變化，致使制冷劑蒸氣發(fā)生體積和溫度上的變化，從而完成吸入和壓縮制冷劑的任務(wù)。為了保證在壓縮機(jī)偏心轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中完成制冷劑吸入和壓縮的任務(wù)，并達(dá)到低噪聲和長(zhǎng)壽命之目的，不僅要求葉片與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子間，葉片與汽缸滑槽間配合緊密，還要求這兩對(duì)摩擦副之間的摩擦系數(shù)盡量降低，長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行，因此，除對(duì)葉片加工精度要求很高外，它應(yīng)具有低的摩擦系數(shù)和很好的抗磨、抗腐蝕性能。目前葉片通常采用高速鋼等高級(jí)合金工具鋼制成。由于合金工具鋼中含碳量高，且含有大量的W、Mo、Cr、V等合金元素，冶煉、澆注、塑性成形和熱處理工藝等整個(gè)加工制造流程十分復(fù)雜，其原材料成本高。以目前使用最為廣泛的M2 (W6Mo5Cr4V2)高速鋼葉片為例，現(xiàn)今國(guó)內(nèi)M2原材料市場(chǎng)價(jià)為5 7萬(wàn)元 /噸。原材料進(jìn)廠后，為了改善高速鋼葉片本身的切削加工性，需要采用比較復(fù)雜的和嚴(yán)格的退火工藝；高速鋼葉片粗加工后，則必須進(jìn)行120(TlM(TC高溫淬火，促使鋼中碳化物溶解，以提高奧氏體中合金元素和碳的含量(葉片的高溫淬火是影響其使用性能最敏感的工序，也是工藝控制難度最大的工藝)；葉片隨后再在出現(xiàn)“二次硬化”的溫度廣560°C)下進(jìn)行三次回火處理；最后還要進(jìn)行表面滲氮處理，以進(jìn)一步提高高速鋼葉片表面的強(qiáng)度、硬度，其加工工藝復(fù)雜，要求高。根據(jù)壓縮機(jī)葉片的工況條件，既然摩擦磨損、疲勞損傷是葉片的主要失效方式，本發(fā)明選用具有良好的耐磨性和抗接觸疲勞性能，加工性能好、價(jià)格相對(duì)較便宜的GCrl5軸承鋼作為基材，在其正常整體熱處理(淬火+低溫回火)后采用先進(jìn)的表面改性技術(shù)賦予葉片表面以特殊的成分、組織結(jié)構(gòu)和性能，從而能既經(jīng)濟(jì)又有效地提高葉片質(zhì)量和延長(zhǎng)使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前壓縮機(jī)葉片原材料成本高，加工工藝復(fù)雜等問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種采用常用的軸承鋼，即GCrl5作為壓縮機(jī)葉片的基材，經(jīng)表面改性制得的壓縮機(jī)葉片；
本發(fā)明的另一目的在于提供這種壓縮機(jī)葉片的制備工藝。本發(fā)明的發(fā)明目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)表面改性的GCrl5壓縮機(jī)葉片采用GCrl5軸承鋼作為壓縮機(jī)葉片的基材，在 GCrl5軸承鋼葉片正常整體熱處理的組織表面上再沉積一層厚度為2 3 μ m的Cr-Al-N鍍層。所述GCrl5軸承鋼的化學(xué)成分(w t 為C :0. 95 1.05 ； C r 1. 40^1. 65 ； M η 0. 25、. 45 ；Si 0. 15、. 35。經(jīng)表面改性的GCrl5壓縮機(jī)葉片的制備工藝，包括如下步驟
1)、GCrl5葉片經(jīng)割片后進(jìn)行球化退火處理，球化退火工藝為退火溫度為68(T720°C ，退火時(shí)間為2 汕，退火后硬度為207 229 HB ；
由于GCrl5軸承鋼來(lái)料的工藝狀態(tài)不同，往往具有不同的內(nèi)部顯微組織，因此，葉片冷加工前需要進(jìn)行球化退火處理，以獲得顆粒狀珠光體組織，這不僅能降低原材料的硬度，便于切削加工，還能為最終熱處理(淬火+低溫回火)作組織準(zhǔn)備。2)、對(duì)球化退火處理后的葉片進(jìn)行粗加工和半精加工后，再進(jìn)行熱處理，熱處理的工藝條件為先在78(T820°C下淬火，然后立即在17(T200°C低溫下回火，為減少了殘余奧氏體量，提高葉片的尺寸穩(wěn)定性，必要時(shí)在淬火后增加一道冷處理工藝處理溫度為一50 —780C，時(shí)間為Ih;
整體熱處理(淬火+低溫回火)是確保軸承鋼葉片基體獲得高的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵。GCrl5軸承鋼葉片經(jīng)淬火、回火后獲得極細(xì)的回火馬氏體，分布均勻細(xì)小的粒狀碳化物(59TlO%)以及少量的殘余奧氏體(59TlO%)，硬度為飛2HRC。淬火切忌過(guò)熱，淬火后立即回火。3)、對(duì)熱處理后的葉片進(jìn)行精加工、研磨、滾拋后，沉積Cr-Al-N膜經(jīng)研磨后的葉片用去離子水、無(wú)水酒精和丙酮超聲波分別清洗lOmin，烘干后放入Teer公司的四靶非平衡磁控濺射設(shè)備UDP850/4系統(tǒng)真空室內(nèi)，其中兩個(gè)為CK99. 99%)靶，兩個(gè)為Al (99. 99%) 靶。鍍膜前先將真空抽至3. OX KT3Pa以下，以Ar (99. 999% )為濺射氣體，施加550 V的負(fù)偏壓對(duì)基體進(jìn)行等離子體清洗15 min，以獲得清潔的基體表面，提高膜-基的結(jié)合強(qiáng)度； 高純N2 (99. 999%)為反應(yīng)氣體，以O(shè)EM系統(tǒng)來(lái)控制N2流量，Ar流量為30 sccm,沉積過(guò)程中維持工作氣壓為8. OX 10_21 ，對(duì)基體施加6(T75V的負(fù)偏壓，Cr靶電流為6、A，Al靶電流為8 10A，濺射時(shí)間為2 4h。在磁控濺射沉積過(guò)程中，通過(guò)緩慢地線性改變鍍膜的工藝參數(shù)，可使鍍層組織結(jié)構(gòu)由一開(kāi)始的Cr底層和CrN過(guò)渡層逐漸平穩(wěn)過(guò)渡至Cr-Al-N鍍層。Cr-Al-N膜鍍層的沉積厚度約為2 3μπι。
本發(fā)明選用GCrl5軸承鋼作為壓縮機(jī)葉片的基材，由于它含有的合金元素量比高速鋼的少得多，其原材料價(jià)格僅為高速鋼價(jià)格的1/3 1/4。GCrl5由于加工性能好，便于得到較穩(wěn)定而均勻的組織和高的硬度，良好的耐磨性和抗接觸疲勞性能，有較滿(mǎn)意的防銹性能、合適的彈性和韌性，因而可廣泛用于需高硬度、高耐磨的軸承、精密量具和絲杠等軸類(lèi)零件。根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)葉片始終與偏心轉(zhuǎn)子接觸，存在滾動(dòng)摩擦，為了進(jìn)一步提高葉片的耐磨性，延長(zhǎng)其使用壽命，本發(fā)明采用先進(jìn)的材料表面改性技術(shù)一物理氣相沉積 (PVD)方法，在GCrl5軸承鋼葉片正常整體熱處理的組織表面上再沉積一層約2 3μπι的 Cr-Al-N鍍層。Cr-Al-N鍍層是具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的化合物間隙相，它是在CrN 二元系薄膜的基礎(chǔ)上添加入Al合金元素來(lái)進(jìn)行摻雜改性的。這里(Cr，Al)N以納米晶形式出現(xiàn)，AlN以非晶態(tài)形式出現(xiàn)，由于細(xì)晶和彌散強(qiáng)化作用，其納米硬度高達(dá) 25GPa，而且具有更高抗氧化性能。
由于GCrl5軸承鋼葉片正常整體熱處理(淬火+低溫回火)后硬度可達(dá)飛2HRC，具有相當(dāng)高的承載能力，既給予最外層的耐磨Cr-Al-N鍍層以強(qiáng)有力的支撐，又降低了膜/基界面的硬度梯度，具有合理的硬度和應(yīng)力梯度分布；而Cr-Al-N鍍層又具有如此高的硬度，這樣經(jīng)表面改性處理的GCrl5軸承鋼葉片，其耐磨性得到顯著地提高，同時(shí)也提高了葉片抗疲勞、抗腐蝕能力，使用壽命大大延長(zhǎng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明是如何實(shí)現(xiàn)的，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
1)GCr15軸承鋼割片后先進(jìn)行球化退火，其工藝為退火溫度為710°C，退火時(shí)間為2h， 硬度為211 HB ；
2)進(jìn)行粗加工一半精加工一熱處理(淬火+低溫回火)790°C下淬火后，170°C低溫下回火，硬度為64HRC;
3)精加工一研磨一滾拋一沉積Cr-Al-N膜依次用去離子水、無(wú)水酒精和丙酮超聲波將滲氮葉片清洗lOmin，烘干后放入Teer公司的四靶非平衡磁控濺射設(shè)備UDP850/4系統(tǒng)真空室內(nèi)。鍍膜前先將真空抽至3. OX KT3Pa以下，以Ar (99. 999% )為濺射氣體，施加 550 V的負(fù)偏壓對(duì)基體進(jìn)行等離子體清洗15 min ；高純隊(duì)(99. 999%)為反應(yīng)氣體，以O(shè)EM系統(tǒng)來(lái)控制N2流量，Ar流量為30 sccm，沉積過(guò)程中維持工作氣壓為8. OX 10_ 2 Pa。對(duì)基體施加75 V的負(fù)偏壓，Cr靶電流為8A，A1靶電流為10A，濺射時(shí)間為4h。測(cè)得的膜層摩擦系數(shù)為、.48，硬度為25. 9GPa，膜基的臨界載荷>80N，膜層厚度為3μπι。最后葉片進(jìn)行檢驗(yàn)、包裝。
實(shí)施例2
l)GCrl5軸承鋼割片后先進(jìn)行球化退火，其工藝為退火溫度為680°C，退火時(shí)間為 2. 5h，硬度為 221 HB ；2)進(jìn)行粗加工一半精加工一熱處理(淬火+低溫回火)在780°C下淬火后，在190°C 低溫回火，硬度為62HRC;
3)精加工一研磨一滾拋一沉積Cr-Al-N膜依次用去離子水、無(wú)水酒精和丙酮超聲波將滲氮葉片清洗lOmin，烘干后放入Teer公司的四靶非平衡磁控濺射設(shè)備UDP850/4系統(tǒng)真空室內(nèi)。鍍膜前先將真空抽至3. OX KT3Pa以下，以Ar (99. 999% )為濺射氣體，施加 550 V的負(fù)偏壓對(duì)基體進(jìn)行等離子體清洗15 min ；高純隊(duì)(99. 999%)為反應(yīng)氣體，以O(shè)EM系統(tǒng)來(lái)控制N2流量，Ar流量為30 sccm，沉積過(guò)程中維持工作氣壓為8. OX 10_ 2 Pa。對(duì)基體施加60 V的負(fù)偏壓，Cr靶電流為6A，Al靶電流為8A，濺射時(shí)間為池。測(cè)得的膜層摩擦系數(shù)為、.47，硬度為22.5GPa，膜基的臨界載荷>80N，膜層厚度為2 μ m，。最后葉片進(jìn)行檢驗(yàn)、包裝。
實(shí)施例3
DGCr 15軸承鋼割片后先進(jìn)行球化退火，其工藝為退火溫度為690°C，退火時(shí)間為2h， 硬度為215 HB ；
2)進(jìn)行粗加工一半精加工一熱處理(淬火+低溫回火)790°C下淬火后，180°C低溫下回火，硬度為63HRC ；
3)精加工一研磨一滾拋一沉積Cr-Al-N膜依次用去離子水、無(wú)水酒精和丙酮超聲波將滲氮葉片各清洗lOmin，并烘干后放入Teer公司的四靶非平衡磁控濺射設(shè)備UDP850/4 系統(tǒng)真空室內(nèi)。鍍膜前先將真空抽至3. OX KT3Pa以下，以Ar (99. 999% )為濺射氣體，施加550 V的負(fù)偏壓對(duì)基體進(jìn)行等離子體清洗15 min ；高純隊(duì)(99. 999%)為反應(yīng)氣體，以O(shè)EM 系統(tǒng)來(lái)控制N2流量，Ar流量為30 sccm，沉積過(guò)程中維持工作氣壓為8. OX 10_ 2 Pa。對(duì)基體施加70 V的負(fù)偏壓，Cr靶電流為7A，Al靶電流為9A，濺射時(shí)間為池。測(cè)得的膜層摩擦系數(shù)為、.48，硬度為23.4GPa，膜基的臨界載荷>80N，膜層厚度為2. 5 μ m，。最后葉片進(jìn)行檢驗(yàn)、包裝。
權(quán)利要求
1.經(jīng)表面改性的GCrl5壓縮機(jī)葉片，其特征在于葉片采用GCrl5軸承鋼作為壓縮機(jī)葉片的基材，在GCrl5軸承鋼葉片正常整體熱處理的組織表面上再沉積一層厚度為2 3 μ m 的Cr-Al-N鍍層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)表面改性的GCrl5壓縮機(jī)葉片，其特征在于，所述GCrl5軸承鋼的化學(xué)成分為C 0. 95 1. 05 ； C r :1. 40 1· 65 ； M η :0. 25 0· 45 ；Si :0. 15 0. 35，上述百分比為重量百分比。
3.經(jīng)表面改性的GCrl5壓縮機(jī)葉片的制備工藝，包括如下步驟1)、以GCrl5軸承鋼為基材的葉片經(jīng)割片后進(jìn)行球化退火處理，球化退火工藝為退火溫度為68(T720°C，退火時(shí)間為2 3h，退火后硬度為207 229 HB;2)、對(duì)球化退火處理后的葉片進(jìn)行粗加工和半精加工后，再進(jìn)行熱處理，熱處理的工藝條件為先在78(T820°C下淬火，然后立即在17(T200°C低溫下回火，必要時(shí)在淬火后增加一道冷處理工藝處理溫度為一50 —780C，時(shí)間為Ih ；3)、對(duì)熱處理后的葉片進(jìn)行精加工、研磨、滾拋后，沉積Cr-Al-N膜對(duì)經(jīng)研磨后的葉片進(jìn)行清洗，烘干后放入四靶非平衡磁控濺射設(shè)備UDP850/4系統(tǒng)真空室內(nèi)，其中兩個(gè)純度為 99. 99%的Cr靶，兩個(gè)純度為99. 99%的Al靶，反應(yīng)氣體為純度為99. 999%的隊(duì)，鍍膜前先將真空抽至3. OX 10-3 以下，以純度為99. 999%的Ar為濺射氣體，施加550 V的負(fù)偏壓對(duì)基體進(jìn)行等離子體清洗15 min ；沉積過(guò)程中維持工作氣壓為8. 0 X 10—2 Pa,對(duì)基體施加6(Γ 75V的負(fù)偏壓，Cr靶電流為6、A，Al靶電流為纊10Α，濺射時(shí)間為2、h，Cr-Al-N膜鍍層的沉積厚度為2 3μπι。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的經(jīng)表面改性的GCrl5壓縮機(jī)葉片的制備工藝，其特征在于 所述3)步驟中對(duì)葉片清洗是用去離子水、無(wú)水酒精和丙酮超聲波分別清洗lOmin，烘干后放入真空室內(nèi)，鍍膜前再用純Ar氣體，對(duì)基體進(jìn)行等離子體清洗15 min。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了經(jīng)表面改性的GCr15壓縮機(jī)葉片及其制備工藝，葉片采用GCr15軸承鋼作為壓縮機(jī)葉片的基材，在GCr15軸承鋼葉片正常整體熱處理的組織表面上再沉積一層Cr-Al-N鍍層，其工藝路線為:割片→球化退火→粗加工→半精加工→熱處理(淬火+低溫回火)→精加工→研磨→滾拋→沉積Cr-Al-N膜→檢驗(yàn)。本發(fā)明采用加工性好的GCr15軸承鋼經(jīng)正常熱處理后對(duì)其表面采用PVD材料表面改性處理來(lái)制備葉片，不僅大大降低了原材料成本，且進(jìn)一步提高了葉片的耐磨性、抗疲勞、抗腐蝕能力，使用壽命大大延長(zhǎng)。
文檔編號(hào)B23P15/02GK102345606SQ20111031794
公開(kāi)日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者周仔麒, 唐云龍, 張碧云, 李凡巧, 林大明, 胡利萍, 蔡珣 申請(qǐng)人:上海西工壓縮機(jī)配件有限公司, 浙江匯錦梯爾鍍層科技有限公司