一种提高压缩机滑片减摩耐磨性的薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及压缩机滑片技术领域，具体而言，涉及一种提高压缩机滑片减摩耐磨性的薄膜及其制备方法

背景技术：

据统计，现阶段中国至少有八成的家用空调采用r22传统制冷剂。r22传统制冷剂是氟里昂制冷剂中应用较多的一种，对臭氧层破坏很大，严重危害了人类居住环境和整体生态环境。按照《蒙特利尔议定书》规定，r22制冷剂将于2020年前逐步淘汰，无氟环保冷媒r410a为其主要环保替代品。r410a是一种新型环保制冷剂，由两种准共沸的混合物而成，工作压力为普通r22空调的1.6倍左右，制冷(热)效率更高，不破坏臭氧层。另外，采用新冷媒的空调在性能方面也会有一定的提高。r410a是目前为止国际公认的用来替代r22最合适的冷媒，并在欧美，日本等国家得到普及。

另，由于环保新冷媒的运用，原有压缩机及零部件已经不能完全满足新的冷媒介质环境要求，其中最为突出的是压缩机内部的工作压力，r22制冷剂压缩机的压力为1.5mpa-2.0mpa，r134a制冷剂压缩机的压力为2mpa-3mpa，r410a制冷剂压缩机的压力为3mpa-4mpa，co2制冷剂压缩机的压力要＞10mpa。因此，压缩机关键零部件滑片的磨损加剧，原有滑片的表面处理技术已经不能满足需求，急需开发一种减摩耐磨的表面处理技术。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对现有技术，提供一种提高压缩机滑片减摩耐磨性能的薄膜及其制备方法，得到的薄膜具有高硬度、低摩擦系数、高导电性、强耐腐蚀性能、厚度均匀、结合力好的优点，能够提高压缩机滑片的减摩耐磨性能，从而使滑片基体能够在ra134a、ra410a、co2冷媒及高压力、强变速的环境下使用，且大大提高滑片基体的使用寿命。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：提供一种提高压缩机滑片减摩耐磨性能的薄膜，该薄膜位于基体表面，该薄膜为四层结构，自滑片基体表面起，第一层是金属单质薄膜结合层，第二层是金属氮化物薄膜过渡层，第三层是金属碳化物薄膜过渡层，第四层为类石墨碳膜层。

所述的金属单质薄膜结合层是采用磁控溅射的方法通入氩气，氩气辉光放电，电离出氩离子在电场力的作用下轰击靶材，溅射大量的靶材原子沉积在基体表面，形成高结合力的结合层。

所述的金属氮化物薄膜是采用磁控溅射方法获得的金属靶材原子与通入氮气反应生成的氮化物沉积在基体表面，形成的金属氮化物层。

所述的金属碳化物薄膜是采用磁控溅射方法获得的金属靶材原子与磁控溅射方法获得的石墨靶材原子反应沉积在基体表面，形成的金属碳化物层。

所述的类石墨薄膜是采用磁控溅射方法获得石墨靶材原子沉积在基体表面，形成的类石墨碳膜层。

所述的金属优先选择铬、钛、钨或银。

所述的滑片基体为高速钢、不锈钢、轴承钢的任意一种钢材。

对应上述的薄膜，本发明还提供一种提高压缩机滑片减摩耐磨性的薄膜的制备方法，具体如下：镀膜设备采用非平衡闭合场磁控溅射离子镀膜机，包括真空室、磁控溅射源，能同时公转自转的工件挂具，挂具安装在真空室内，磁控溅射源上安装靶材，制备过程包括以下步骤：

步骤1、清洗滑片基体：

将表面预处理完毕的滑片基体固定在工件挂具上，调整真空室气压至2.0×10^-5torr～6.0×10^-5torr，通入氩气，磁控溅射源工作电流调整为0.1a～1a，调整滑片基体的负偏压0～500v，工作时间为5分钟～40分钟；

步骤2、在滑片基体上依次沉积各层涂层：

(1)沉积金属单质薄膜过渡层：

将滑片基体的负偏压调整为30v～200v，继续通入氩气，磁控溅射源的工作电流调整为0.1a～10a，工作时间为5分钟～20分钟；

(2)沉积金属氮化物薄膜过渡层：

保持(1)中工作条件不变，通入氮气，工作时间为10分钟～50分钟；

(3)沉积金属碳化物薄膜过渡层：

停止通入氢气，调整磁控溅射工作电源为0.5a～12a，工作时间为30分钟～120分钟；

(4)沉积类石墨碳膜涂层：

调整基体的负偏压为30v～200v，工作时间为100分钟～500分钟，关闭磁控溅射工作电源；

步骤3、取出滑片基体：

待真空室温度降至室温，取出滑片，滑片表面得到4层结构的薄膜。

所述的滑片基体表面预处理方法为气体渗氮、气体碳氮共渗、气体氧—碳—氮三元共渗中的任意一种化学热处理方法。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)选用类石墨(glc)涂层作为滑片基体表面的薄膜，充分利用其高硬度、低摩擦系数、高导电性、强耐腐蚀性能、厚度均匀、结合力好的优点，干式物理气相沉积(pvd)技术沉积温度低于160℃，基体的实用性十分广泛。

(2)为了提高薄膜的综合性能，将上述优点(1)中单一的类石墨涂层优化为4层结构，引入金属单质薄膜结合层、金属氮化物薄膜过渡层、金属碳化物薄膜过渡层提升结合力及硬度。

(3)结合滑片基体的表面预处理工艺，在沉积薄膜之前，对滑片基体表面预处理，包括气体渗氮、气体碳氮共渗、气体氧—碳—氮三元共渗技术，提高基体弧面硬度，使滑片基材与涂层具有更高的匹配性，进而提高两者之间的结合力。

因此，本发明通过优化设计设计滑片基体表面的涂层结构及优化制备工艺，得到的涂层具有高硬度、低摩擦系数、高导电性、强耐腐蚀性能、厚度均匀、结合力好的优点，能够提高压缩机滑片的减摩耐磨性能，从而使滑片基体能够在ra134a、ra410a、co2冷媒以及润滑剂环境下使用，并且提高滑片基体的使用寿命。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明一些实施例中的提高压缩机滑片减摩耐磨性的薄膜的结构示意图；

图2为本发明一些实施例中的制备提高压缩机滑片减摩耐磨性的薄膜的方法流程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种提高压缩机滑片减摩耐磨性的薄膜100，位于压缩机滑片基体200的弧面，所述的薄膜100为四层结构，自所述压缩机滑片基体200起，第一层是金属单质薄膜结合层110，第二层是金属氮化物薄膜过渡层120，第三层是金属碳化物薄膜过渡层130，第四层为类石墨碳膜层140。制备上述膜层的方法可以采用常规的磁控溅射镀膜方法，也可采用，特殊参数设定的镀膜方法。具体地，所述金属单质薄膜结合层110是采用磁控溅射的方法通入氩气，氩气辉光放电，电离出氩离子在电场力的作用下轰击靶材，溅射靶材原子沉积在基体200表面制备而成。所述金属氮化物薄膜过渡层120是采用磁控溅射方法获得的金属靶材原子与通入的氮气反应生成的氮化物沉积在所述金属单质薄膜结合层110而制成。所述金属碳化物薄膜过渡层130是采用磁控溅射方法获得的金属靶材原子与磁控溅射方法获得的石墨靶材原子反应沉积在所述金属氮化物薄膜过渡层120而制成。所述类石墨碳膜层140是采用磁控溅射方法获得石墨靶材原子沉积在所述金属碳化物薄膜过渡层130而制成。

所述金属单质薄膜结合层110、所述金属氮化物薄膜过渡层120和所述金属碳化物薄膜过渡层130中的金属包括铬、钛、钨或银中的一种或多种。所述压缩机滑片基体200的材质包括高速钢、不锈钢或轴承钢。

与现有技术相比，本发明实施例中的薄膜的优点如下：选用类石墨(glc)涂层作为滑片基体表面的薄膜，充分利用其高硬度、低摩擦系数、高导电性、强耐腐蚀性能、厚度均匀、结合力好的优点，干式物理气相沉积(pvd)技术沉积温度低于160℃，基体的实用性十分广泛；为了提高薄膜的综合性能，将上述优点中单一的类石墨涂层优化为4层结构，引入金属单质薄膜结合层、金属氮化物薄膜过渡层、金属碳化物薄膜过渡层提升结合力及硬度；结合滑片基体的表面预处理工艺，在沉积薄膜之前，对滑片基体表面预处理，包括气体渗氮、气体碳氮共渗、气体氧—碳—氮三元共渗技术，提高基体弧面硬度，使滑片基材与涂层具有更高的匹配性，进而提高两者之间的结合力。

因此，本发明通过优化设计设计滑片基体表面的涂层结构及优化制备工艺，得到的涂层具有高硬度、低摩擦系数、高导电性、强耐腐蚀性能、厚度均匀、结合力好的优点，能够提高压缩机滑片的减摩耐磨性能，从而使滑片基体能够在ra134a、ra410a、co2冷媒以及润滑剂环境下使用，并且提高滑片基体的使用寿命。

实施例2

如图2所示，本发明实施例提供了一种制备上述实施例中的薄膜的方法，包括如下步骤：

步骤1、清洗滑片基体：

将表面预处理完毕的滑片基体固定在工件挂具上，调整真空室气压至2.0×10^-5torr～6.0×10^-5torr，通入氩气，磁控溅射源工作电流调整为0.1a～1a，调整滑片基体的负偏压为0～500v，工作时间为5分钟～40分钟；

步骤2、在滑片基体上依次沉积各层涂层：

(1)沉积金属单质薄膜过渡层：

将滑片基体的负偏压调整为30v～200v，继续通入氩气，磁控溅射源的工作电流调整为0.1a～10a，工作时间为5分钟～20分钟；

(2)沉积金属氮化物薄膜过渡层：

保持步骤(1)中工作条件不变，通入氮气，工作时间为10分钟～50分钟；

(3)沉积金属碳化物薄膜过渡层：

停止通入氢气，调整磁控溅射工作电源为0.5a～12a，工作时间为30分钟～120分钟；

(4)沉积类石墨碳膜涂层：

调整基体的负偏压为30v～200v，工作时间为100分钟～500分钟，关闭磁控溅射工作电源；

步骤3、取出滑片基体：

待真空室温度降至室温，取出滑片，滑片表面得到四层结构的薄膜。

所述滑片基体表面预处理方法为气体渗氮、气体碳氮共渗、气体氧—碳—氮三元共渗中的任意一种化学热处理方法。

所述步骤2中采用镀膜设备进行沉积，所述镀膜设备为非平衡闭合场磁控溅射离子镀膜机，包括真空室、磁控溅射源、能同时公转自转的工件挂具，挂具安装在真空室内，磁控溅射源上安装靶材。

实施例3

选不锈钢为压缩机滑片基体，滑片基体表面是由4层结构表面组成，自滑片基体表面起，第一层是金属单质薄膜结合层，第二层是金属氮化物薄膜过渡层，第三层是金属碳化物薄膜过渡层，第四层为类石墨碳膜层，当然也可选择高速钢或者轴承钢作为所述压缩机滑片基体。上述滑片基体表面的薄膜制备方法如下：

镀膜设备为非平衡闭合场磁控溅射离子镀膜机，包括真空室、磁控溅射源、能同时公转自转的工件挂具，挂具安装在真空室内，磁控溅射源上安装高纯度铬单质(纯度＞99.995％)靶材，制备步骤如下：

(1)表面预处理：不锈钢作为压缩机滑片基体，滑片基体气体渗氮处理；

(2)清洗基体：将表面预处理完毕的滑片基体固定在工件挂具上，调整真空室气压至2.0×10-⁵torr～6.0×10-⁵torr，通入氩气，磁控溅射源工作电流调整为0.1a～1a，调整滑片基体的负偏压0～500v，工作时间为5分钟～40分钟；

(3)沉积金属氮化物薄膜过渡层：

保持(1)中工作条件不变，通入氮气，工作时间为10分钟～50分钟；

(4)沉积金属碳化物薄膜过渡层：

停止通入氢气，调整磁控溅射工作电源为0.5a～12a，工作时间为30分钟～120分钟；

(5)沉积类石墨碳膜涂层：

调整基体的负偏压为30v～200v，工作时间为100分钟～500分钟，关闭磁控溅射工作电源；

(6)取出滑片基体：待真空室温度降至室温，取出滑片，滑片表面得到4层结构的薄膜。

该薄膜的厚度为2.52μm，呈灰黑色，涂层结合力hf(参照德国工程师手册vdi3198)，摩擦系数0.05左右，表面硬度hv1500左右。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)选用类石墨(glc)涂层作为滑片基体表面的薄膜，充分利用其高硬度、低摩擦系数、高导电性、强耐腐蚀性能、厚度均匀、结合力好的优点，干式物理气相沉积(pvd)技术沉积温度低于160℃，基体的实用性十分广泛。

(2)为了提高薄膜的综合性能，将上述优点(1)中单一的类石墨涂层优化为4层结构，引入金属单质薄膜结合层、金属氮化物薄膜过渡层、金属碳化物薄膜过渡层提升结合力及硬度。

(3)结合滑片基体的表面预处理工艺，在沉积薄膜之前，对滑片基体表面预处理，包括气体渗氮、气体碳氮共渗、气体氧—碳—氮三元共渗技术，提高基体弧面硬度，使滑片基材与涂层具有更高的匹配性，进而提高两者之间的结合力。

因此，本发明通过优化设计设计滑片基体表面的涂层结构及优化制备工艺，得到的涂层具有高硬度、低摩擦系数、高导电性、强耐腐蚀性能、厚度均匀、结合力好的优点，能够提高压缩机滑片的减摩耐磨性能，从而使滑片基体能够在ra134a、ra410a、co2冷媒以及润滑剂环境下使用，并且提高滑片基体的使用寿命。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。