CNG壓縮機活塞桿TiN耐磨涂層的性能研究

鄢強，吳濤，梁政

（1.四川金星壓縮機制造有限公司，四川成都611731；2.西南石油大學機電學院，四川成都610041）

CNG壓縮機活塞桿TiN耐磨涂層的性能研究

鄢強1，2，吳濤1，梁政2

（1.四川金星壓縮機制造有限公司，四川成都611731；2.西南石油大學機電學院，四川成都610041）

采用柱弧離子鍍在CNG壓縮機活塞桿38CrMoAlA基體上制備TiN涂層，研究了涂層的結構、表面形貌、膜基結合力及摩擦系數(shù)等。結果表明，TiN涂層均呈（111）晶面擇優(yōu)取向的面心立方結構，呈致密的柱狀生長，涂層的膜基結合力較好，活塞桿經(jīng)鍍覆TiN涂層后的硬度超過20GPa。TiN涂層工藝穩(wěn)定，試磨效果較好，考慮到制造成本相對較低，可作為38CrMoAlA活塞桿耐磨涂層的選擇之一。

TiN涂層；活塞桿；耐磨性

1　引言

活塞桿是往復壓縮機中功率傳輸?shù)闹匾M成部分，其可靠性直接影響著整臺壓縮機的安全性與可靠性［1-3］。影響液壓缸壽命的主要因素是活塞桿，其原因是活塞桿在使用過程中與缸體有較強的滑動磨損，而且液壓油長時間使用后會被污染，常常含有金屬或其它硬顆粒，造成活塞桿的拉傷，甚至在表面出現(xiàn)溝槽，活塞桿磨損和表面拉傷后，影響液壓系統(tǒng)執(zhí)行機構動作的靈敏性和準確性［1］。因此，提高活塞桿的耐磨性是提高液壓缸工作壽命的有效措施。

為了提高活塞桿的耐磨損能力，延長使用壽命，通常的表面強化處理方法是滲碳［4］、表面氮化及高頻淬火［5］和在其上面鍍層P-Ni層等。雖然這些方法延長活塞桿使用壽命，但延長使用時間較長，近年來對活塞桿表面進行耐磨處理提高其使用壽命的方法主要有超音速火焰噴涂或等離子體制備WC涂層［6］。

本文采用柱弧離子鍍在CNG壓縮機活塞桿38CrMoAlA基體上制備TiN涂層，研究了涂層的結構、表面形貌、膜基結合力及摩擦系數(shù)等。

2　實驗

2.1TiN涂層的制備

采用柱弧離子鍍（圖1）制備TiN涂層。直徑為70 mm的Ti（99.5%）靶作源材料，通入Ar和N2混合氣體進行反應沉積。氣體含量及比例通過質(zhì)量流量控制儀調(diào)節(jié)。本底真空為2×10-3Pa。具體制備過程見文獻［7］，樣品不同工藝制度下沉積TiN涂層的詳細工藝參數(shù)見表1。

圖1　中心柱靶涂層設備結構

圖2　TiN涂層的XRD圖譜

表1　柱弧離子鍍TiN涂層的工藝參數(shù)表

2.2性能檢測手段

樣品晶體結構采用丹東方圓儀器有限公司生產(chǎn)的DX-2600型自動X射線衍射儀（Cu Kαradiation，λ=0.154184 nm）測試，掃描范圍（2θ）30°~ 120°，掃描速度0.03°/s。

顯微硬度采用上海泰明光學儀器有限公司生產(chǎn)的HXD-1000TMC/LCD帶圖像分析自動轉(zhuǎn)塔顯微硬度計測試，最終硬度取樣品10次測試數(shù)據(jù)的平均值。

涂層與基體的結合強度采用MFT-4000型劃痕測試儀測試，圓錐形金剛石壓頭尖端半徑為0.2 mm，加載速率100 N/min，最大載荷100 N，劃痕長度5 mm，結果為5次測試數(shù)據(jù)的平均值。

摩擦系數(shù)采用中科院蘭州化學物理研究所研制的MS-T3000摩擦磨損試驗儀測試。樣品旋轉(zhuǎn)半徑3.00 mm，試驗時間1 min，轉(zhuǎn)速1200 r/min，載荷300 g，取平均摩擦系數(shù)值。

3　結果與討論

圖2為TiN涂層的XRD圖譜。所有涂層均呈TiN（111）面擇優(yōu)取向的面心立方結構。說明在其它沉積工藝參數(shù)相近，而只改變基體前處理工藝或沉積時間的情況下，對TiN涂層結構并沒有明顯改變。

圖3為樣品的剖面形貌圖。檢測用樣品經(jīng)過切割、鑲嵌、磨拋、清洗等處理。從圖中可以看出，涂層呈致密的柱狀生長。

圖4為TiN涂層在金相顯微鏡下的微觀形貌。從圖中可以看出，涂層中仍見少許大熔滴。

圖5為樣品的AFM表面形貌。從圖中可以看出，涂層中Ti與N反應較完全，但表面相對略粗糙。

圖6為劃痕法得出的涂層臨界載荷。從圖中可以看出，所有涂層的膜基結合力均較好。相對而言，樣品1的膜基結合力更好，而樣品4的膜基結合力下降的原因可能是涂層厚度增加。

圖7為樣品在0.025 kg力下的維氏硬度?？梢钥闯?，涂層樣品的硬度值都超過了20 GPa，這可能歸因于基體已作了恰當?shù)腻兏睺iN涂層前處理及涂層工藝成熟穩(wěn)定。

圖3　TiN涂層的剖面形貌

圖4　TiN涂層樣品表面的金相顯微鏡形貌（×1000倍）

圖5　TiN涂層的表面AFM形貌圖

圖6　TiN涂層樣品的臨界載荷

圖7　TiN涂層樣品的顯微硬度值

圖8　TiN涂層樣品的摩擦系數(shù)

圖8為樣品涂層前后的摩擦系數(shù)圖。從圖中可以看出，對基體表面進行干噴砂處理，雖然有益于提高膜基結合力，但摩擦系數(shù)也明顯變大，表面也相對粗糙。而增加涂層厚度對降低摩擦系數(shù)有一定的幫助。

4　結論

（1）在38CrMoAlA基體上沉積的TiN涂層為面心立方結構，沿TiN（111）面呈致密柱狀擇優(yōu)生長；

（2）經(jīng)干噴砂化學清洗后的樣品膜基結合力相對較好，但摩擦系數(shù)變大；

（3）活塞桿經(jīng)鍍覆TiN涂層后的硬度超過20 GPa，并隨涂層厚度的增加，硬度增大。

在CNG壓縮機活塞桿38CrMoAlA基體上，用柱弧離子鍍技術沉積TiN涂層，工藝穩(wěn)定，試磨效果較好，考慮到制造成本相對較低，TiN涂層可作為38CrMoAlA活塞桿耐磨涂層的選擇之一。

［1］查柏林，王漢功，徐可為.液壓活塞桿耐磨陶瓷涂層研究［J］.機床與液壓，2006（1）：86-88.

［2］王光，任希文，郭啟宏.陶瓷涂層活塞桿的研制［J］.沈陽理工大學學報，2005，24（1）：65-66.

［3］張字，劉萍，張樹人.陶瓷涂層液壓缸及位移測量系統(tǒng)［J］.液壓氣動與密封，2000（3）：38-42.

［4］王宏亮，楊秀玲.活塞桿機械加工工藝及氮碳共滲“三段控制”熱處理工藝在活塞桿上的應用［J］.化學工程與裝備，2012，12：132-134.

［5］安代明.用激光表面淬火提高壓縮機活塞桿耐磨性能［J］.設備管理與維修，2012，8：58-59.

［6］巴鵬.付中和何麗.碳化鎢涂層活塞桿的研制［J］.機械設計與制造，2005，5：95-96.

［7］宋慧瑾，鄢強.離子鍍Ti1-xAlxN涂層的形貌及力學性能研究［J］.真空科學與技術學報，2013，33（1）：61-67.

Study on the Properties of TiN Coatings on the CNG Compressor Piston Rod

YAN Qiang1，2，WU Tao1，LIANG Zheng2
（1.Sichuan Jinxing Compressor Manufacturing Co.，Ltd，Chengdu 611731，China；2.School of Techtronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610041，China）

The TiN coatings were prepared by column-arc ion plating on the CNG compressor piston rod 38CrMoAlA surface.The structure，film-substrate adhesion，surface morphology and wear coefficient of TiN coatings have been studied in this paper.The results showed that the structure of TiN coatings preferredly grew along（111）crystal face with columnar growth mechanism，and the film-substrate adhesion was better；the hardness of piston rod with TiN coatings was more than 20GPa.TiN coating could be used for the 38CrMoAlA CNG compressor piston rod for its better stability and lower cost.

TiN coatings；piston rod；resistant wear

TH45

A

1006-2971（2015）01-0034-04

鄢強（1975-），西南石油大學機電工程學院博士后，主要從事薄膜材料與器件、耐磨涂層材料及材料表面改性研究。E-mail：yhd1210@163.com

2014-09-03