一种无级变速器零件防腐耐磨的处理工艺及细观织构设计

技术领域

本发明涉及防腐、耐磨的表面处理工艺技术领域，尤其涉及一种无级变速器零件表面防腐、耐磨的处理工艺及细观织构设计。

背景技术

在工业发展过程中，具有高硬度、高耐磨性能和耐腐蚀性的材料可以满足一些特定环境下的使用，因此是十分有应用前景的。

作为无级变速器中金属带的重要组成部分，该零件在无级变速器工作的过程中两个侧面会直接与两个带轮摩擦接触，同时还会受到相邻第二个零件的推力，因此在无级变速器长期的工作过程中该零件会产生摩擦损耗甚至产生断裂，因此该零件的性能直接影响着无级变速器的使用。

基于无级变速器零件的使用环境，该零件的表面需要拥有高的硬度和耐磨性能同时芯部还要有一定的韧性，因此基体材料的选择是十分重要的。选取钢作为基体材料，该材料具有高的强度和良好的抗疲劳、抗冲击和耐腐蚀性能，同时还具备良好的冲压性能和热处理性能；传统的无级变速器零件制作工艺主要是通过热处理和渗氮等工艺提高材料的性能，但是热处理和渗氮工艺往往较为复杂，且渗氮工艺的生产周期较长，这会导致较高的成本。

通过表面改性处理不仅可以使材料的性能大幅提高，同时工艺简单，成本较低可以满足大规模生产的需求。相较于一些传统的工艺来说通过表面改性提高材料的性能无疑是一种十分有效且有应用前景的方法。为了满足一些金属材料高硬度和耐磨的性能要求，本发明首先使用化学镀工艺在金属基体表面制备高硬度的Ni-W-P涂层，之后通过闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术得到CrNiMoN涂层以进一步提高基体的表面硬度和耐磨性能。

化学镀是在无外界能量输入的条件下，在具有催化活性的基体表面主盐离子与还原剂发生氧化还原反应从而在基体表面形成一层均匀的金属合金保护层。化学镀具有工艺简单、成本低、节能环保等特点。通过化学镀制备的镀层通常具有优良的耐磨和耐腐蚀性能，此外对于形状复杂的工件通过化学镀同样可以获得均匀致密的镀层且镀层与基体有良好的结合力。相较于传统的二元合金化学镀涂层，本发明采用性能更加优异的三元合金化学镀涂层。相比Ni-P二元合金涂层，Ni-W-P三元合金涂层具有更高的硬度和更好的耐磨性能，因此本发明采用Ni-W-P涂层作为金属基体的中间层。

物理气相沉积技术作为一种常用的材料表面改性方法，具有工艺简单，环保，成膜质量好等优点。该技术已经被广泛应用到多种领域，可以获得高硬度、耐腐蚀的膜层。物理气相沉积包括真空蒸发，磁控溅射，多弧离子镀等方法。其中磁控溅射具有高的沉积效率和可重复性，易于实现自动化生产。通过磁控溅射制备的过渡金属氮化物通常具有高的硬度和耐磨性。

因此本发明使用CrNiMoN涂层作为无级变速器零件的最外层，该涂层具有高硬度的CrN和Mo

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种无级变速器零件防腐、耐磨的处理工艺，在经过轧制、冲压后的无级变速器零件表面使用化学镀和磁控溅射工艺制备防腐、耐磨涂层，其制备过程主要包括两步首先使用化学镀制备Ni-W-P涂层，然后使用闭合场非平衡磁控溅射离子镀制备CrNiMoN涂层，同时本发明在最外层的CrNiMoN层和Ni-W-P中间层之间还设置了Cr打底层以提高涂层之间的结合力。

本发明的技术方案为：

一种无级变速器零件表面防腐、耐磨的处理工艺，包括依次进行的化学镀和磁控溅射步骤，所述化学镀步骤在该零件表面设置Ni-W-P中间层，所述磁控溅射步骤在Ni-W-P中间层表面设置CrNiMoN层，磁控溅射具体步骤如下：

(1)超声清洗：将镀过Ni-W-P涂层的基材依次在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗10-15min，然后干燥；

(2)抽真空：将超声清洗过的基材放入到不锈钢腔室中，该设备装备有一块高纯的Cr靶、一块高纯的Mo靶和一块Ni-Cr合金靶(80Ni at.％+20Cr at.％)，通过机械泵和扩散泵将腔室抽到真空度为2.2×10

(3)等离子体清洗：将高纯的氩气引入到腔室，同时设置高的偏压和小的电流对基材表面进行等离子体清洗同时对靶材的表面进行刻蚀，具体的参数为：Ar流速30-40sccm、Cr靶电流为0.3-0.5A、Mo靶电流为0.3-0.5A、Ni-Cr合金靶电流为0.3-0.5A、偏压值为-400到-500V、转速为3-5rpm、清洗时间为20-30min；

(4)沉积CrNiMoN层：通过引入高纯的氮气同时提高Mo靶和Ni-Cr合金靶的电流以沉积CrNiMoN最终层，其中N

(5)冷却：待所有步骤完成后，关闭设备，使无级变速器零件留在磁控溅射设备中，并冷却4h以上。

优选的，在无级变速器表面防腐、耐磨的处理工艺中，所述等离子体清洗步骤和沉积CrNiMoN层步骤之间还设置有沉积Cr打底层步骤，具体为：通过增大Cr靶的电流同时降低偏压值以沉积Cr纯金属层，其中偏压为-70V到-80V，Cr靶电流为4-6A，Mo靶和Ni-Cr合金靶的电流保持不变时间为15-30min。

优选的，在无级变速器零件表面防腐、耐磨的处理工艺中，化学镀具体步骤如下：

(1)清洗：首先将冲压加工后的无级变速器零件分别使用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗10-15min以去除基材表面的污染物，然后在无尘的环境中进行干燥；

(2)碱洗除油：将超声清洗后的零件放入配置好的碱洗液中以去除基材表面未洗净的油污，碱洗时间为25-30min，温度为80-85℃；

(3)水洗：将碱洗后的基材用去离子水冲洗30-40s以去除基材表面残留的碱洗液；

(4)酸洗活化：将水洗后的基材放入8％-10％的硫酸溶液中去除基材表面的氧化膜以获得活化的表面，酸洗时间为25-30s，在室温下进行；

(5)水洗：将酸洗后的基材用去离子水冲洗30-40s以清除基材表面的酸洗液；

(6)施镀：将活化后的基材放入配制好的镀液中进行施镀以获得Ni-W-P涂层；

(7)镀后清洗：将施镀好的基材用去离子水清洗干净，接着在无尘的环境中进行干燥备用。

优选的，所述碱洗除油步骤中，碱洗液的具体配方为：次磷酸钠：7-8g/L、氢氧化钠：35-40g/L、碳酸钠：20-25g/L、硅酸钠：8-10g/L。

优选的，所述施镀步骤中，镀液具体的配方为柠檬酸钠(络合剂)：18-20g/L，六水合硫酸镍(主盐)：18-20g/L，二水合钨酸钠(主盐)：14-16g/L，乙酸钠(缓冲剂)：7-8g/L，硫脲(稳定剂)：1-2mg/L，十二烷基苯磺酸钠(表面活性剂)：15-20mg/L，次磷酸钠(还原剂)：20-24g/L，施镀温度为80-82℃、PH为8-8.5、施镀时间是1.5-2h。各种药品的作用主要是络合剂：防止镀液析出沉淀，延长镀液寿命；主盐：提供沉积所需的金属阳离子；缓冲剂：在施镀过程中防止PH变化过大；稳定剂：抑制镀液的自发分解；表面活性剂：加速气体溢出；还原剂：还原主盐离子使其沉积到基体表面。镀液配制的过程中药品的添加要严格按照一定的顺序，固体药品均需先完全溶解后再缓慢加入到镀液中。具体的添加顺序为首先将两种主盐加入到络合剂中，接着加入缓冲剂、稳定剂、表面活性剂最后加入还原剂。在配制药品的过程中主盐和还原剂不能直接混合，否则可能会产生沉淀甚至造成镀液分解。

优选的，在无级变速器零件表面防腐、耐磨的处理工艺中，在化学镀步骤和磁控溅射步骤之前还包括依次进行的切割板材、轧制、退火、下料、冲压、去毛刺步骤，具体为：

S1切割板材：将板材进行切割，切割成若干段以供轧制；

S2轧制：将切割好的钢板使用高精度的轧机进行轧制以获得所需的厚度，同时通过轧制细化晶粒，消除显微组织的缺陷使板材的组织更加致密；

S3退火：将轧制后的板材加热到700-720℃然后随炉冷却，通过退火处理消除轧制后的内应力；

S4下料：根据无级变速器零件的尺寸将板材剪裁成所需尺寸的条料；

S5冲压：将条料放入设计好的模具中进行冲压；

S6去毛刺：将冲压后可能产生的毛刺处理干净。

优选的，所述冲压步骤中，在该零件的侧面形成有细观织构，所述细观织构为倾斜设置在该零件侧面的凹槽结构。

优选的，所述细观织构为凹槽结构，凹槽结构由多个相互平行的长条形凹槽组成，所述长条形凹槽和该零件安装平面之间的倾斜角为10-40°。

基于上述工艺，本发明制作成一种无级变速器零件，具有Ni-W-P中间层和CrNiMoN层的表面涂层结构，并在Ni-W-P中间层和CrNiMoN层之间进一步设置Cr打底层，同时该零件在冲压过程中还在侧面制备表层细观织构。

本发明通过使用化学镀的方法制备Ni-W-P合金涂层可以在金属基体表面不规则的部位(如凸台和凹槽)同样获得的获得致密均匀的涂层从而极大的提高材料的硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能，同时还能提高涂层之间的结合力。接着使用磁控溅射的方法在镀过Ni-W-P的表面制备硬度更高的CrNiMoN涂层，进一步提高基体的硬度和耐磨性能。

本发明的有益效果：在传统的轧制、冲压等工序后，对无级变速器零件进行表面改性处理。具体来说，是在传统的无级变速器零件制备过程中使用化学镀技术和磁控溅射技术，在冲压后的零件上进行复合涂层的制备，以提高其性能。此外通过侧面倾斜形式凹槽的设计可以进一步减小无级变速器工作过程的摩擦损耗。

上述采用化学镀技术和磁控溅射技术在金属基体表面沉积涂层的方式对无级变速器零件以外的一些其它金属基材也同样适用，以提高金属基材的硬度、耐磨和耐腐蚀性能。

附图说明

图1为无级变速器工作原理示意图；

图2为无级变速器零件和金属带的结构示意图及该零件侧面凹槽的局部放大图；

图3为无级变速器零件制备工艺流程图；

图4为涂层沉积过程示意图；

图5为无级变速器零件的涂层结构图；

图6为无级变速器零件基体、Ni-W-P涂层和Ni-W-P/CrNiMoN涂层硬度对比图；

图7为Ni-W-P涂层和Ni-W-P/CrNiMoN涂层的表面形貌图；

附图中的标号说明：1-主动轮，2-金属带，3-从动轮，4-无级变速器零件，5-钢环，6-板材，7-Ni-W-P中间层，8-Cr打底层，9-CrNiMoN层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方法做进一步的描述：

如图1与图2所示，无级变速器的主要原理是在工作直径可变的主动轮和从动轮之间通过金属带传递动力，进而可以实现传动比的连续变化。其中金属带主要由几百个无级变速器零件和十几条柔性钢环两部分组成，柔性圆环固定在该零件的轴肩部分。在工作过程中通过主动轮的横向运动对主、从动轮之间的传动比进行控制，因此得以实现无级变速的功能。在主动轮的横向运动过程中会与该零件的侧面产生摩擦，因此无级变速器零件要有高的表面硬度和耐磨性能，同时芯部要有一定的韧性防止主动轴横向运动时发生断裂。

优选的，本发明中将无级变速器零件侧面的细观织构(凹槽)设计成倾斜的形式，其中倾斜角为20°，凹槽的宽度为0.12mm，凹槽之间的间距为0.06mm，通过这种倾斜凹槽的设计可以使凹槽内储存更多的润滑油，从而减小无级变速器的金属带与带轮之间的摩檫损耗，同时还能避免无级变速器变速过程中卡顿现象的发生。

如图3所示，以下为无级变速器零件制造的具体工艺步骤：

S1切割板材：将板材进行切割，切割成若干段以供轧制；

S2轧制：将切割好的钢板使用高精度的轧机进行轧制以获得所需的厚度，同时通过轧制可以细化晶粒，消除显微组织的缺陷使板材的组织更加致密；

S3退火：将轧制后的板材加热到700-720℃然后随炉冷却，通过退火处理消除轧制后的内应力；

S4下料：根据无级变速器零件的尺寸将板材剪裁成所需尺寸的条料；

S5冲压：将条料放入设计好的模具中进行冲压；

S6去毛刺：将冲压后可能产生的毛刺处理干净。

优选的，所述冲压步骤中，将无级变速器零件侧面的凹槽设计成倾斜的形式。

本发明在冲压、去毛刺工序之后增加了化学镀和磁控溅射步骤。其中，化学镀步骤具体的操作方法如下：

(1)清洗：首先使用丙酮、酒精、去离子水将冲压后的无级变速器零件进行超声清洗15min以去除基材表面的杂质和污染物，然后在空气中进行干燥；

(2)碱洗除油：将超声清洗后的基材放入配置好的碱洗液中以去除基材表面未洗净的油污。碱洗时间为30min，温度为85℃。碱洗液的具体配方为次磷酸钠：7g/L、氢氧化钠：40g/L、碳酸钠：25g/L、硅酸钠：10g/L；

(3)水洗：将碱洗后的基材用去离子水冲洗40s以去除基材表面残留的碱洗液；

(4)酸洗活化：将水洗后的基材放入10％的硫酸溶液中去除表面的氧化膜以获得活化的表面，酸洗的时间是30s在室温下进行；

(5)水洗：将酸洗后的基材用去离子水冲洗40s以去除基材表面残留的碱洗液；

(6)施镀：将水洗后的基材放入配制好的镀液中施镀2h以获得Ni-W-P涂层，镀液具体的配方为柠檬酸钠：20g/L，六水合硫酸镍：20g/L，钨酸钠：16g/L，乙酸钠：8g/L，硫脲：2mg/L，十二烷基苯磺酸钠：20mg/L，次磷酸钠：24g/L，温度为80℃，PH为8。

(7)镀后清洗：将施镀好的基材用去离子水进行冲洗，接着在空气中进行干燥备用。

所述磁控溅射的具体步骤为：

(1)超声清洗：将镀过Ni-W-P涂层的基材依次在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗15min，然后干燥；

(2)抽真空：将超声清洗过的基材放入到不锈钢腔室中，该设备装备有一块高纯的Cr靶、一块高纯的Mo靶和一块Ni-Cr合金靶(80Ni at.％+20Cr at.％)，通过机械泵和扩散泵将腔室抽到真空度为2.2×10

(3)等离子体清洗：将高纯的氩气引入到腔室，同时设置高的电压和小的电流对基材表面进行等离子体清洗同时对靶材的表面进行刻蚀。具体的参数为Ar流速40sccm，Cr靶电流为0.3A，Mo靶电流为0.3A，Ni-Cr合金靶电流为0.3A，偏压值为-500V，转速为4rpm，清洗时间为30min。

(4)沉积Cr打底层：通过增大Cr靶的电流同时降低偏压值沉积Cr打底层。其中偏压为-80V，Cr靶电流为5A，Mo靶和Ni-Cr合金靶电流保持不变时间为30min。

(5)沉积CrNiMoN层：通过引入高纯的氮气同时提高Mo靶和Ni-Cr合金靶的电流以沉积CrNiMoN最终层。其中N

(6)冷却：待所有步骤完成后，关闭设备，使无级变速器零件留在磁控溅射设备中并冷却4h。

如图4、图5所示，本发明结合化学镀技术和磁控溅射技术，在冲压后的无级变速器零件表面沉积Ni-W-P/CrNiMoN多层涂层，使该零件获得更高的硬度和更好的耐腐蚀性能。

性能对比：一般的，硬度值与耐磨性能呈正相关，在同样的工作环境下，材料的硬度越高，其耐磨性能也会更好。因此，分别对无级变速器零件原材料，化学镀后的零件和磁控溅射后的零件进行维氏硬度测试(载荷为1.962N)并进行对比，为了保证测试结果的准确性，对每个试样测量三次取平均值。测试结果如图6所示，未经过表面改性处理的无级变速器零件硬度为180HV，经过化学镀Ni-W-P后，该零件的硬度显著增大达到685HV但是仍未达到700HV，而经过化学镀和磁控溅射后的得到的无级变速器零件硬度达到了1027HV，充分满足该零件的使用要求。同时如图7所示，在Ni-W-P涂层上增加CrNiMoN涂层后，表面致密，外形美观。

综上，本发明通过化学镀工艺和闭合场非平衡磁控溅射离子镀工艺制备并应用于无级变速器零件的表面改性处理中，经过该方法处理后的无级变速器零件具有更高的硬度与耐磨性能，可以更好的满足无级变速器长期使用的要求。

需要说明的是，上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所作出的等同变换均属于本发明的保护范围。