金属表面改性应用技术研究及产业化

成果名称 金属表面改性应用技术研究及产业化
转化需求 该项目成果转移方式主要有两种形式,其一是成立技术转化中心,即涂层生产企业,以年产值1000万元规模为例,需场地面积500m2,设备投入1500万元;其二是为现有客户提供技术服务,转让新一代涂层工艺。技术转移对象主要是两类,一类是装备制造企业,为其提供先进的涂层产品,一方面用以降低工模具的使用成本,另一方面提高企业产品质量;另一类是刀具生产企业,通过涂层加工,提高刀具品质,满足市场需求。
成果简介 项目组针对国内对高性能、高可靠性涂层技术的迫切需要,解决现代数控刀具,特别是航空用钛合金加工高效刀具涂层技术落后,舰船燃油机柱塞偶件表面涂层技术落后、良率低等问题,聚焦表面涂层装备技术、合成工艺和结构性能进行了理论和技术攻关,突破了高精密零部件表面涂层结合力与精度保持矛盾、刀具批量涂层处理良率低、性能不稳定的技术瓶颈,获得了技术稳定、成熟度高、性能优异的涂层装备、技术(工艺),在一定程度上替代了进口。针对数控刀具,重点设计了涂层成分和纳米多层结构,开发了基于TiN的TiAlN、TiSiAlN、TiCN等一些列具有不同调制周期的硬质涂层(硬度24~35GPa),其中TiAlN基硬质合金数控刀具、高速钢铣刀的表面涂层性能达到或优于国外同类型涂层,工艺稳定性和成熟度均达到了工业化程度,涂层处理后刀具使用寿命增加2-5倍。以舰船燃油机柱塞为目标,针对性的开发了CrAlN、Mo-CrAlN、C-TiN等一系列兼具高硬度和低摩擦(摩擦系数0.2~0.5)的涂层工艺,显著提高了涂层的润滑特性,降低了磨损,提高了燃油机的使用寿命和稳定性,为舰船远距离航运提供了安全保障,成果应用于企业生产,推动了产品的换代升级,近3年为企业创造新增产值5000余万元。
技术特点或优势 率先采用灯丝辅助离化增强,同时将磁控溅射与蒸发镀相结合的技术手段,获得了高强度(德标HF1~2)、高硬度(35GPa)、热稳定性好(600~1200℃)的涂层产品,涂层稳定性和良品率得到保证;率先通过控制柱塞在镀膜过程中的受热方式和涂层合成过程中的温度、表面活化控制,成功在中低温(200~300℃)合成了具有高结合强度、高硬度的TiN、TiCN涂层,并保证了柱塞的尺寸精度要求(公差±2um);率先考察了不同成分CrSiN基涂层在航空用钛合金切削过程中的作用机制,建立了钛合金铣削涂层刀具失效机制和涂层/钛合金体系摩擦学行为之间的关系。
主要应用范围 项目组开发的刀具涂层技术适用性广,硬质合金、高速钢等基材均可适用,适用于PCB板、球墨铸铁、高速钢等不同加工领域。开发的减磨润滑涂层应用于船用柴油机柱塞、针阀、传动齿轮、滚轮销等关键磨损部件,也适应于民用领域以及国防领域重大装备中的关键部件表面改性。
推广应用情况
(产业化情况)
本项目已经成功研发出应用于金属表面改性的高性能物理气相沉积装备及多种结构涂层工艺技术,部分研究成果已成功应用于企业产品生产。项目组就涂层合成技术、工艺、成分等进行了技术攻关,逐步开发形成了适用于工业化生产、工艺稳定度和重复性高的 TiN、TiAlN 等超硬涂层技术,TiAlN 基涂层应用于硬质合金数控刀具,为成都工具研究所等单位提供刀具涂层加工服务,近三年新增收入600万元。同时,该技术还为成渝两地 20余家机械加工制造企业提供了刀具涂层服务。根据我国舰船用柴油机动力系统需求,重庆文理学院、四川大学与重庆红江机械有限责任公司合作,开发了适用于M2高速钢柱塞偶件的TiN基硬质耐磨涂层,就地就近解决了企业技术需求,适应了产业发展和市场要求。纳米硬质耐磨涂层技术的应用,提升了柱塞的耐磨性和喷油泵的整体性能。柱塞、喷油泵(内含柱塞)销售给宁波三江动力机械有限责任公司、台州市永泰船机有限公司、广州市舟海船舶配件有限公司、广州市淄宁船舶柴油机配件有限公司等公司,近三年,重庆红江机械有限责任公司涂层产品为企业新增收入5000余万元。项目组正积极开发具有更好耐蚀性能、更低摩擦系数、更好润滑性能的硬质薄膜材料和技术,并将其应用于高端装备中的关键零部件。
知识产权 授权发明专利4项。