改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜及其制备方法，薄膜表面图案为凸起高度为0.5mm的宽度0.3mm、长度5mm、沿径向夹角5°的条纹或边长0.6mm、沿径向排列的夹角为10°的正三角形，其制备方法包括如下步骤：(1)采用精铣雕刻机在不锈钢基材表面加工出若干凸起的条纹或正三角形图案；(2)将图案化的基材依次在丙酮、无水乙醇中清洗20分钟，并在干燥箱中烘干；(3)将基材置于多弧离子镀设备中，沉积TiAlN薄膜；(4)沉积过程结束后，待样品冷却至室温，将其取出，获得TiAlN图案薄膜；本发明专利技术制备的图案薄膜具有可以减轻粘着，平稳或降低高温摩擦系数，提高材料表面高温耐磨性的功能。

Patterned Films for Improving High Temperature Tribological Behavior of Material Surface and Their Preparation Method

The invention discloses a pattern film for Improving High Temperature Tribological Behavior of material surface and its preparation method. The pattern of the film surface is a regular triangle with a width of 0.3 mm, a length of 5 mm, a fringe or an edge length of 5 degrees along the radial direction and an angle of 10 degrees arranged along the radial direction. The preparation method comprises the following steps: (1) adding a precise milling engraving machine on the surface of stainless steel substrates. Several convex stripes or triangular patterns are produced; (2) the patterned substrates are washed in acetone and anhydrous ethanol for 20 minutes in turn and dried in a drying box; (3) the substrates are placed in a multi-arc ion plating equipment to deposit TiAlN films; (4) after the deposition process, the samples are cooled to room temperature and taken out to obtain TiAlN patterned films; and the patterned films prepared by the invention have the following characteristics: It can reduce adhesion, stabilize or reduce high temperature friction coefficient, and improve high temperature wear resistance of material surface.

【技术实现步骤摘要】
改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜及其制备方法
本专利技术属于薄膜材料
，尤其涉及一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜及其制备方法。
技术介绍
在工业领域，切削刀具、发动机缸套/活塞环、轴承、燃气轮机燃烧室部件等工具和零部件经常在高温条件下工作，接触表面存在高温摩擦磨损问题。TiAlN薄膜具有硬度高、热稳定性好、抗氧化等优异性质，而经常应用于在高温条件下工作的零部件表面。TiAlN薄膜在高温条件下会生成Al2O3、TiO2氧化物，可以改善薄膜的润滑行为和耐磨性。温度会影响TiAlN薄膜的高温磨损机制，使薄膜磨损机制随温度升高，由磨粒磨损转变为粘着磨损。同时，TiAlN薄膜的高温软化导致薄膜的摩擦系数升高，耐磨性下降，过度氧化也会导致薄膜断裂和剥落。表面图案由于能容纳磨屑，储存润滑剂，减少接触面积等原因，而能够降低摩擦磨损，并且在高温条件下，也可以表现出良好的摩擦学性能。研究表明表面图案促进表面摩擦产物层的形成，明显提高TC11钛合金在500℃时的耐磨性。微圆坑和微沟槽表面图案提高接触压力和增加表面氧吸附量，促进表面润滑膜的形成，从而降低Al2O3/Mo复合材料在800℃时的摩擦系数。沟槽表面图案由于能容纳磨屑和降低摩擦温升，从而降低渗氮不锈钢表面在300℃和500℃时的摩擦系数和磨损量。在切削刀具的实际应用中，表面图案有利于切削区散热，从而减轻后刀面的高温磨损和切削刃损伤。因此，表面图案TiAlN薄膜综合硬质薄膜和表面图案两方面的优势，可以改善材料表面的高温摩擦学行为。然而，关于图案化TiAlN薄膜的高温摩擦磨损性能研究还未见相关报道。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜及其制备方法，图案薄膜可以减轻粘着，平稳或降低高温摩擦系数，提高高温耐磨性。为了实现上述目的，本专利技术提供的一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜，所述图案薄膜表面设有若干均布的凸起的条纹或正三角形，所述条纹的宽度0.1mm-0.5mm、长度2mm-7mm、沿径向夹角3°-6°，所述三角形的边长0.3mm-0.9mm、沿径向排列的夹角为7°-13°。优选地，所述条纹图案的宽度0.3mm、长度5mm、沿径向夹角5°；优选地，所述正三角形图案的边长0.6mm、沿径向排列的夹角为10°；优选地，所述图案的凸起高度为0.5mm；优选地，一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)采用精铣雕刻机在不锈钢基材表面加工出若干凸起的条纹或正三角形图案；(2)将图案化的基材依次在丙酮、无水乙醇中清洗20分钟，并在干燥箱中烘干；(3)将基材置于多弧离子镀设备中，沉积TiAlN薄膜；(4)沉积过程结束后，待样品冷却至室温，将其取出，获得TiAlN图案薄膜。优选地，所述步骤(3)的多弧离子镀设备中，靶材为Ti0.5Al0.5，抽真空至4×10-4Pa；优选地，所述步骤(3)中沉积步骤包括：1)将多弧离子镀设备加热到200℃，通入Ar气，Ar气压0.15Pa，在脉冲偏压600V、占空比40％的条件下，溅射清洗样品表面5分钟；2)在脉冲偏压600V、占空比20％、电流70A、Ar气压0.15Pa的条件下，轰击样品表面2分钟；3)在脉冲偏压100V、占空比20％、电流70A、Ar气压0.15Pa的条件下，镀Ti过渡层10min；4)在Ar气流量40sccm、N2气分压2.0Pa、脉冲偏压500V、占空比20％和电流70A的条件下，镀TiAlN薄膜30min。本专利技术提供的一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜及其制备方法，具有如下有益效果：所制备的图案薄膜，表面图案减少了薄膜与对摩材料的接触面积，有利于降低粘着；表面图案具有散热效果，减缓摩擦氧化，及减少由于硬度降低导致的材料粘着，保持薄膜承载能力；图案间隔能够容纳磨屑，减少三体磨粒磨损，从而使图案薄膜在高温条件下相比完整薄膜具有更好的摩擦学性能。附图说明图1为本专利技术提供的一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜的结构示意图。图2为本专利技术提供的TiAlN条纹和三角薄膜实物图。图3为本专利技术提供的TiAlN图案和完整薄膜在室温(25℃)、450℃和600℃的摩擦系数图。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本专利技术做进一步说明，以助于理解本专利技术的内容。如图1-2所示，为本专利技术提供的一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜，图案薄膜表面设有若干均布的凸起的条纹或正三角形，条纹图案的宽度0.3mm、长度5mm、沿径向夹角5°；正三角形图案的边长0.6mm、沿径向排列的夹角为10°，图案的凸起高度均为0.5mm。一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)采用精铣雕刻机在尺寸为Φ36mm×5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢圆盘表面制作凸起的条纹和正三角形图案，图案如图1所示，条纹宽度0.3mm，长度5mm，条纹之间的夹角为5°，正三角形边长0.6mm，沿半径方向排列的夹角为10°，图案高度0.5mm；(2)将表面图案化不锈钢圆盘依次在丙酮、无水乙醇中清洗20分钟，去除灰尘、油污，并在干燥箱中烘干，保证表面光洁无杂物；(3)将清洗后的图案化不锈钢圆盘置于多弧离子镀设备中，靶材为Ti0.5Al0.5，抽真空至4×10-4pa。加热到200℃，通入Ar气，Ar气压0.15Pa，在脉冲偏压600V、占空比40％的条件下，溅射清洗样品表面5分钟。然后在脉冲偏压600V、占空比20％、电流70A、Ar气压0.15Pa的条件下，轰击样品表面2分钟。在脉冲偏压100V、占空比20％、电流70A、Ar气压0.15Pa的条件下，镀Ti过渡层10min。最后在Ar气流量40sccm、N2气分压2.0Pa、脉冲偏压500V、占空比20％和电流70A的条件下，镀TiAlN薄膜30min；(4)沉积过程结束后，待样品冷却至室温，将其取出，获得TiAlN条纹和三角薄膜。为测试图案薄膜改善材料表面高温摩擦学行为的效果，采用环/盘面接触旋转摩擦方式，对比测试了TiAlN图案薄膜和完整薄膜与尺寸为Φ30mm×5mm的Al2O3环配副，在室温(25℃)、450℃和600℃条件下的摩擦磨损行为，接触面圆环宽度4mm，试验参数分别为：载荷10N，速度60r/min，时间10min。摩擦磨损试验结果如下：如图3所示，在室温条件下，TiAlN完整薄膜和三角薄膜由于摩擦氧化使薄膜磨痕表面形成氧化物，从而使摩擦系数较低；条纹薄膜由于条纹间隔有利于降低摩擦热，使薄膜摩擦氧化程度较低，磨痕表面氧化物相比完整薄膜较少，从而使摩擦系数较高。图案薄膜相比完整薄膜有利于调整和拓宽摩擦副的适用条件。在450℃条件下，TiA1N完整薄膜的摩擦系数较高且波动明显，归因于Al2O3环材料向完整薄膜磨痕表面明显转移，粘着程度较高。TiAlN条纹和三角薄膜的摩擦系数较完整薄膜平稳，且在稳定阶段条纹薄膜的摩擦系数略低于完整薄膜，归因于图案薄膜没有明显粘着对摩副材料，表面图案减轻了薄膜与对摩环的粘着程度。在600℃条件下，TiAlN完整薄膜磨痕表面仍然粘着对摩环材料，导致摩擦系数保持较高值且持续升高。TiAlN条纹和三角薄膜的摩擦系数明显低于完本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜，其特征在于，所述图案薄膜表面设有若干均布的凸起的条纹或正三角形，所述条纹的宽度0.1mm‑0.5mm、长度2mm‑7mm、沿径向夹角3°‑6°，所述正三角形的边长0.3mm‑0.9mm、沿径向排列的夹角为7°‑13°。

【技术特征摘要】
1.一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜，其特征在于，所述图案薄膜表面设有若干均布的凸起的条纹或正三角形，所述条纹的宽度0.1mm-0.5mm、长度2mm-7mm、沿径向夹角3°-6°，所述正三角形的边长0.3mm-0.9mm、沿径向排列的夹角为7°-13°。2.根据权利要求1所述的一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜，其特征在于，所述条纹图案的宽度0.3mm、长度5mm、沿径向夹角5°。3.根据权利要求1所述的一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜，其特征在于，所述正三角形图案的边长0.6mm、沿径向排列的夹角为10°。4.根据权利要求1所述的一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜，其特征在于，所述条纹和三角形的凸起高度均为0.5mm。5.根据权利要求1-4任一所述的一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采用精铣雕刻机在不锈钢基材表面加工出若干凸起的条纹或正三角形图案；(2)将图案化的基材依次在丙酮、无水乙醇中清洗20分钟，并在干燥...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿哲，刘阳，石皋莲，吴少华，黄华栋，
申请(专利权)人：苏州工业职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32