一种自润滑纳米复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术属于薄膜材料领域，具体涉及一种Cr/Cu‑Pb‑Sn‑WS2自润滑纳米复合涂层材料及其制备方法。所述自润滑纳米复合涂层材料由过渡层和交替复合涂层组成，所述过渡层为Cr层，所述交替复合涂层为Cu‑Pb‑Sn‑WS2/Cr层，所述Cu‑Pb‑Sn‑WS2/Cr层是由Cu‑Pb‑Sn‑WS2靶和Cr靶交替沉积所得，所述Cu‑Pb‑Sn‑WS2靶的各组分按质量百分比计为：70％Cu、10％Pb、10％Sn和10％WS2。本发明专利技术采用Cr与Cu‑Pb‑Sn‑WS2交替沉积形成复合涂层，材料结构上比较新颖，且制备的涂层致密性较好，具有良好的抗粘着磨损性能，金属自润滑涂层的摩擦系数小，稳定在0.2以下。

【技术实现步骤摘要】
一种自润滑纳米复合涂层及其制备方法
本专利技术属于薄膜材料领域，具体涉及一种Cr/Cu-Pb-Sn-WS2自润滑纳米复合涂层材料及其制备方法。
技术介绍
随着科技的发展，机械系统工作环境特别是航空航天机械变得极为苛刻(即非常高或低的温度、真空、强辐射等)。在这样的工作条件下，油、脂润滑剂已不能起到润滑作用。润滑油和润滑脂的使用温度范围大约为-60℃～350℃，而固体润滑剂能在更低和更高的温度范围下使用，同时适用于无需维修保养、无人值守和经常拆卸的场合。根据摩擦学观点，磨损发生在工件表面或近表面区域，因此在工件表层制备固体自润滑复合涂层是最经济、有效的方式。自润滑涂层因兼有涂层基体的力学性能和润滑相的摩擦学特性受到越来越多关注。其中金属基自润滑涂层具有较高的机械强度、导电传热性能良好、摩擦系数小、抗磨损性能好等优点，被广泛应用于润滑条件更加苛刻的环境下。在工业生产过程中零件磨损会导致低的生产效率和加工效率，甚至导致机械故障。同时摩擦也会造成巨大的资源浪费。据统计目前世界上的机械系统约有1/3～1/2以各种方式失效并最终表现为摩擦损耗。其中粘着磨损是一种最常见的磨损形式。许多零件、工具的报废和失效都和粘着磨损有关，如轴承、刃具和磨具在真空环境下的粘着磨损已成为空间技术的核心问题；另外，工作在气态、液态和侵蚀介质中的原子能反应堆及其他承受重载的机械装备也不能摆脱粘着磨损的危害。由此可见，研究改善零部件粘着磨损对工业技术的进步具有重要意义。改善粘着磨损的主要途径是正确选择摩擦副的配对材料，原则是配对材料在接触摩擦中粘着倾向小，不易发生冷焊；其次是在两摩擦副的表面间增加剪切强度低的薄膜。故在摩擦副表面镀覆自润滑材料可以有效的提高摩擦副的抗粘着能力。科研人员开发出了多种制备工艺，如热喷涂、堆焊等，在材料表面沉积一层润滑材料，在摩擦过程中能够转移或黏附在对磨面上，使得摩擦在涂层之间进行从而起到润滑作用，这种涂层就是自润滑涂层。近年来自润滑复合涂层发展迅猛，国内外学者对自润滑复合涂层进行了大量的研究，如Bhalla等研究了Cu-PTFE复合镀层，Serhal等对Au-Co-PTFE复合镀层的开发和研究，R-Balaji等研究了Cu-Sn-PTFE复合镀层的工艺及磨损性能。铜基涂层由于较低的剪切强度和良好的机械性能，具有优良的耐磨损和抗粘着性能。但单纯的铜基涂层硬度较小，耐磨损性能较差。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，目的在于提供一种Cr/Cu-Pb-Sn-WS2自润滑纳米复合涂层材料及其制备方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种Cr/Cu-Pb-Sn-WS2自润滑纳米复合涂层，由过渡层和交替复合涂层组成，所述过渡层为Cr层，所述交替复合涂层为Cu-Pb-Sn-WS2/Cr层，所述Cu-Pb-Sn-WS2/Cr层是由Cu-Pb-Sn-WS2靶和Cr靶交替沉积所得，所述Cu-Pb-Sn-WS2靶的各组分按质量百分比计为：70％Cu、10％Pb、10％Sn和10％WS2。一种Cr/Cu-Pb-Sn-WS2自润滑纳米复合涂层的制备方法，包括如下步骤：(1)首先将基体在酒精和丙酮中依次进行超声清洗；(2)采用阴极电弧离子镀法，将基体置于真空室中进行离子轰击；然后以Cr靶为靶材，在基体表面沉积过渡层；再以Cu-Pb-Sn-WS2靶和Cr靶为交替靶材，当基体转动到Cu-Pb-Sn-WS2靶对面时，在基体上沉积Cu-Pb-Sn-WS2涂层，当基体转动到Cr靶对面时，在基体上沉积Cr涂层，如此，在过渡层上交替沉积Cu-Pb-Sn-WS2/Cr复合涂层；(3)待步骤(2)制备所得复合涂层自然冷却后，对其进行退火处理，在基体表面得到Cr/Cu-Pb-Sn-WS2自润滑纳米复合涂层材料。上述方案中，步骤(2)所述离子轰击的条件参数为：温度100～300℃，氩气环境，偏压-500～1000V，工作气压2～10Pa，轰击时间5～10min。上述方案中，步骤(2)所述过渡层沉积的条件参数为：氩气气氛，Cr靶偏压为-100～-200V，工作气压0.25～2.5Pa，沉积时间为5～10min。上述方案中，步骤(2)所述Cu-Pb-Sn-WS2/Cr复合涂层交替沉积的条件参数为：氩气气氛，工作气压0.25～2.5Pa，靶材的偏压-100～150V，占空比70～80％，Cu-Pb-Sn-WS2靶的电流为20～70A，Cr靶的电流为40～70A，调制周期11.5s～41s，沉积时间为30～60min。上述方案中，步骤(3)所述退火处理的条件为：在300℃～700℃保温，保温时间为30～60min。本专利技术利用阴极电弧离子镀技术来制备Cu-Pb-Sn-WS2/Cr自润滑复合涂层，阴极电弧离子镀具有离化率高，设备简单的特点；当氩气经过电弧放电区时，由于电弧区为高度离化的等离子体，所以气体也会被电离，离化率高达90％以上。本专利技术利用氩气进行轰击，可以去除基体表面的氧化皮，同时使基体活化，对基体进行预热，降低涂层的热应力，提高涂层与基体的结合力。同时本专利技术采用Cr靶对Cu-Pb-Sn-WS2自润滑涂层进行复合，通过改变调制周期等条件参数来改善涂层的性能，这种多层复合结构能够有效的减少单一的Cu-Pb-Sn-WS2涂层中柱状晶的形成，抑制裂纹等缺陷的扩展，同时可以增加涂层的硬度及耐磨损性能。本专利技术所述Cu-Pb-Sn-WS2/Cr自润滑复合涂层兼具基体铜和固体润滑剂的特性，能够被广泛的应用于工业领域。Cu，Pb具有面心晶格结构，滑移系较多，塑韧性较好，没有低温脆性，可应用于较宽的温度范围，同时由于其滑移主要在晶体内部进行，可自行修补，极大的提高了使用寿命；Sn具有极低的剪切强度；WS2属于密排六方结构，具有与石墨类似的层状结构，层间原子通过较弱的范德华力结合，层间具有较低的剪切强度，这样造成层间易于滑移，使其能作为良好的固体润滑剂，耐高温，强度大，稳定性好，能在大负荷、真空等苛刻工况条件下使用。Cr的多层复合有利于提高涂层的硬度，同时也有效的阻止了柱状晶的形成和裂纹等缺陷的扩展。因此，本专利技术所述Cu-Pb-Sn-WS2/Cr自润滑复合涂层具有较低的摩擦系数及良好的抗粘着磨损性能。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术采用阴极电弧离子镀方法，在真空系统中利用离子轰击对基体进行预热清洗，有利于提高涂层的膜基结合力和均匀性；所述电弧离子方法的离化率高，涂层生长速率较快；采用Cr靶对Cu-Pb-Sn-WS2自润滑涂层进行复合，制备过程简单，易于控制，大大提高了涂层的工业应用价值；(2)本专利技术采用Cr与Cu-Pb-Sn-WS2交替沉积形成复合涂层，材料结构上比较新颖，且制备的涂层致密性较好，具有良好的抗粘着磨损性能，金属自润滑涂层的摩擦系数小，稳定在0.2以下。附图说明图1为本专利技术所采用的镀膜系统结构示意图。图2为本专利技术不同调制周期复合涂层的表面扫描电镜(SEM)图。图3位本专利技术复合涂层的截面扫描电镜(SEM)图。图4为本专利技术不同调制周期复合涂层的摩擦系数图。图5为本专利技术不同调制周期复合涂层的XRD图。图6为不同温度退火后涂层的摩擦系数图。图7为不同温度退火后涂层的XRD图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Cr/Cu‑Pb‑Sn‑WS2自润滑纳米复合涂层，其特征在于，由过渡层和交替复合涂层组成，所述过渡层为Cr层，所述交替复合涂层为Cu‑Pb‑Sn‑WS2/Cr层，所述Cu‑Pb‑Sn‑WS2/Cr层是由Cu‑Pb‑Sn‑WS2靶和Cr靶交替沉积所得，所述Cu‑Pb‑Sn‑WS2靶的各组分按质量百分比计为：70％Cu、10％Pb、10％Sn和10％WS2。

【技术特征摘要】
1.一种Cr/Cu-Pb-Sn-WS2自润滑纳米复合涂层，其特征在于，由过渡层和交替复合涂层组成，所述过渡层为Cr层，所述交替复合涂层为Cu-Pb-Sn-WS2/Cr层，所述Cu-Pb-Sn-WS2/Cr层是由Cu-Pb-Sn-WS2靶和Cr靶交替沉积所得，所述Cu-Pb-Sn-WS2靶的各组分按质量百分比计为：70％Cu、10％Pb、10％Sn和10％WS2。2.根据权利要求1所述Cr/Cu-Pb-Sn-WS2自润滑纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)首先将基体在酒精和丙酮中依次进行超声清洗；(2)采用阴极电弧离子镀法，将基体置于真空室中进行离子轰击；然后以Cr靶为靶材，在基体表面沉积过渡层；再以Cu-Pb-Sn-WS2靶和Cr靶为交替靶材，当基体转动到Cu-Pb-Sn-WS2靶对面时，在基体上沉积Cu-Pb-Sn-WS2涂层，当基体转动到Cr靶对面时，在基体上沉积Cr涂层，如此，在过渡层上交替沉积Cu-Pb-Sn-WS2/Cr复合涂层；(3)待步骤(2)制备所得复合涂层自然冷却后，对其进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵鑫，杨兵，吴忠烨，蔡耀，刘琰，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42