轻合金基复合防护多功能涂层制造技术

一种非铁合金（Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ａｌ－Ｔｉ、Ａｌ－Ｂｅ、Ｔｉ－Ｎｂ）上的防护性多功能复合涂层，它包括基体形式的坚固、坚硬的多孔氧化物陶瓷层和注入基体孔隙中的官能化合物。官能化合物从一组金属（Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇａ）和一组难熔化合物（元素周期表的ⅣＢ－ⅥＢ族中的金属碳化物、氧化物、氮化物、硼化物和硅化物）中选择。通过等离子体电解氧化方法氧化基底来施加氧化物陶瓷基体层，该基体层具有与基底很高的粘附性。通过调整氧化过程的参数，可以达到所要求的氧化物层的孔隙度。利用下面的任一种处理方法把官能化合物注入陶瓷基体的多孔结构中：从溶液中进行化学或电化学沉淀，从气相中进行化学或物理沉淀，或者是采用机械摩擦法。在注入官能化合物之后，对复合涂层进行精加工处理，目的是露出能够承担荷载的陶瓷层的顶端。所开发的基体层的多孔结构的坚固表面与官能化合物粘合便形成了一种新的具有高粘合强度的涂层。这种复合涂层的以下特性得到了提高：强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性，并且具有一定的塑性，还可以抗接触动态荷载和振动。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
轻合金基复合防护多功能涂层
本专利技术可被用于工程、电子、医药以及其他使用非铁金属及其合金的领域的各个部门。本专利技术涉及一种把防护涂层应用于上述金属及其合金以及由它们制造的部件和物品的技术。
技术介绍
使用具有硬化陶瓷涂层的非铁合金部件而不是传统材料(陶瓷、高合金钢和铸铁)制成的部件可以大大增加高载荷快速磨损部件的耐久性和可靠性，并且还可以减轻重量以及改善部件的动力特性。目前，已制造出相当数量的硬瓷涂层，但是能在润滑不足或根本就没有润滑作用的极端条件下使用的硬瓷涂层却相当缺乏。象TiN、TiCN这样的薄耐磨涂层，由于其润湿性能不足，经常会破坏润滑油膜，这样就会造成更大程度的磨损。相对较厚的陶瓷涂层在其磨损性能方面接近于烧结陶瓷。它们的主要缺点在于摩擦系数高，在润滑剂不足之处摩擦接触面的发热，微切削效应造成的对应物体的深度磨损，陶瓷颗粒的剥落及其微屑加入对磨损的进一步加速。把表面进一步精加工到粗糙度为Ra0.04-0.06μm只能部分解决这个问题。近来在制造非铁合金部件的通用防护涂层方面又进行了更多的尝试，使其能够在极端条件下工作并且仍然具有低的摩擦系数，高的耐磨性能以及良好的耐侵蚀介质的性能。制造这种涂层的一个方法是在要防护的部件上形成多孔的陶瓷涂层，然后在孔隙中注入各种填料。-->这里有一种已知的处理方法(美国专利5,487,826A)：在Al、Mg和Ti的合金上形成一个复合层，它包括一个多孔的防护性氧化层，在孔中注入的是含氟聚合物的颗粒。另一种已知的处理方法(WO 97/05302)是在Al、Mg和Ti的合金上形成一个多孔的氧化膜，再利用溶胶凝胶技术把SiO2颗粒注入孔隙中。还有一种已知的处理方法(RU 2073752)是在铝合金部件上形成的氧化层中引入硅有机低聚物，然后在300-500℃进行热处理。上述处理方法的一个共同缺点在于：部件在极端条件下使用时会出现高温，它们在这种高温的情况下应用存在局限性，并且涂层的导热性和导电性的等级也很低。摩擦生电因子和热辐射因子会极大地影响磨损的特性以及相互摩擦的物体间形成的磨损产物。因此可以通过在涂层中使用金属或有金属特性的成分来增加复合涂层的导热性和导电性。有一种已知的用于螺旋泵的转子的表面处理的方法(美国专利5,645,896A)：首先通过气热撒粉过程在转子的表面形成一层厚度为50-125μm的粗粒碳化钨，然后形成一层厚度为75-150μm的镍铬合金层一直到把碳化物层完全覆盖住。最终的抛光把转子减小至其所要求的尺寸，并露出碳化物层的防护顶点，在转子工作时由它承担主要载荷。在上面所描述的方法中，转子由钢制成。但是可把气热撒粉过程用于向任意背衬敷涂任意成分的涂层。但是，用这种方法很难在具有复杂形状的部件上形成均匀的涂层。另外，利用气热撒粉过程所形成的涂层与基底结合的也不足够牢。如果基底是非铁金属形成的话，上-->述缺点就会更加严重，因为它们散热很快并且在等离子流的影响下会集中形成薄的氧化物薄膜。同样，非铁合金会对撒粉过程的高温产生临界反应，因为铝合金和镁合金的表面在这种高温下会熔化，而且钛合金的过热会造成其抗疲劳性降低。有一种已知的处理方法(美国专利5,364,522A)是应用多功能复合涂层，这种多功能复合涂层由富含硼化物、碳化物、氮化物、氮氧化合物和硅化物的陶瓷薄膜组成。在这种处理方法的第一个阶段，先用电化学方法把氢氧化物陶瓷层敷涂在背衬上，在第二个阶段，在450-800℃的温度下利用气流或汽流把难熔化合物渗入陶瓷层。利用这种处理方法制成的涂层在高温下坚固，耐磨并且耐腐蚀。但是，这种技术中所使用的高温不可能把这种涂层应用于由非铁合金制成的部件上。有一种已知的处理方法(WO 91/13625)是把耐磨、减摩涂层应用于铝及铝的合金。首先把铝的背衬在15％的硫酸溶液中进行阳极氧化。然后把一层软金属即铟、锡、镓或其组合物敷涂于多孔的阳极氧化物表面。阳极氧化物涂层的厚度为1-500μm，金属层的厚度为10-100μm。在该处理方法中，阳极金属至少80％的孔应填充金属。上述方法的主要问题在于低的机械强度和碱性的阳极氧化物涂层的不稳定性。厚度超过10μm的阳极涂层包含大量的孔隙，这些孔隙被水化到相当的程度(涂层中水的含量超过10％)，并且它们的成分还包括涂层结构中的10-20％的电解质阴离子。当被加热到120℃时，电解质成分和水会脱离涂层结构，这会造成阳极氧化物层的破裂和剥落，损害其防护性能。另外，阳极氧化物层主要包括氧化物的无定型相，因此它们的强度和微观硬度都不高。-->
技术实现思路
本专利技术的一个任务是开发一种用于非铁合金部件的复合涂层，该涂层在其整个工作寿命期间都具有良好的耐磨性和低的摩擦系数，耐侵蚀性介质以及抵抗动态接触载荷和振动的能力。本专利技术的第二个任务是开发一种用于非铁合金部件的复合涂层，该涂层具有高的耐磨性和抗划伤性，高温下抗侵蚀磨损和磨料作用的性能，而且还耐腐蚀。本专利技术的第三个任务是开发一种把复合涂层敷涂在非铁合金上的生态安全并且比较便宜的技术，该技术可用于成批生产。本专利技术能够解决上述的这些以及某些其他任务，因为本专利技术所创造的涂层采用的是多孔氧化物陶瓷涂层的形式，这种形式的涂层是利用等离子体电解氧化方法通过氧化要保护的材料的表面层而形成的，注入孔隙的金属为Ni、Cu、Co、Fe、Cr、Mo、Ti、Al、Sb、Ag、Zn、Cd、Pb、Sn、Bi、In、Ga以及它们的混合物或者是门捷列夫周期表的IVB-VIB族中金属的碳化物、氧化物、氮化物、硼化物和硅化物以及它们的混合物。利用等离子体电解氧化方法在非铁合金上形成多孔氧化物陶瓷涂层是本专利技术人在较早的国际申请PCT/RU97/00408(公布号WO99/31303)中提出的。这些涂层与基底的附着力为气热撒粉涂层与基底附着力的5-10倍，它们的强度和微观硬度为气热撒粉涂层的2-5倍，比阳极氧化物层要高。氧化作用发生在温度为15-55℃的生态上无害的弱碱性含水电解-->质中。把100-1000V(幅值)的脉冲电压加到部件上。连续脉冲的频率为50-3000Hz。电流密度为2-200A/dm2。在等离子化学反应的影响下在非铁合金部件的表面上形成微观硬度为300-2000Hv的细晶氧化物层，氧化物层的微观硬度取决于合金基底的成分。细晶氧化物层的厚度为1-600μm。通过改变电解方法和电解液的成分，可以大大改变氧化物陶瓷涂层的物理机械性能，特别是开放空隙率的大小，开放空隙率可以在5-35％的范围内变化。研究结果表明如果把上面所列的金属或者是门捷列夫周期表的IVB-VIB族中的金属碳化物、氧化物、氮化物、硼化物和硅化物以及它们的混合物注入这种涂层的孔隙中，该涂层会获得诸如强度、硬度以及塑性等方面的独特性能，另外还有高的耐磨损和划伤性，高的抗腐蚀性和抵抗动态接触载荷和振动的能力。孔隙的尺寸可以从直径几十纳米到几个微米。尺寸大于一个微米的孔隙占据了超过90％的所有孔隙的容积。大部分官能化合物都是注入这些孔隙中。氧化物陶瓷层的多孔结构起到制造多功能复合涂层基体的作用。但应注意涂层的孔隙度随涂层深度而变化，在表面时最大，在接近基体金属时会减少2-6。注入孔隙的官能化合物的浓度遵从以下特性：在靠近表面的层中浓度最大，之本文档来自技高网...

【技术保护点】
防护性复合涂层，其应用于非铁金属，它们的合金和金属间化合物以及由它们制造的部件之上，特征在于它采用了多孔氧化物陶瓷基体涂层的形式，这种涂层是利用等离子体电解氧化方法氧化要防护的材料的表面而形成的，要在该涂层的孔隙中注入从下面的一组金属及其混合物和下面的一组化合物及其混合物中选择的至少一种官能化合物，这组金属为：Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇａ，这组化合物为：门捷列夫元素周期表的ⅣＢ－ⅥＢ族中金属的碳化物、氧化物、氮化物、硼化物和硅化物。

【技术特征摘要】
1.防护性复合涂层，其应用于非铁金属，它们的合金和金属间化合物以及由它们制造的部件之上，特征在于它采用了多孔氧化物陶瓷基体涂层的形式，这种涂层是利用等离子体电解氧化方法氧化要防护的材料的表面而形成的，要在该涂层的孔隙中注入从下面的一组金属及其混合物和下面的一组化合物及其混合物中选择的至少一种官能化合物，这组金属为：Ni、Cu、Co、Fe、Cr、Mo、Ti、Al、Sb、Ag、Zn、Cd、Pb、Sn、Bi、In、Ga，这组化合物为：门捷列夫元素周期表的IVB-VIB族中金属的碳化物、氧化物、氮化物、硼化物和硅化物。2.权利要求1的复合涂层，特征在于它适用于非铁金属Al、Mg、Ti、Nb及其合金，同样还适用于化合物Al-Ti、Ti-Nb和Al-Be。3.权利要求1的复合涂层，特征在于氧化物陶瓷基体涂层的开放孔隙度为5-35％，优选为10-12％，并且沿着从外层朝里的方向随厚度增加孔隙度降低，氧化物陶瓷涂层的微观硬度为300-2000HV，并且沿着从外层朝里的方向随厚度增加而增加，氧化物陶瓷层的总厚度为1-600μm，优选为3-150μm。4.权利要求3的复合涂层，特征在于注入到氧化物陶瓷涂层中去的官能化合物的深度为1-150μm，优选为2-100μm。5.把防护性复合涂层应用于非铁金属的方法，它们的合金和金属间化合物以及由它们制造的部件之上的处理方法，特征在于它包括以下步骤：(a)对要防护的材料的表面层进行等离子体电解氧化；(b)在步骤(a)所产生的氧化物层孔隙中...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大谢尔盖耶维奇沙特罗夫，
申请(专利权)人：岛屿涂层有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]