一种超低摩擦固液复合润滑涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超低摩擦固液复合润滑涂层及其制备方法，属于材料表面镀膜技术领域。为设置在两件或多件存在相互摩擦工况的基体上设置的类金刚石涂层，类金刚石涂层设置在基体相互摩擦的摩擦面上，两件或多件存在互相摩擦工况的基体类金刚石涂层之间设有作为中间液体相的润滑油层；类金刚石涂层仅表面氢化，氢化后的表面包含的H元素原子百分含量为3％～38％。该类金刚石固体相兼具高硬度、良好的韧性和承载性能，而形成的固液复合润滑涂层则具有极低的摩擦系数(0～0.01)和磨损率，因此是一种综合性能优异、长寿命和高可靠性的复合润滑涂层材料。合润滑涂层材料。合润滑涂层材料。

【技术实现步骤摘要】
一种超低摩擦固液复合润滑涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种润滑涂层及其制备方法，尤其适用于工矿企业中使用的一种超低摩擦固液复合润滑涂层及其制备方法，属于材料表面镀膜


技术介绍

[0002]近年来，海洋、航空、汽车、微机电等高技术产业迅猛发展，机械关键运动部件面临严重的摩擦磨损问题，特别在能源和环境双重压力下，传统的润滑油脂材料或单一组分、单一结构的固体润滑涂层已很难满足复杂、多变、苛刻工况(温度、湿度、压力、载荷、材质等)条件下的耐磨、润滑、承载性能要求，迫切需要研究和发展具有超低摩擦、高承载、长寿命、良好环境适应性等特性的新一代高性能润滑材料及润滑技术，这是延长部件寿命、实现可靠运行和节能降耗的关键途径。
[0003]类金刚石(Diamond
‑
like carbon，DLC)主要由sp3键(金刚石相)和sp2键(石墨相)的三维交叉网络混合而成，具有高硬度、低摩擦系数、良好耐磨损和耐腐蚀、及生物相容等特性，作为关键运动部件最理想的表面改性固体润滑材料，已成为二十一世纪备受关注的热点之一，而且其可在环境友好、干式低温的物理/化学气相沉积技术下顺利获得，符合节能、降耗、减排的国家重大战略需求。
[0004]然而，在DLC基础研究和工程化应用方面，主要存在问题如下：
①
残余应力大、膜基结合力差、特别与软质金属结合弱；
②
润滑性能受环境气氛(温度、湿度、压力、介质等)影响大；
③
润滑效果不如流体润滑，摩擦系数几乎比油脂润滑要高出几倍到几十倍；
④
自消耗型润滑，使用寿命有一定的限度，从而极大限制了DLC固体润滑材料的广泛应用和产业化推进。
[0005]通过DLC材料的复合结构设计与控制，并与润滑油、添加剂等复合的协同润滑技术是解决上述关键技术和应用瓶颈，延长部件使用寿命、实现可靠运行和节能降耗的有效途径。但摩擦磨损与材料表/界面结构密切相关，不同结构的涂层材料的组合、界面优化产生不同的表/界面结构，进而影响涂层的摩擦特性和润滑油、添加剂在表面的吸附、润湿等基本物理化学特性。
[0006]可见，如何通过DLC固体相的表/界面结构设计与调控，实现DLC与润滑油的协同润滑增效，发展高性能的固液复合润滑材料与技术，是摩擦学领域重要的研究内容之一，也是新型碳功能材料中十分活沃的领域。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足之处，提供一种制备容易，利于工业化应用，润滑效果好的一种超低摩擦固液复合润滑涂层及其制备方法。
[0008]本专利技术提供一种固液复合润滑涂层，为设置在两件或多件存在相互摩擦工况的基体上设置的类金刚石涂层，具体类金刚石涂层设置在基体相互摩擦的摩擦面上，两件或多件存在互相摩擦工况的基体类金刚石涂层之间设有作为中间液体相的润滑油层；其中类金
刚石涂层仅表面氢化，类金刚石涂层固体相表面包含的H元素原子百分含量为3％～38％；利用类金刚石涂层固体相表面的H原子与润滑油层中H原子间存在排斥作用，影响润滑油的分布和其在类金刚石层固体相表面的物理化学吸附作用，此外H元素对摩擦界面的钝化行为，同样提高两件或多件表面设有类金刚石层的基体之间的减摩润滑性能，同时也防止类金刚石涂层固体相表面的过度氢化对润滑油产生挤压作用，反而增大基体之间的摩擦阻力。
[0009]所述设有类金刚石涂层的基体，其基体材料包括硬质合金材料、钢材、铝合金材料、镁合金材料、钛合金材料。
[0010]所述的润滑油层使用的润滑油包括聚烯烃、合成酯、聚烷基醚、聚硅氧烷、烷基化芳/环烃、全氟聚醚，润滑油层的液体相厚度为0～100nm。
[0011]设置在基体上的类金刚石层为一大类sp2、sp3杂化结构组成的非晶碳材料，仅类金刚石涂层固体相表面包含C、H两种组成元素；设置在基体上的类金刚石层的厚度为0.1～4μm。
[0012]一种超低摩擦固液复合润滑涂层的制备方法，其步骤如下：
[0013]a采用离子源，Ar气为工作气源，对需要制备复合润滑涂层的基体表面进行刻蚀清洗，以清除基体表面的杂质；
[0014]b采用磁控溅射复合氢化改性后处理，在基体表面制备出表面氢化的类金刚石涂层；具体过程为：首先开启磁控溅射源，选用高纯石墨为溅射靶材，向磁控溅射源通入氩气，预制备不含氢类金刚石固体相，然后关闭磁控溅射源、开启离子源，以H2为工作气源，对不含氢类金刚石固体相的表面进行氢化改性处理，通过改变H2流量大小，控制预制备的类金刚固体相表面的H元素的原子百分比含量，从而在基体上制备出表面氢化的类金刚石涂层；
[0015]进一步，步骤a中使用的离子源工作电流为0.2A，工作功率为200～350W，针对基体的负偏压为100V。
[0016]进一步，步骤b中，针对基体的负偏压为50～150V。
[0017]进一步，步骤b中在对基体进行磁控溅射沉积方法中，磁控溅射靶功率为0.9～1.6KW，工作电流为1.5～3A。
[0018]进一步，步骤b的氢化改性后处理方法中，氢化表面改性处理的温度控制在600K以下，H2流量为4.5～42sccm。
[0019]有益效果：
[0020]第一，由于涂层中包括类金刚石固体相和润滑油液体相，类金刚石固体相具有高硬度和优异的耐磨润滑、耐蚀、承载等物理化学性能，加上润滑油的流体润滑行为，从而可显著减少类金刚石固体相的自消耗，协同改善摩擦性能；第二，在复合润滑涂层中，自配类金刚石固体相表面的H元素的原子百分含量为3％～38％，这是因为类金刚石固体相表面的H原子与润滑油中H原子间存在排斥作用，影响润滑油的分布和其在类金刚石固体相表面的物理化学吸附作用，加上H对摩擦界面的钝化行为，使减摩润滑性能达到最佳(摩擦系数在0～0.01之间)，同时可避免类金刚石固体相表面的过度氢化对润滑油产生挤压作用而增大摩擦阻力。第三，在复合润滑涂层中，类金刚石固体相仅包含C、H两种组成元素，从而避免摩擦过程固体相腐蚀诱导的摩擦磨损的产生。第四，该复合润滑涂层适用基体范围较广，包括硬质合金、各类钢材、铝合金、镁合金、钛合金等；对于在富、贫、无油等复杂多变工况下使用
的基体，具有极好的摩擦稳定性，延长使用寿命与可靠性。
[0021]所述固液复合润滑涂层的制备方法具有以下优点：
[0022]第一，采用磁控溅射复合氢化改性后处理方法沉积，可实现表面氢化的类金刚石固体相的大面积均匀、低温沉积，且操作简单易控，利于工业化应用。第二，磁控溅射复合氢化改性后处理方法中，表面改性处理的温度控制在600K以下，在表面氢化的同时不损伤类金刚石固体相本征力学性能，综合性能最佳。第三，采用H2作为工作气源，通过调节气源流量而实现类金刚石固体相表面的不同H元素含量的准确调控。
附图说明
[0023]图1是实施例1以及对比实施例1
‑
2中制得的固液复合润滑涂层样品的摩擦系数比较图；
[0024]图2是实施例2以及对比实施例1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超低摩擦固液复合润滑涂层，其特征在于：为设置在两件或多件存在相互摩擦工况的基体上设置的类金刚石涂层，具体来说类金刚石涂层设置在基体相互摩擦的摩擦面上，两件或多件存在互相摩擦工况的基体类金刚石涂层之间设有作为中间液体相的润滑油层；其中类金刚石涂层仅表面氢化，类金刚石涂层固体相表面包含的H元素原子百分含量为3％～38％；利用类金刚石涂层固体相表面的H原子与润滑油层中H原子间存在排斥作用，影响润滑油的分布和其在类金刚石层固体相表面的物理化学吸附作用，此外H元素对摩擦界面的钝化行为，同样提高两件或多件表面设有类金刚石层的基体之间的减摩润滑性能，同时也防止类金刚石涂层固体相表面的过度氢化对润滑油产生挤压作用，反而增大基体之间的摩擦阻力。2.根据权利要求1所述的超低摩擦固液复合润滑涂层，其特征在于：所述设有类金刚石涂层的基体，其基体材料包括硬质合金材料、钢材、铝合金材料、镁合金材料、钛合金材料。3.根据权利要求1所述的超低摩擦固液复合润滑涂层，其特征在于：所述的润滑油层使用的润滑油包括聚烯烃、合成酯、聚烷基醚、聚硅氧烷、烷基化芳/环烃、全氟聚醚，润滑油层的液体相厚度为0～100nm。4.根据权利要求1所述的超低摩擦固液复合润滑涂层，其特征在于：设置在基体上的类金刚石层为一大类sp2、sp3杂化结构组成的非晶碳材料，仅类金刚石涂层固体相表面包含C、H两种组成...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓伟，乔江浩，冯存傲，蔡子明，吉祥，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：