本发明专利技术为一种用于动压气浮轴承的复合涂层制备方法，采用中频反应磁控溅射系统沉积Ｔｉ／ＡｌＴｉＮ／Ｔｉ：ＤＬＣ高硬度、高耐磨复合膜。动压气浮轴承转子与定子之间的摩擦系数越小越有利于马达启动，在高速转动过程中，定子与转子可能发生碰撞甚至出现瞬间熔化抱死故障。单一材料的动压气浮轴承已经不能满足目前的需求，轴承材料的表面改性技术是限制其应用的关键技术之一。本发明专利技术制备的涂层在降低了摩擦系数，提高了耐磨性，同时解决了涂层的耐腐蚀性及耐磨性。该方法易行，所有原料都比较常见，可以实现工业化生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及硬质耐磨涂层的制备，特别涉及用于气浮轴承表面改性的低摩擦、高 耐磨、耐蚀性复合涂层的制备。
技术介绍
动压气浮轴承转子与定子之间的摩擦系数越小越有利于马达启动，在高速转动过 程中，定子与转子可能发生碰撞甚至出现瞬间熔化抱死故障。起停瞬间的接触摩擦对气浮 轴承的寿命有着显著的影响。单一材料的动压气浮轴承已经不能满足目前的需求，轴承材 料的表面改性技术是限制其应用的关键技术之一。目前对于气浮轴承的研究主要集中在结 构、基体材料及附属部件的设计，例如，广州市大族高精电机有限公司的汤秀清公开了一种 气浮电主轴的下空气轴承的专利(CN200993163)，轴体外周的中部以上设有上环形密封圈， 以及中部以下设有下环形密封圈，上环形密封圈与下环形密封圈之间的轴体内设有冷却水 循环槽。它能保持主轴在较低的温度下工作，保持工作精度，安全性好。中国科学院工程热 物理研究所的杨金福等人公开了一种内流道自润滑结构的动压气浮轴承(101413540)的 专利，在轴承体内表面开设增压流道槽结构，采用橡胶圈、金属橡胶及弹性复合材料减振措 施的结构设计。该专利技术的轴承能够提高气浮轴承承载稳定性与可靠性，进一步拓宽了气浮 轴承应用的范围等。通过以上的研究内容可知，对气浮轴承的研究还主要集中在结构设计 上，对气浮轴承表面改性，提高耐磨、耐高温等性能的涂层技术还没有被应用到气浮轴承。真空镀膜是保证表面粗糙度和精度的一种高效的镀膜方法，目前已经广泛应用到 工业中。真空镀膜涂层由于与基体材料性质不同，它们的热膨胀系数相差一个数量级以上， 弹性模量和硬度存在很大差异，涂层在镀制后会存在很大的的内应力，如不进行有效调整 和控制可能造成器件的失效。与此相对应，有些设备装备后需要长期保存，为确保有效使用 要求具备很高的可靠性，防止关键时刻器件失效的事故，迫使我们不得不对涂层的可靠性 开展深入的研究，根据研究结果制备出高可靠性、耐摩擦磨损涂层。通过一层或多层的中间 层系统作用于硬质镀层材料和基体材料之间改善它们的适应性，缓解化学键、热膨胀系数 等性能的差别，这就是多层膜的主导思想。与单层膜相比，多层膜在表面应力、裂纹强度、表 面韧性和残余应力等方面都显示出优越的性能。多层膜可以缓冲薄膜与基体之间物理性能 的不匹配，改善膜基结合力、防止单层膜中柱状晶和粗大晶粒的生长，细化晶粒，提高塑性 变形能力多层膜间的界面对位错滑移具有阻碍作用，增大了膜层的强度，防止裂纹的形成 和扩展以及抗冲击能力等。类金刚石薄膜(DLC)结构和成分的多样性使得其机械性能的范围很广，其杨氏模 量从几十到几百GPa都有。增加氢的含量可以同时减小硬度和杨氏模量。换言之，增加sp3 的比例可以提高硬度和弹性模量，大多数DLC薄膜都比金属材料硬度高，特别是比钢高。 DLC薄膜中sp3键、sp2键的含量是非常重要的参数。薄膜的性质受这两种键含量的影响 较大。根据两相结构模型理论，DLC膜中的sp3键影响着DLC膜的机械性能，sp2键控制着 DLC膜的电学和光学性能。sp3键的含量越多，薄膜的性能越接近于金刚石。沉积方法和工艺对薄膜的结构有着重要的影响，从而影响薄膜的性能。DLC膜具有高的内应力，通常是压应力，应力值在-0.5 -12. 5GPa。高的内应力的存在限制了 DLC膜的厚度和附着力。DLC膜在生长过程中产生较高的内应力以及膜基的 物理性质不匹配造成的应力，使DLC膜与基体(特别是金属材料)的附着力差，限制了 DLC 膜的应用；DLC膜的热稳定性差，当温度高于250°C时易于发生石墨化，限制了其使用范围。 其中膜基附着性能的问题是DLC膜实用化所面临的急待解决的关键问题，膜基附着性能主 要取决于膜基的附着力和薄膜的内应力。当内应力过大时，膜基界面无法承受过大内应力 所带来的影响，往往会造成薄膜脱离基体。为了解决这个问题，国外进行了不少探索，一些研究的重点在于增加膜基的附着力，而有些研究则着重于减小薄膜的内应力。掺杂法是最简单而有效的降低薄膜内应力的 方法，研究发现，在制备类金刚石薄膜过程中适量掺杂一定量的硼、硅、氮或者金属元素，膜 层的内应力会随着掺入原子的量成正比下降。由于掺杂制备类金刚石薄膜降低内应力机理 的研究并不完善，不同的掺杂元素对类金刚石薄膜性能的不同影响研究得不系统，而且掺 杂制备类金刚石薄膜降低的内应力是通过牺牲一部分硬度来获得的。因此，如何在使得到 的类金刚石薄膜性能较高的情况下，降低它的内应力是研究工作的重点。但是国内这方面 研究进行的较少，更缺乏实用化方面的研究。AlTiN薄膜是继TiN薄膜后硬质薄膜研究的新进展，该薄膜具有硬度高、抗高温氧 化性强、内应力低和高温稳定性好等优点，现已广泛应用与高速干式切削刀具表面涂层中。 由于Al元素的引入，使得AlTiN薄膜具备了许多优于TiN薄膜的特性，如薄膜硬度的提 高、抗高温氧化性能、抗腐蚀性、优良的切割性能等。AlTiN薄膜的显微硬度有明显的提高是 由于AlTiN薄膜的晶粒尺寸更为细小，Al原子取代了部分TiN晶格中的Ti原子造成晶格 畸变引起的。在高温情况下，由于固溶在TiN晶格中Al的原子与氧原子相互作用在薄膜表 面形成氧化膜，对薄膜进行保护，提高薄膜的高温稳定性，所以AlTiN薄膜的高温硬度要明 显高于TiN薄膜。其使用温度高达800°C以上，膜层也不会发生任何剥落，而TiN涂层的抗 高温氧化温度只可达600°C左右。AlTiN薄膜由于Al原子的加入可以有效地降低薄膜地残 余应力，由于与硬质合金膨胀系数差异较小，所以在硬质合金表面镀制的AlTiN表面，通过 工艺优化可以获得很低的内应力，从而降低薄膜应力释放造成薄膜开裂失效的几率，提高 薄膜的可靠性。综上所述，单一材料的动压气浮轴承已经不能满足目前的需求，用于轴承材料的 表面改性技术的涂层研究显得尤为重要，而单层涂层由于某一性能的缺陷从而限制其在工 业中的推广，因而研究具有优良综合性能的多层复合涂层显得日益重要。
技术实现思路
本专利技术主要采用Ti/AlTiN/Ti:DLC高硬度、高耐磨复合膜解决动压气浮轴承转子 与定子之间的摩擦问题及在高速转动过程中，定子与转子可能发生碰撞甚至出现瞬间熔化 抱死故障。实现本专利技术的制备方法如下采用中频反应磁控溅射系统沉积复合涂层，靶材为纯度99. 9%的Ti和Al/Ti的原 子质量比为67 33的AlTi合金靶材，氮气、氩气纯度> 99.9%，钢瓶内气压大于IOMPa ；真空室本底压强小于3X 10_4Pa，冷却水出口温度低于25°C，回水温度低于40°C，工件架公 转转速在0-20转/分范围内连续可调，步骤如下1)镀工件清洗与工件装卡分别用洗涤剂、去离子水、丙酮、无水乙醇对被镀工件进行超声波清洗和脱水处 理，每次清洗时间为10-20min，功率密度40-60W/件，干燥后转载到工架上待镀；打开机械 泵、分子泵抽真空到压强低于3X10_4Pa后，向真空室内输入氩气20-30sCCm，使真空室内的 压强为lPa，打开偏压、射频电源，调节匹配器，真空室内发生辉光放电，增大入射功率，直到 偏压值大于500V，对工件表面进行等离子体刻蚀清洗，持续时间5-15分钟；2)钛金属粘接层镀制减少氩气馈入量，使真空室气压降低本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于动压气浮轴承的复合涂层制备方法，其特征在于，采用中频反应磁控溅射系统沉积复合涂层，靶材为纯度９９．９％的Ｔｉ和Ａｌ／Ｔｉ的原子质量比为６７∶３３的ＡｌＴｉ合金靶材，氮气、氩气纯度＞９９．９％，钢瓶内气压大于１０ＭＰａ；真空室本底压强小于３×１０↑［－４］Ｐａ，冷却水出口温度低于２５℃，回水温度低于４０℃，工件架公转转速在０－２０转／分范围内连续可调，步骤如下： １）镀工件清洗与工件装卡 分别用洗涤剂、去离子水、丙酮、无水乙醇对被镀工件进行超声波清洗和脱水处理，每次清洗时间为１０－２０ｍｉｎ，功率密度４０－６０Ｗ／件，干燥后转载到工架上待镀；打开机械泵、分子泵抽真空到压强低于３×１０↑［－４］Ｐａ后，向真空室内输入氩气２０－３０ｓｃｃｍ，使真空室内的压强为１Ｐａ，打开偏压、射频电源，调节匹配器，真空室内发生辉光放电，增大入射功率，直到偏压值大于５００Ｖ，对工件表面进行等离子体刻蚀清洗，持续时间５－１５分钟； ２）钛金属粘接层镀制 减少氩气流入量，使真空室气压降低至４×１０↑［－１］Ｐａ，打开工件架旋转开关，使工件架进行转动，转动速率为１０ｒｐｍ，启动工件加热装置，将工件加热至３００℃，打开工件偏压电源，将工件射频偏压增至２００－６００Ｖ，打开钛靶射频电源，向溅射阴极施加小功率射频信号，调节匹配器，使磁控溅射阴极起辉，逐渐加大入射功率至２００－４００Ｗ，镀制钛金属粘接层５－１０分钟，其厚度在１００－２００ｎｍ； ３）镀制ＡｌＴｉＮ支撑层 关闭钛靶驱动电源，打开铝钛靶中频驱动电源，电流为１．０Ａ，占空比为６０％，镀制ＡｌＴｉＮ支撑层３０－６０分钟； ４）镀制金属钛掺杂的抗摩擦磨损ＤＬＣ层 关闭铝钛靶驱动电源和氮气气体质量流量计；关闭工件加热装置，当工件温度下降至２００℃以下时，向真空室内通入乙炔气体，至１０－２０ｓｃｃｍ，开钛靶射频电源，逐渐加大入射功率至１００－２００Ｗ，镀制金属钛掺杂的抗摩擦磨损ＤＬＣ层； 关闭射频电源，待真空室温度降低至１００℃以下，打开真空室，取出工件。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：庞晓露，杨会生，高克玮，王燕斌，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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