一种自润滑硬质纳米复合多层涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种自润滑硬质纳米复合多层涂层及其制备方法。该纳米梯度复合多层涂层是在硬质合金或钢铁基体上，ＴｉＮ作为结合层，由过渡层ＴｉＮ膜和金属陶瓷化合物＋ＭｏＳ２纳米复合多层组成结构为ＴｉＮ／金属陶瓷化合物＋ＭｏＳ２复合多层涂层；金属陶瓷化合物为ＴｉＣＮ或ＴｉＡｌＮ。涂层制备方法包括工件预加热、工件表面清洗刻蚀、过渡层制备、（金属陶瓷化合物＋ＭｏＳ２）纳米多层制备等步骤。本发明专利技术采用物理气相沉积技术，制备具有ＴｉＮ／（金属陶瓷化合物＋ＭｏＳ２）纳米复合结构的自润滑涂层，保持ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ化合物的优异性能，同时涂层兼备了较低的摩擦系数，涂层硬度高于２８ＧＰａ，涂层的摩擦系数低于０．１。

Self lubricating hard nano composite multi-layer coating and preparation method thereof

The invention discloses a self-lubricating hard nano composite multi-layer coating and a preparation method thereof. The nano multilayer gradient composite coating is in hard alloy or steel substrate, TiN as binding layer, transition layer by TiN film and metal ceramic compound MoS2 nanocomposite multilayer structure of TiN ceramic / metal compound MoS2 multilayer composite coating; metal ceramic compound is TiCN or TiAlN. The coating preparation method includes pre heating the workpiece, the workpiece surface etching and transition layer preparation, (metal ceramic compound MoS2) nano multilayer preparation steps. The invention adopts physical vapor deposition technology, the preparation of TiN / (MoS2 + metal ceramic compound) self-lubricating coating nano composite structure, maintain good performance TiCN, TiAlN compounds, and the coating has a low friction coefficient, hardness of the coating is higher than that of 28GPa, the friction coefficient of the coating is less than 0.1.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高温耐磨减摩材料，特别是涉及一种自润滑硬质纳米复合多层涂层及 其制备方法，具体涉及利用物理气相沉积技术制备的TiN/ (金属陶瓷化合物+MoS2)纳米复 合多层涂层方法，其中金属陶瓷化合物为TiCN或TiAlN。
技术介绍
传统固体自润滑材料如石墨、聚四氟乙烯、纯Mo^等的使用温度均低于30(TC。机 械、电子、航空航天和能源等领域的许多重要零部件要求其表面在高温、承载条件甚至真空 环境中具有低摩擦系数和高的耐磨损性、耐腐蚀能力，如机械加工领域的工模具、机械传动 中的齿轮、轴承等。这些领域的需求促进了高温减摩耐磨材料，尤其涂层技术的发展。 美国NASA研究开发的PS304(NiCr基)(美国专利US5866518)采用等离子热喷涂 技术制备方法，使得涂层的自润滑使用温度接近600°C。中国专利技术专利200510042915. X公 开了一种高温自润滑涂层的制备方法，该方法首先按重量比将Ni :40% 50%， Cr :5% 15%， Cr203 :5% 20%， BaF2 :5% 10%， CaF2 :1% 5%，余量为Ag混合；采用高能球磨 工艺对上述混合物球磨，获得晶粒度小于200nm的纳米复合粉体。然后将该粉体制成浆料 涂覆在需要耐高温的摩擦接触平面上或轴颈表面，涂层烘干后，采用冷等静压法提高涂层 的密度，再在800°C 120(TC烧结1-3小时烧结后得到显微组织细小、均匀的高强度高温自 润滑涂层。本专利技术的高强度高温自润滑涂层强度超过40MPa。该方法由于采用细化涂层组 织结构方法，将涂层强度由原来30MPa提高到40MPa。但是采用等离子热喷涂法获得的表面 粗糙，对降低表面摩擦系数极为不利，且由于热喷涂产生的激冷效应直接影响涂层-基体 的结合强度。采用涂敷_等静压法制备涂层一方面涂层结合力提高有限，另一方面后续的 高温烧结温度高，将可能导致基体的变质处理。 中国专利技术专利申请200810042320. 8 (公开号CN101358365A)公开了一种高温减摩 耐磨复合镀层的制备方法，该方法是在金属基体表面先镀一层Ni-TiN过渡层，再在Ni-TiN 过渡层上制备Ti-Mo^润滑镀层。具体包括如下步骤(l)金属基体表面进行预处理；(2) 使用高速电喷镀技术在金属基体上制备Ni-TiN过渡层，冲洗并干燥；(3)使用高速电喷镀 技术在Ni-TiN过渡层上制备Ti-Mo&润滑镀层；(4)使用等离子弧对复合镀层进行扫描强 化处理。本方法制备得到的高温减摩耐磨复合镀层自润滑涂层使用温度可以达到65(TC， 涂层强度高，涂层摩擦系数f小于0. 025，磨损率在4-5X 10—15m3/N. m。该技术是高速电喷 镀和等离子弧扫描强化的复合。其中TiN和MoS2以颗粒形式分别分布于Ni基体及Ti基 体中，两相之间的结合界面好坏将直接影响涂层的使用性能。尽管采用了等离子弧扫描强 化，但强化能量主要集中在涂层外表面，涂层_基体结合的过渡层获得的能量依然较少，因 此涂层结合力的较大幅度提高尚有待采用其它方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种在硬质合金或钢铁基体上利用物理气相沉积技术制备的具有高硬度、高结合力、低摩擦系数的TiN/(金属陶瓷化合 物+MoS2)自润滑硬质纳米复合多层涂层，其中金属陶瓷化合物为TiCN或TiAlN。 本专利技术的另一 目的在于提供上述自润滑硬质纳米复合多层涂层的制备方法。 本专利技术在至少配备空心阴极(HCD)等离子体源及阴极多弧等离子体源的真空镀 膜设施中进行。镀膜设备需要具备可公自转的工件机构，公、自转速度可分别独立控制，以 便获得每一单层尺度小于100nm的薄层。真空室内布置适量的阴极多弧钛靶、阴极多弧钛 铝合金靶、阴极多弧钼靶/或阴极多弧MoS2靶。本专利技术提供一种获得纳米复合多层结构 TiN/(金属陶瓷化合物+MoS2)的自润滑涂层(其中，金属陶瓷化合物优选为TiCN，TiAlN)， 达到涂层高硬度、低摩擦系数的结合。 本专利技术的目的通过如下技术方案实现 —种自润滑硬质纳米复合多层涂层该纳米梯度复合多层涂层是在硬质合金或钢铁基体上，TiN作为结合层，由过渡层TiN膜和金属陶瓷化合物+MoS2纳米复合多层组成结构为TiN/金属陶瓷化合物+MoS2复合多层涂层；金属陶瓷化合物为TiCN或TiAlN。 自润滑硬质纳米复合多层涂层的制备方法，包括如下步骤和工艺条件 (1)工件表面预处理将工件置于碱性金属清洗液进行表面除油；室温下将工件置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机中超声处理；然后将清洗后的工件放入纯乙醇溶液脱水处理后干燥；所述工件为硬质合金或钢铁基体工件； (2)预加热将经过预处理的工件装入真空镀膜炉中，抽真空达到5X10—卞a后，通 入Ar气，维持真空度为1-4X10—中a，启动HCD电子枪及炉体内加热装置；HCD电子枪起弧 后，控制HCD电子枪电流在110-180A ;HCD源的直流等离子体电弧直接照射工件表面，直到 真空室内达到IO(TC -200°C ; (3)表面清洗刻蚀通入Ar维持镀膜炉真空室压力为1-4X 10—屮a，调整HCD枪电 流为120-180A ;对工件施加300-800V脉冲偏压；启动1_3个阴极多弧钛耙，溅射出来的钛 离子在电场作用下轰击工件表面；在高能电子和金属离子共同作用下清洗和刻蚀表面，清 洗刻蚀工件30-60分钟，镀膜炉真空室室内温度不超过300°C ; (4)过渡层制备关闭步骤(2)开动的阴极多弧钛靶，保持步骤(2)中Ar气通入 量，调节N2气通入量使镀膜炉真空室压力增加到3-5. OX 10—屮a ;聚焦HCD电子枪直流电弧 于坩埚，HCD电子枪电流为130-160A ;蒸发坩锅中纯钛3-7分钟后关闭HCD电子枪，关闭Ar 气源；调节K流量，保持真空室压力为O. 5-1.5Pa，先启动至少2个阴极多弧钛靶，阴极多弧 钛靶电流为80-90A，对工件施加300-400V脉冲偏压，施加10-20分钟； (5)(金属陶瓷化合物+MoS2)纳米多层制备关闭步骤(4)中阴极多弧钛靶；调节 N2、 C2H2、 H2S的流量达到相应分压比值，保持真空室内总压力为1. 0-3. 5X 10—卞a ;调整阴极 多弧靶电流为70-90A ;调整工件偏压为100-200V ;该涂层制备分为如下的两个阶段，其中 TiAl合金靶的成分为Ti4。Al6。 a)首先启动1-4个阴极多弧钛靶靶或阴极多弧TiAl合金靶，涂制0.5-5 iim的 成分为TiCN或TiAlN的涂层；涂制TiCN时，通入N2和C2H2，保持镀膜炉真空室总压力为 1.0-2.0X10—屮a，P， PN2 = 7 : 10 1 : l ;涂制TiAlN时，仅通入^，保持镀膜炉真空 室总压力为2. 0-3. 5X 10—; b)然后调整通入气体中H^含量，维持步骤a)镀膜室真空室总压力不变，使通入工作气体中H^的分压达到总压力的1A0，启动l个阴极多弧Mo靶/或阴极多弧MoS2革巴， 在涂层的外层区域获得TiCN+MoS2复合涂层或TiAlN+MoS2复合涂层，该区域优选涂制厚度 控制为0. 5-1. 0 ii m ;涂层结束时镀膜炉真空室内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自润滑硬质纳米复合多层涂层，其特征在于：该纳米梯度复合多层涂层是在硬质合金或钢铁基体上，ＴｉＮ作为结合层，由过渡层ＴｉＮ膜和金属陶瓷化合物＋ＭｏＳ↓［２］纳米复合多层组成结构为ＴｉＮ／金属陶瓷化合物＋ＭｏＳ↓［２］复合多层涂层；金属陶瓷化合物为ＴｉＣＮ或ＴｉＡｌＮ。

【技术特征摘要】
一种自润滑硬质纳米复合多层涂层，其特征在于该纳米梯度复合多层涂层是在硬质合金或钢铁基体上，TiN作为结合层，由过渡层TiN膜和金属陶瓷化合物+MoS2纳米复合多层组成结构为TiN/金属陶瓷化合物+MoS2复合多层涂层；金属陶瓷化合物为TiCN或TiAlN。2. 根据权利1要求所述自润滑硬质纳米复合多层涂层的制备方法，其特征在于包括如 下步骤和工艺条件(1) 工件表面预处理将工件置于碱性金属清洗液进行表面除油；室温下将工件置于 盛有碱性金属清洗液的超声清洗机中超声处理；然后将清洗后的工件放入纯乙醇溶液脱水 处理后干燥；所述工件为硬质合金或钢铁基体工件；(2) 预加热将经过预处理的工件装入真空镀膜炉中，抽真空达到5x10—卞a后，通入Ar 气，维持真空度为1-4x10—屮a，启动HCD电子枪及炉体内加热装置；HCD电子枪起弧后，控制 HCD电子枪电流在110-180A ;HCD源的直流等离子体电弧直接照射工件表面，直到真空室内 达到IO(TC -200°C ;(3) 表面清洗刻蚀通入Ar维持镀膜炉真空室压力为1-4x10—屮a，调整HCD枪电流为 120-180A ;对工件施加300-800V脉冲偏压；启动1_3个阴极多弧钛耙，溅射出来的钛离子 在电场作用下轰击工件表面；在高能电子和金属离子共同作用下清洗和刻蚀表面，清洗刻 蚀工件30-60分钟，镀膜炉真空室室内温度不超过300°C ;(4) 过渡层制备关闭步骤(2)开动的阴极多弧钛靶，保持步骤(2)中Ar气通入量，调 节^气通入量使镀膜炉真空室压力增加到3-5. 0x10—屮a ;聚焦HCD电子枪直流电弧于坩埚， HCD电子枪电流为130-160A ;蒸发坩锅中纯钛3-7分钟后关闭HCD电子枪，关闭Ar气源；调 节N2流量，保持真空室压力为0. 5-1. 5Pa，先启动至少2个阴极多弧钛靶，阴极多弧钛靶电 流为80-90A，对工件施加300-400V脉冲偏压，施加10-20分钟；(5) (金属陶...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭继华，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]