[发明专利]在镁合金表面制备类金刚石复合涂层的方法

说明书

技术领域

本发明是一种在镁合金表面获得具有耐磨与自润滑特性的掺钛类金刚石复合涂层的制备方法。

背景技术

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料(其密度是钢铁的1/4，铝的2/3)，它具有比重轻，比强度和比刚度高，阻尼减震性强、导热性能好、抗冲击性能好、电磁屏蔽能力强、容易回收利用等一系列优点。作为新一代绿色、高强、轻质的金属结构材料，镁合金在汽车工业、航空航天、武器装备、以及计算机、通信产品及消费类3C电子产品领域具有一些其他材料无法比拟的优势。随着镁合金应用领域由结构部件向运动部件的不断拓展，其服役环境变得越来越苛刻，这就对镁合金的耐磨性提出了更高的要求。虽然目前不期望镁合金能用于如轴承或齿轮等承受严重磨损的场合，但在镁合金的某些应用中，包括汽车制动装置、发动机部件(活塞和汽缸内腔)等，要经受滑动运动，在材料加工、装配过程中，例如滚压、挤压、锻造等，磨损也是重要的考虑因素。然而，大多数镁合金质地柔软，硬度较低，表面出较差的耐磨性，这些都大大限制了其在民用和国防领域的应用。

因此，镁合金的推广应用，不但需要解决其自身所具有的易腐蚀问题，而且也要解决其耐磨性能差、无自润滑性能等缺陷问题。可以说，镁合金在使用前必须进行适当的表面处理才能适应耐磨部件的要求。研究表明，通过气相沉积法(PVD或CVD)在镁合金表面获得固体润滑薄膜(如类金刚石薄膜DLC，MoS₂等)虽然可以提高其摩擦学性能，但是在许多情况下由于镁合金基体与薄膜的热膨胀系数和力学性能不匹配而很容易失效。因此，开发一种在镁合金表面既具有优异的抗磨与固体润滑特性，又具有与底材优异结合强度和良好承载能力的表面薄膜/涂层处理技术，将会进一步拓宽镁合金在工程领域的应用范围。

发明内容

本发明的目的是为了解决镁合金表面类金刚石固体润滑薄膜的不足，提供一种结合强度高、具有高耐磨和减摩自润滑性能的镁合金表面类金刚石复合涂层方法。

本发明通过以下方式来实现的：

本发明的发明思想是将镁合金表面微弧氧化处理和物理气相沉积方法结合起来，具体是首先通过微弧氧化处理在镁合金表面生成一层具有多孔结构、结合强度高、耐磨性好的陶瓷质过渡层，然后再采用磁控溅射法沉积一层具有固体润滑特性的掺钛类金刚石薄膜(Diamond Like Carbon，DLC)表面层，最终在镁合金表面获得一种致密、具有优异抗磨损与自润滑性能的微弧氧化/DLC复合涂层。

一种在镁合金表面制备类金刚石复合涂层的方法，其特征在于该方法包括：

A、微弧氧化处理：

对镁合金进行抛光、除油以及清洗预处理，将镁合金作为阳极，不锈钢电解池兼作阴极；然后采用双极性脉冲微弧氧化电源设备对镁合金进行氧化处理生成一层多孔陶瓷质过渡层。微弧氧化处理所用的基础电解液中含有8～12g/L硅酸钠以及0.5～1.5g/L氢氧化钾；氧化过程中电流密度恒定在6.0A/dm²，温度保持在25-30℃。氧化时间20～60分钟，氧化完成后，即可在镁合金材料表面获得厚度为20～40μm的多孔氧化膜；

B、磁控溅射法沉积掺钛DLC薄膜：

将得到的陶瓷质氧化膜进行抛光以及清洗处理，最后在磁控溅射沉积设备中沉积掺钛类金刚石薄膜；沉积过程中，真空室的本底真空为5×10^-4Pa，放电气压为1Pa，氩气气氛，阴极为高纯钛靶，甲烷气体作为碳源，镁合金样品上施加1000V的负偏压，沉积时间为150min，最后可得到厚度约为2μm的含钛DLC薄膜。

通过本发明形成的镁合金表面掺钛DLC复合涂层表面致密，与基体结合良好，具有优异的自润滑和耐磨性能。复合涂层的性能评价方法如下：

结构和成分：用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)观察表面微观形貌。用拉曼光谱仪对复合涂层表面结构进行测试。用PHI-5702型多功能X射线光电子(XPS)测定元素的结合状态。测试结果表明，镁合金表面微弧氧化过渡层的大部分区域被DLC薄膜所覆盖，在直径较大的孔中也包含了DLC薄膜成分。拉曼和XPS测试表面表面沉积的掺钛DLC薄膜呈典型的类金刚石结构特征。