[发明专利]一种自润滑硬质纳米复合多层涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

传统固体自润滑材料如石墨、聚四氟乙烯、纯MoS₂等的使用温度均低于300℃。 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℃。中国发明专利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％，Cr₂O₃：5％～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℃～1200℃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。本发明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。

中国发明专利申请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-MoS₂润滑镀层。具体包括如下步骤：(1)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-MoS₂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650℃，涂层强度 高，涂层摩擦系数f小于0.025，磨损率在4-5x10^-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，涂层一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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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。本发明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。

本发明的目的通过如下技术方案实现：