[发明专利]一种高硬度、低摩擦系数、低磨损率的固体自润滑涂层

说明书

技术领域

本发明属于固体润滑涂层领域。具体地，本发明提供了一种低摩擦系数兼具高硬度的固体自润滑涂层及其制备方法。

背景技术

随着现代加工制造业的发展，越来越多的物件需要摩擦处于超高温、超低温、高负荷、高真空、强辐射和高速运动等特殊工况下工作，因此对润滑材料提出了苛刻的要求。传统的润滑油、润滑脂由于环境污染大、易挥发、不能用于真空环境等缺点而难以满足特殊工况下的使用要求，因此开发固体润滑涂层具有重要意义。

固体润滑涂层是指涂层在无润滑液或润滑脂存在的情况下涂层本身具有较好的润滑性能(性能指标为低摩擦系数，低磨损率)从而实现在特殊工况下的使用。固体润滑涂层一般由较软的金属如Ag、Pb、Sn、In等，或由层状结构的石墨、MoS₂、WS₂、MoSe₂、WSe₂、BN等，以及部分金属氧化物、氟化物、磷酸盐等润滑材料组成。这些润滑材料一般都较软，摩擦过程中这些润滑材料不但可以粘着在物件或工件的表面形成固体润滑膜，而且可以在对偶材料表面形成转移膜，使摩擦发生在润滑剂内部来减少摩擦、降低磨损，从而起到润滑作用。

现有技术是利用镀膜技术将这些润滑材料单一或者组合地沉积在工件的表面形成润滑涂层来改善摩擦表面的润滑性能，但该种方法对基体或者工件表面要求很严格，要求基体或工件表面具有较高的硬度。如果基体硬度低，摩擦表面在承载力的作用下会发生微凸起而穿透较软的润滑涂层，使得与基体之间发生摩擦作用，润滑涂层不会起到任何作用。因此固体润滑的关键之处就是在硬质基体上形成一层较软的润滑涂层，简称为“软+硬”结构。如Wang通过磁控溅射法在洛氏硬度为42的碳素钢上沉积了一层WS₂-Ag的纳米复合涂层，发现具有一定的摩擦性能。

虽然上述固体润滑涂层技术得到了较大的发展，但是对涂层基体或者工件材料的选择要求很严，基体或者工件材料必须具备较高的硬度。为了克服这种技术不足，拓宽固体润滑涂层的适用范围。如美国专利US4826365、US8349474B2等文献等都是在硬质涂层上沉积一层润滑层或制备润滑层与硬质层的多层或叠层结构，利用润滑层的润滑性和硬质层的抗承载性相结合的办法来克服上述不足，但该方法制备工艺复杂、设备要求高、重复性差、涂层价格成本高。其次，这种“软+硬”的多层或叠层结构的固体自润滑涂层，较软的润滑层很容易在摩擦过程中被消耗，而导致涂层润滑性差磨损率高、不耐磨。

综上所述，本领域尚缺乏一种固体自润滑涂层，该涂层自身就具有较高的硬度和兼具较好的润滑性能，并且制备工艺简单，能在多种基体或工件表面作为耐磨润滑涂层。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的性能优异的固体自润滑涂层及其制备方法。

本发明的第一方面提供了一种固体自润滑涂层，所述涂层包含硬质相TiB₂和润滑相WS₂。

在另一优选例中，所述的固体润滑涂层呈纤维状生长结构，涂层致密，电阻率范围为70μΩ.cm～135μΩ.cm。

在另一优选例中，基于固体自润滑涂层的总原子数，所述的固体润滑涂层各元素的原子百分比为：

16.5at％～24.5at％的Ti；

47.1at％～67.7at％的B；

5.5at％～14.0at％的W；

1.7at％～5.8at％的S。

在另一优选例中，其他杂质(或杂质元素)含量为1.7at％～5.8at％。

在另一优选例中，所述的杂质元素包括O，H，C。

在另一优选例中，所述的固体润滑涂层硬质相的TiB₂占整个涂层的质量分数为40wt％～63wt％。

在另一优选例中，本发明所述的固体润滑涂层中硬质相TiB₂为晶体结构，润滑相WS₂为非晶结构。

在另一优选例中，所述的固体润滑涂层中硬质相TiB₂晶粒尺寸在50nm～100nm。

在另一优选例中，所述的硬质相TiB₂的颗粒由多个晶粒组成，其中晶粒的尺寸为20nm～100nm，优选为20nm～40nm。

在另一优选例中，利用X射线衍射法在2θ＝20°～70°范围内测试该固体润滑涂层在28.5°和58.5°有TiB₂的衍射峰(0001)和(0002)。