[发明专利]一种基于等离子体复合热扩渗制备减摩自润滑复合层的方法

说明书

一种基于等离子体复合热扩渗制备减摩自润滑复合层的方法，本发明涉及一种制备减摩自润滑复合层的方法。本发明要解决现有类金刚石薄膜沉积方式对设备要求高，操作过程复杂，且产生的薄膜附着力差的问题，解决现有钢基体直接等离子体渗碳产生的薄膜厚度有限，适用钢种受基体碳含量影响的问题。方法：一、预处理；二、渗氮或氮碳共渗处理；三、等离子体渗碳或等离子体碳氮共渗处理。本发明用于等离子体复合热扩渗制备减摩自润滑复合层。

技术领域

本发明涉及一种制备减摩自润滑复合层的方法。

背景技术

对于高端装备基础零部件，如轴承、齿轮等传动部件，其功能主要包括传递运动和实现部件的精确定位。它要求在复杂环境中保持可靠性，例如承受严重的静态或循环载荷、高温和极端润滑条件等。以往研究结果表明，磨损、腐蚀和微点蚀可能成为未来导致合金钢基体失效的主要原因。这些钢主要分为两类：可以完全硬化为马氏体或贝氏体的高碳合金钢，其他为心部硬度较低但需要通过渗碳或者渗氮进行表面硬化的低碳合金钢。双相处理(高中碳合金钢热处理或者低碳钢表面渗碳后进行等离子体渗氮处理)是目前合金钢尤其是齿轮、轴承钢最常用的硬化方式，可使表面硬度和耐磨性大大提高但无法实现超低的摩擦系数。

此外，为未来飞机发动机开发的新型高温油可能会对当代主要使用的轴承钢(如52100、M50和M50NiL)产生腐蚀。因此，为了实现长寿命和可靠性，固体润滑剂成为研究的热点。其中由sp²和sp³键构成的类金刚石(DLC)薄膜具有良好的力学性能。因其可以同时降低磨损率和摩擦系数而备受关注。目前，类金刚石薄膜的制备主要有两种方法：化学气相沉积(该方法温度过高导致钢基体软化)和物理气相沉积(该方法需要高真空，高电压对设备要求高)。此外通过沉积方式产生的DLC膜附着力较弱，无法直接应用在承受交变应力的传动部件上。

专利CN109267000A通过等离子体渗碳直接在铁基合金表面产生类金刚石碳膜的方法只适用于低碳合金钢。并且由于Fe对石墨结构的催化作用，该方法产生的类金刚石薄膜中含有大量的石墨结构，限制类金刚石结构的厚度和硬度进一步提高，因此其仅存于表面几十纳米范围。

发明内容

本发明要解决现有类金刚石薄膜沉积方式对设备要求高，操作过程复杂，且产生的薄膜附着力差的问题，解决现有钢基体直接等离子体渗碳产生的薄膜厚度有限，适用钢种受基体碳含量影响的问题，而提供一种基于等离子体复合热扩渗制备减摩自润滑复合层的方法。

一种基于等离子体复合热扩渗制备减摩自润滑复合层的方法，它是按照以下步骤进行的：

一、将合金钢进行预备热处理，然后打磨清洗，得到预处理后的合金钢；

二、在温度为400℃～950℃的条件下，将预处理后的合金钢进行渗氮处理或氮碳共渗处理，在合金钢表层产生含有γ′-Fe₄N与ε-Fe_2～3N渗氮层或含有γ′-Fe₄N与ε-Fe_2～3(C,N)氮碳共渗层，得到渗氮或氮碳共渗处理后的合金钢；

三、在温度为250℃～550℃、电压为600V～750V及气压为200Pa～350Pa的条件下，将渗氮或氮碳共渗处理后的合金钢进行等离子体渗碳或等离子体碳氮共渗处理，在表面和内部诱导产生类金刚石结构，即完成基于等离子体复合热扩渗制备减摩自润滑复合层的方法；

等离子体渗碳时所采用的气氛为稀释气体及含碳气体的混合气氛，所述的含碳气体占混合气氛总体积的5％～50％；

等离子体碳氮共渗处理时所采用的气氛为稀释气体、含碳气体及含氮气体的混合气氛，所述的含氮气体与含碳气体的体积比小于1:3；所述的含碳气体占混合气氛总体积的5％～50％。

本发明的有益效果是：