一种自润滑纳米复合涂层及其制备方法与流程

本发明属于薄膜材料领域，具体涉及一种Cr/Cu-Pb-Sn-WS₂自润滑纳米复合涂层材料及其制备方法。

背景技术：

随着科技的发展，机械系统工作环境特别是航空航天机械变得极为苛刻(即非常高或低的温度、真空、强辐射等)。在这样的工作条件下，油、脂润滑剂已不能起到润滑作用。润滑油和润滑脂的使用温度范围大约为-60℃～350℃，而固体润滑剂能在更低和更高的温度范围下使用，同时适用于无需维修保养、无人值守和经常拆卸的场合。根据摩擦学观点，磨损发生在工件表面或近表面区域，因此在工件表层制备固体自润滑复合涂层是最经济、有效的方式。自润滑涂层因兼有涂层基体的力学性能和润滑相的摩擦学特性受到越来越多关注。其中金属基自润滑涂层具有较高的机械强度、导电传热性能良好、摩擦系数小、抗磨损性能好等优点，被广泛应用于润滑条件更加苛刻的环境下。

在工业生产过程中零件磨损会导致低的生产效率和加工效率，甚至导致机械故障。同时摩擦也会造成巨大的资源浪费。据统计目前世界上的机械系统约有1/3～1/2以各种方式失效并最终表现为摩擦损耗。其中粘着磨损是一种最常见的磨损形式。许多零件、工具的报废和失效都和粘着磨损有关，如轴承、刃具和磨具在真空环境下的粘着磨损已成为空间技术的核心问题；另外，工作在气态、液态和侵蚀介质中的原子能反应堆及其他承受重载的机械装备也不能摆脱粘着磨损的危害。由此可见，研究改善零部件粘着磨损对工业技术的进步具有重要意义。

改善粘着磨损的主要途径是正确选择摩擦副的配对材料，原则是配对材料在接触摩擦中粘着倾向小，不易发生冷焊；其次是在两摩擦副的表面间增加剪切强度低的薄膜。故在摩擦副表面镀覆自润滑材料可以有效的提高摩擦副的抗粘着能力。科研人员开发出了多种制备工艺，如热喷涂、堆焊等，在材料表面沉积一层润滑材料，在摩擦过程中能够转移或黏附在对磨面上，使得摩擦在涂层之间进行从而起到润滑作用，这种涂层就是自润滑涂层。近年来自润滑复合涂层发展迅猛，国内外学者对自润滑复合涂层进行了大量的研究，如Bhalla等研究了Cu-PTFE复合镀层，Serhal等对Au-Co-PTFE复合镀层的开发和研究，R-Balaji等研究了 Cu-Sn-PTFE复合镀层的工艺及磨损性能。铜基涂层由于较低的剪切强度和良好的机械性能，具有优良的耐磨损和抗粘着性能。但单纯的铜基涂层硬度较小，耐磨损性能较差。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种Cr/Cu-Pb-Sn-WS₂自润滑纳米复合涂层材料及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种Cr/Cu-Pb-Sn-WS2自润滑纳米复合涂层，由过渡层和交替复合涂层组成，所述过渡层为Cr层，所述交替复合涂层为Cu-Pb-Sn-WS₂/Cr层，所述Cu-Pb-Sn-WS₂/Cr层是由 Cu-Pb-Sn-WS₂靶和Cr靶交替沉积所得，所述Cu-Pb-Sn-WS₂靶的各组分按质量百分比计为： 70％Cu、10％Pb、10％Sn和10％WS₂。

一种Cr/Cu-Pb-Sn-WS₂自润滑纳米复合涂层的制备方法，包括如下步骤：

(1)首先将基体在酒精和丙酮中依次进行超声清洗；

(2)采用阴极电弧离子镀法，将基体置于真空室中进行离子轰击；然后以Cr靶为靶材，在基体表面沉积过渡层；再以Cu-Pb-Sn-WS₂靶和Cr靶为交替靶材，当基体转动到 Cu-Pb-Sn-WS2靶对面时，在基体上沉积Cu-Pb-Sn-WS2涂层，当基体转动到Cr靶对面时，在基体上沉积Cr涂层，如此，在过渡层上交替沉积Cu-Pb-Sn-WS₂/Cr复合涂层；

(3)待步骤(2)制备所得复合涂层自然冷却后，对其进行退火处理，在基体表面得到 Cr/Cu-Pb-Sn-WS₂自润滑纳米复合涂层材料。

上述方案中，步骤(2)所述离子轰击的条件参数为：温度100～300℃，氩气环境，偏压 -500～1000V，工作气压2～10Pa，轰击时间5～10min。

上述方案中，步骤(2)所述过渡层沉积的条件参数为：氩气气氛，Cr靶偏压为-100～-200V，工作气压0.25～2.5Pa，沉积时间为5～10min。

上述方案中，步骤(2)所述Cu-Pb-Sn-WS₂/Cr复合涂层交替沉积的条件参数为：氩气气氛，工作气压0.25～2.5Pa，靶材的偏压-100～150V，占空比70～80％，Cu-Pb-Sn-WS₂靶的电流为20～70A，Cr靶的电流为40～70A，调制周期11.5s～41s，沉积时间为30～60min。

上述方案中，步骤(3)所述退火处理的条件为：在300℃～700℃保温，保温时间为 30～60min。

本发明利用阴极电弧离子镀技术来制备Cu-Pb-Sn-WS₂/Cr自润滑复合涂层，阴极电弧离子镀具有离化率高，设备简单的特点；当氩气经过电弧放电区时，由于电弧区为高度离化的等离子体，所以气体也会被电离，离化率高达90％以上。本发明利用氩气进行轰击，可以去除基体表面的氧化皮，同时使基体活化，对基体进行预热，降低涂层的热应力，提高涂层与基体的结合力。同时本发明采用Cr靶对Cu-Pb-Sn-WS₂自润滑涂层进行复合，通过改变调制周期等条件参数来改善涂层的性能，这种多层复合结构能够有效的减少单一的Cu-Pb-Sn-WS₂涂层中柱状晶的形成，抑制裂纹等缺陷的扩展，同时可以增加涂层的硬度及耐磨损性能。

本发明所述Cu-Pb-Sn-WS₂/Cr自润滑复合涂层兼具基体铜和固体润滑剂的特性，能够被广泛的应用于工业领域。Cu，Pb具有面心晶格结构，滑移系较多，塑韧性较好，没有低温脆性，可应用于较宽的温度范围，同时由于其滑移主要在晶体内部进行，可自行修补，极大的提高了使用寿命；Sn具有极低的剪切强度；WS₂属于密排六方结构，具有与石墨类似的层状结构，层间原子通过较弱的范德华力结合，层间具有较低的剪切强度，这样造成层间易于滑移，使其能作为良好的固体润滑剂，耐高温，强度大，稳定性好，能在大负荷、真空等苛刻工况条件下使用。Cr的多层复合有利于提高涂层的硬度，同时也有效的阻止了柱状晶的形成和裂纹等缺陷的扩展。因此，本发明所述Cu-Pb-Sn-WS₂/Cr自润滑复合涂层具有较低的摩擦系数及良好的抗粘着磨损性能。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用阴极电弧离子镀方法，在真空系统中利用离子轰击对基体进行预热清洗，有利于提高涂层的膜基结合力和均匀性；所述电弧离子方法的离化率高，涂层生长速率较快；采用Cr靶对Cu-Pb-Sn-WS₂自润滑涂层进行复合，制备过程简单，易于控制，大大提高了涂层的工业应用价值；(2)本发明采用Cr与Cu-Pb-Sn-WS2交替沉积形成复合涂层，材料结构上比较新颖，且制备的涂层致密性较好，具有良好的抗粘着磨损性能，金属自润滑涂层的摩擦系数小，稳定在0.2以下。

附图说明

图1为本发明所采用的镀膜系统结构示意图。

图2为本发明不同调制周期复合涂层的表面扫描电镜(SEM)图。

图3位本发明复合涂层的截面扫描电镜(SEM)图。

图4为本发明不同调制周期复合涂层的摩擦系数图。

图5为本发明不同调制周期复合涂层的XRD图。

图6为不同温度退火后涂层的摩擦系数图。

图7为不同温度退火后涂层的XRD图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

Cr/Cu-Pb-Sn-WS2自润滑纳米复合涂层，由如下方法制备：1)首先将基体在酒精和丙酮中依次进行超声清洗10min；2)采用阴极电弧离子镀法，将基体置于真空室中进行离子轰击，所述离子轰击的条件为：温度170℃，氩气环境下，偏压为-700V，工作气压为0.25Pa，轰击时间为5min；3)在真空室内通入氩气，用电弧离子镀技术的电弧高温使得靶材蒸发离化，同时在外加电场的作用下定向移动沉积到基体表面，以Cr靶为靶材，Cr靶偏压为-100V，工作气压为0.25Pa，在基体表面沉积过渡层，沉积时间为5min，4)再以Cu-Pb-Sn-WS₂靶和 Cr靶为交替靶材，通过改变基体的转速来调节调制周期，当基体转动到Cu-Pb-Sn-WS2靶对面时，在基体上沉积一层Cu-Pb-Sn-WS2涂层，当基体转动到Cr靶对面时，在基体上沉积一层Cr涂层，这样交替沉积Cu-Pb-Sn-WS₂/Cr复合自润滑涂层，其中工作气压为0.5Pa，两个靶材的偏压均为-100V，占空比为70％，Cu-Pb-Sn-WS₂靶的电流为40A，Cr靶的电流为50A，控制调制周期分别为11.5s、17s、20s、28s、或41s，沉积时间为60min，在基体表面得到Cr/Cu-Pb-Sn-WS₂自润滑纳米复合涂层材料。

图1为本发明所采用的镀膜系统结构示意图，本设备为开门式真空设备，装置的真空室高度为0.5-1.5米，体积为50×50×50cm。真空室前面设有炉门6，以方便靶材的装卸。真空室设有抽真空口2，抽真空机组通过抽真空口对真空室进行抽真空，抽真空机组由机械泵和分子泵组成，极限真空可以达到8×10-4Pa。真空室左侧炉壁装有Cu-Pb-Sn-WS2靶1，真空室左侧炉壁装有纯Cr靶3，靶电流在20-170A内可调。通过靶后装的磁铁4产生磁场控制电弧运动。炉内装有两个对称分布的加热器5，用于加热真空室。样品装在转架7上，转架沿逆时针转动，转速可调。工作气体为氩气，由质量流量计控制。

本实施例在不同调制周期下制备所得Cr/Cu-Pb-Sn-WS₂自润滑纳米复合涂层的表面扫描电镜(SEM)图如图2所示，图2说明了所得涂层表面均匀性较好，涂层的性能较为稳定，截面扫描电镜(SEM)图如图3所示，图3说明了涂层与基体的结合较好，没有明显的空洞和空隙，且涂层致密性良好，无柱状晶生成，不同调制周期涂层的摩擦系数图如图4所示，图4说明了涂层的平均摩擦系数分别为0.241、0.105、0.396、0.152和0.159。随着调制周期的减小，涂层的摩擦系数呈先减小后增加最后趋于平稳的趋势，在调制周期为28s时涂层的平均摩擦系数最小，为0.105，涂层的综合性能达到最优。不同调制周期涂层的XRD图如图 5所示，图5说明了涂层的各衍射峰随着调制周期的减小，呈先减后增的趋势，涂层的非晶化程度先减后增，S2的衍射峰强度最小，涂层的非晶化程度最高，涂层的耐磨性良好。

实施例2

Cr/Cu-Pb-Sn-WS2自润滑纳米复合涂层，由如下方法制备：1)首先将基体在酒精和丙酮中依次进行超声清洗10min；2)采用阴极电弧离子镀法，将基体置于真空室中进行离子轰击，所述离子轰击的条件为：温度200℃，氩气环境下，偏压为-800V，工作气压为0.30Pa，轰击时间为5min；3)在真空室内通入氩气，用电弧离子镀技术的电弧高温使得靶材蒸发离化，同时在外加电场的作用下定向移动沉积到基体表面，以Cr靶为靶材，Cr靶偏压为-150V，工作气压0.4Pa，在基体表面沉积过渡层，沉积时间为5min，4)再以Cu-Pb-Sn-WS₂靶和Cr 靶为交替靶材，通过改变基体的转速来调节调制周期，当基体转动到Cu-Pb-Sn-WS2靶对面时，在基体上沉积一层Cu-Pb-Sn-WS2涂层，当基体转动到Cr靶对面时，在基体上沉积一层 Cr涂层，这样交替沉积Cu-Pb-Sn-WS₂/Cr复合自润滑涂层，其中工作气压为0.5Pa，两个靶材的偏压均为-150V，占空比为80％，Cu-Pb-Sn-WS₂靶的电流为40A，Cr靶的电流为50A，控制调制周期分别为28s，沉积时间为60min；5)将制备所得复合涂层自然冷却后，对其进行退火处理，在400℃、500℃、600℃和700℃保温，保温时间为60min，然后随炉冷却，在基体表面得到Cr/Cu-Pb-Sn-WS₂自润滑纳米复合涂层材料。

本实施例在不同调制周期下制备所得Cr/Cu-Pb-Sn-WS₂自润滑纳米复合涂层的摩擦系数如图6所示，图6说明了与退火处理前的原始试样S2相比，通过600℃退火1h处理后，涂层的摩擦系数有所降低，退火后涂层的平均摩擦系数稳定在0.091。不同温度退火后涂层的 XRD图如图7所示，图7说明了在退火过程中涂层生成了新相，其中CuO新相对基体起到弥散强化的作用，使得涂层性能得到改善。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。