微納織構(gòu)化氮化鈦固體潤(rùn)滑膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微納織構(gòu)化氮化鈦固體潤(rùn)滑膜的制備方法，屬于金屬材料及構(gòu)件表面改性與加工、摩擦磨損防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]一直以來(lái)，摩擦磨損是降低設(shè)備運(yùn)行效率、造成能源資源消耗和產(chǎn)生環(huán)境污染的主要因素之一，世界各國(guó)均致力于新型減摩抗磨材料、表面改性技術(shù)及潤(rùn)滑技術(shù)的開(kāi)發(fā)。表面改性技術(shù)因成本低、見(jiàn)效快、操作便捷而備受青睞。除利用各種表面涂覆技術(shù)在材料表面制備硬質(zhì)涂層來(lái)提高材料的磨損抗力外，還可在材料表面設(shè)計(jì)制備固體潤(rùn)滑層來(lái)有效降低摩擦磨損。相對(duì)于傳統(tǒng)的油脂潤(rùn)滑，固體潤(rùn)滑層可在高溫、高負(fù)荷、超低溫、超高真空、強(qiáng)氧化還原、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境條件下有效的實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，并在機(jī)械、電子及航空航天設(shè)備等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
[0003]TiN(氮化鈦)陶瓷薄膜因其優(yōu)異的減摩、抗膠合、抗擦傷和耐腐蝕性能，在機(jī)械設(shè)備及刀具的磨損防護(hù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，關(guān)于TiN薄膜的制備及其腐蝕、摩擦學(xué)等特性研究已有較多的報(bào)道。
[0004]目前的物理或化學(xué)的方法制備的TiN膜層概況起來(lái)主要存在如下不足:沉積溫度高、基體損傷大、繞鍍性差、薄膜殘余應(yīng)力高、薄膜與基體結(jié)合強(qiáng)度低、易剝落、制備效率低、成本高、僅適用與尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且表面平整度高的工件、無(wú)法大批量生產(chǎn)。同時(shí)，作為摩擦潤(rùn)滑層時(shí)，對(duì)潤(rùn)滑工況具有一定的選擇性。通常在干摩擦的條件下潤(rùn)滑抗磨性能優(yōu)異，而在水基或油脂潤(rùn)滑條件時(shí)其功效則大大下降，使TiN薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域具有很大的局限性。
[0005]人工織構(gòu)技術(shù)作為近年來(lái)摩擦學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新前沿方向之一，引起了研究者的廣泛重視。該技術(shù)是利用機(jī)械、化學(xué)、電子學(xué)或光學(xué)等技術(shù)對(duì)摩擦表面進(jìn)行微造型設(shè)計(jì)進(jìn)而改善其摩擦學(xué)性能。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于織構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其摩擦學(xué)的研究已有較多的報(bào)道，但關(guān)于織構(gòu)與固體潤(rùn)滑膜的復(fù)合效應(yīng)還有待深入。若將TiN固體薄膜優(yōu)異的高溫重載摩擦學(xué)特性與微納織構(gòu)的動(dòng)壓潤(rùn)滑、微存儲(chǔ)和機(jī)械捕捉效應(yīng)相結(jié)合，將有望實(shí)現(xiàn)TiN薄膜使用壽命的顯著延長(zhǎng)和適用范圍的大大拓展，但關(guān)于該設(shè)計(jì)思想的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。發(fā)明專(zhuān)利“一種具有TiN涂層的多孔膜及其制備方法”(CN102719691B)和“一種多孔氮化鈦納米陣列薄膜及其制備方法”(CN102534630B)分別報(bào)道了一種氮等離子掃描法和液相化學(xué)合成法制備多孔結(jié)構(gòu)TiN，這兩種多孔TiN在污水處理、催化劑載體、醫(yī)療領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景，但工藝難以控制、制備效率低，難以滿足工程構(gòu)件尤其是耐磨件表面的防護(hù)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種降低氮化鈦薄膜的制備條件，提高其制備效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)其與基體的冶金結(jié)合，薄膜與基體無(wú)明顯的結(jié)合界面，呈完全冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，并實(shí)現(xiàn)其對(duì)潤(rùn)滑工況的普適性，滿足多種復(fù)雜工況下機(jī)械設(shè)備的潤(rùn)滑和抗磨防護(hù)需求的微納織構(gòu)化氮化鈦固體潤(rùn)滑膜的制備方法；進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一種提高T1、N原子的反應(yīng)活性，增加TiN形核質(zhì)點(diǎn)；同時(shí)，在基體的極表面引入急劇的塑性變形和缺陷，為氮原子的滲入和擴(kuò)散提供通道，提高滲氮效率，細(xì)化TiN晶粒尺寸的微納織構(gòu)化氮化鈦固體潤(rùn)滑膜的制備方法；更進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一種提高氮原子向基體表面的傳遞，減少離子濺射對(duì)基體表面形成的損傷，同時(shí)減少基體表面其它元素的污染的微納織構(gòu)化氮化鈦固體潤(rùn)滑膜的制備方法。
[0007]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]微納織構(gòu)化氮化鈦固體潤(rùn)滑膜的制備方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0009]S01，基體的前處理:選用純鈦或鈦合金為基材，然后進(jìn)行表面預(yù)處理，表面預(yù)處理包括去除氧化膜、金相打磨、拋光和清洗；清洗完后表面烘干備用；
[0010]S02，表面織構(gòu)化加工:采用超音速微粒轟擊設(shè)備對(duì)基體表面進(jìn)行織構(gòu)化加工，轟擊微粒為S1J#形粒子，直徑為0.5?Imm ;載氣為高純氬氣，純度為99.9% ;轟擊速度由氣體壓力調(diào)節(jié)，氣體壓力為0.5?2.0MPa ;轟擊時(shí)間為I?30min ;表面織構(gòu)化加工后，經(jīng)超聲波清洗并干燥后備用，得清洗好的織構(gòu)化基片，清洗時(shí)間為30min，介質(zhì)為丙酮；
[0011]S03，氮化層的制備:采用活化屏輔助輝光離子氮化的方法制備氮化鈦滲層；活化屏由工業(yè)純鈦TA2薄板制成并作為輔助陰極，純鈦TA2薄板的板厚為0.5mm，圓形孔徑為5mm ;將S02中清洗好的織構(gòu)化基片置入活化屏中的載物臺(tái)，并與輔助陰極保持絕緣；然后開(kāi)始輝光離子氮化處理，工藝參數(shù)為:滲氮溫度:680?890°C，真空度:6?7.5Pa，保溫時(shí)間6?10小時(shí)，交流電流22?27A，直流電流13?18A，電壓780?820V，氮源:99.99%的高純氮?dú)?；處理完畢后，關(guān)閉設(shè)備，氮?dú)獗Ｗo(hù)隨爐冷至室溫。
[0012]所述去除氧化膜的方法包括采用砂輪機(jī)或切削的方法。
[0013]所述金相打磨包括使用多重金相砂紙打磨。
[0014]所述拋光時(shí)使用的拋光劑為納米金剛石膏劑。
[0015]所述清洗包括采用超聲波清洗，清洗時(shí)間為30min，介質(zhì)為丙酮。
[0016]作為一種優(yōu)選，所述氣體壓力為1.2?1.5MPa ;轟擊時(shí)間為5?15min。
[0017]所述活化屏為圓柱形，所述活化屏上均勻分布有所述圓形孔。
[0018]S02除了能夠?qū)谋砻娈a(chǎn)生織構(gòu)化加工外，還能對(duì)其產(chǎn)生有益的活化作用，提高T1、N原子的反應(yīng)活性，增加TiN形核質(zhì)點(diǎn)；同時(shí)，在基體的極表面引入急劇的塑性變形和缺陷，為氮原子的滲入和擴(kuò)散提供通道，提高滲氮效率，細(xì)化TiN晶粒尺寸。
[0019]S03中采用純鈦活化屏的作用在于提高氮原子向基體表面的傳遞，減少離子濺射對(duì)基體表面形成的損傷，同時(shí)減少基體表面其它元素的污染。
[0020]一種微納織構(gòu)化氮化鈦固體潤(rùn)滑膜，其特征在于:所適用的基體材料為純鈦或鈦合金，經(jīng)表面織構(gòu)化處理后，通過(guò)氮化過(guò)程中氮元素在其表面的吸附、迀移、擴(kuò)散及化學(xué)反應(yīng)形成織構(gòu)化氮化鈦膜，薄膜與基體無(wú)明顯的結(jié)合界面，呈完全冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高。
[0021]本發(fā)明的有益之處在于:本發(fā)明在原有TiN膜的基礎(chǔ)上提出了微納織構(gòu)化設(shè)計(jì)的思想，一方面利用織構(gòu)化加工引起基體表面活化、極表層變形及缺陷的增加，降低滲氮條件，提高滲氮效率，同時(shí)利用表面微納織構(gòu)與TiN薄膜的摩擦學(xué)協(xié)同作用，進(jìn)一步提高TiN膜層的摩擦學(xué)性能，使其不僅適用于干摩擦條件，也能滿足油潤(rùn)滑等工況。另一方面，采用純鈦活化屏輔助輝光離子滲氮法制備氮化鈦滲層，克服了以往物理或化學(xué)氣相沉積法制備氮化鈦膜層時(shí)工藝條件較高、膜基結(jié)合強(qiáng)度低、工件結(jié)構(gòu)尺寸及精度要求高等缺陷，更適合批量化低成本生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為實(shí)施例1?3所制備的微納織構(gòu)化氮化鈦潤(rùn)滑膜的SEM形貌圖；(a)實(shí)施例I ; (b)實(shí)施例2 ; (c)實(shí)施例3 ;
[0023]圖2為實(shí)施例1?3所制備的微納織構(gòu)化氮化鈦潤(rùn)滑膜的XRD譜圖；
[0024]圖3為實(shí)施例3所制備的微納織構(gòu)化氮化鈦潤(rùn)滑膜截面形貌圖
[0025]圖4為實(shí)施例3所制備的微納織構(gòu)化氮化鈦潤(rùn)滑膜主要元素線掃描圖；
[0026]圖5為實(shí)施例3所制備的微納織構(gòu)化氮化鈦潤(rùn)滑膜在不同工況下的摩擦因數(shù)圖；(a)干摩擦；(b)PA040油潤(rùn)滑;
[0027]圖6為實(shí)施例3所制備的微納織構(gòu)化氮化鈦潤(rùn)滑膜在干摩擦條件下的磨損表面形貌圖；(a)純鈦基體；(b)織構(gòu)化氮化鈦；
[0028]圖7為實(shí)施例3所制備的微納織構(gòu)化氮化鈦潤(rùn)滑膜在PA040油潤(rùn)滑條件下的磨損表面形貌圖；(a)純鈦基體；(b)織構(gòu)化氮化鈦。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0030]實(shí)施例1:
[0031]如圖1(a)?2所示，微納織構(gòu)化氮化鈦固體潤(rùn)滑膜的制備方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0032]S01，基體的前處理:將TA2工業(yè)純鈦線切割成30mmX15mmX4mm的樣片，表面粗砂打磨后，金相打磨拋光成鏡面，然后在丙酮介質(zhì)中超聲波清洗30min，烘干備用；
[0033]S02，表面織構(gòu)化加工:采用超音速微粒轟擊設(shè)備對(duì)基體表面進(jìn)行織構(gòu)化加工，微粒為Si02球形粒子，直徑為0.5?Imm ;載氣為高純氬氣，純度為99.9% ;轟擊速度由氣體壓力調(diào)節(jié)，氣體壓力為1.2MPa，轟擊時(shí)間為5min，加工后在丙酮介質(zhì)中超聲波清洗30min并干燥；
[0034]S03，氮化層的制備:采用活化屏輔助輝光離子氮化的方法制備TiN滲層。圓柱形活化屏由工業(yè)純鈦TA2薄板制成，作為輔助陰極，板厚為0.5mm，圓形孔徑為5mm，孔間距為2.5mm ;將清洗好的織構(gòu)化基片置入活化屏中的載物臺(tái)，并與輔助陰極保持絕緣；然后開(kāi)始輝光離子氮化處理，主要工藝參數(shù)為:滲氮溫度:850°C，真空度:6.2Pa，保溫時(shí)間8小時(shí)，交流電流23A，直流電流15A，電壓800V，氮源:99.99%的高純氮?dú)?；處理完畢后，關(guān)閉設(shè)備，氮?dú)獗Ｗo(hù)隨爐冷至室溫。
[0035]本實(shí)施例制備的氮化鈦膜層由均勻分布的微凹坑織構(gòu)組成，部分織構(gòu)尚未成型完整；膜層純度很高，結(jié)晶良好。
[0036]實(shí)施例2:
[0037]如圖1(b)?2所示，微納織構(gòu)化氮化鈦固體潤(rùn)滑膜的制備方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0038]S01，基體的前處理:將TA2工業(yè)純鈦線切割