一種高硬度、低摩擦系數(shù)、低磨損率的固體自潤滑涂層的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于固體潤滑涂層領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明提供了一種低摩擦系數(shù)兼具高硬 度的固體自潤滑涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代加工制造業(yè)的發(fā)展，越來越多的物件需要摩擦處于超高溫、超低溫、高負(fù) 荷、高真空、強(qiáng)輻射和高速運(yùn)動等特殊工況下工作，因此對潤滑材料提出了苛刻的要求。傳 統(tǒng)的潤滑油、潤滑脂由于環(huán)境污染大、易揮發(fā)、不能用于真空環(huán)境等缺點(diǎn)而難以滿足特殊工 況下的使用要求，因此開發(fā)固體潤滑涂層具有重要意義。
[0003] 固體潤滑涂層是指涂層在無潤滑液或潤滑脂存在的情況下涂層本身具有較好的 潤滑性能（性能指標(biāo)為低摩擦系數(shù)，低磨損率）從而實(shí)現(xiàn)在特殊工況下的使用。固體潤滑 涂層一般由較軟的金屬如Ag、Pb、Sn、In等，或由層狀結(jié)構(gòu)的石墨、MoS 2、WS2、MoSe2、WSe2、 BN等，以及部分金屬氧化物、氟化物、磷酸鹽等潤滑材料組成。這些潤滑材料一般都較軟，摩 擦過程中這些潤滑材料不但可以粘著在物件或工件的表面形成固體潤滑膜，而且可以在對 偶材料表面形成轉(zhuǎn)移膜，使摩擦發(fā)生在潤滑劑內(nèi)部來減少摩擦、降低磨損，從而起到潤滑作 用。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)是利用鍍膜技術(shù)將這些潤滑材料單一或者組合地沉積在工件的表面形 成潤滑涂層來改善摩擦表面的潤滑性能，但該種方法對基體或者工件表面要求很嚴(yán)格，要 求基體或工件表面具有較高的硬度。如果基體硬度低，摩擦表面在承載力的作用下會發(fā)生 微凸起而穿透較軟的潤滑涂層，使得與基體之間發(fā)生摩擦作用，潤滑涂層不會起到任何作 用。因此固體潤滑的關(guān)鍵之處就是在硬質(zhì)基體上形成一層較軟的潤滑涂層，簡稱為"軟+ 硬"結(jié)構(gòu)。如Wang通過磁控濺射法在洛氏硬度為42的碳素鋼上沉積了一層WS 2-Ag的納米 復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)具有一定的摩擦性能。
[0005] 雖然上述固體潤滑涂層技術(shù)得到了較大的發(fā)展，但是對涂層基體或者工件材料的 選擇要求很嚴(yán)，基體或者工件材料必須具備較高的硬度。為了克服這種技術(shù)不足，拓寬固體 潤滑涂層的適用范圍。如美國專利US4826365、US8349474B2等文獻(xiàn)等都是在硬質(zhì)涂層上沉 積一層潤滑層或制備潤滑層與硬質(zhì)層的多層或疊層結(jié)構(gòu)，利用潤滑層的潤滑性和硬質(zhì)層的 抗承載性相結(jié)合的辦法來克服上述不足，但該方法制備工藝復(fù)雜、設(shè)備要求高、重復(fù)性差、 涂層價(jià)格成本高。其次，這種"軟+硬"的多層或疊層結(jié)構(gòu)的固體自潤滑涂層，較軟的潤滑 層很容易在摩擦過程中被消耗，而導(dǎo)致涂層潤滑性差磨損率高、不耐磨。
[0006] 綜上所述，本領(lǐng)域尚缺乏一種固體自潤滑涂層，該涂層自身就具有較高的硬度和 兼具較好的潤滑性能，并且制備工藝簡單，能在多種基體或工件表面作為耐磨潤滑涂層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種新的性能優(yōu)異的固體自潤滑涂層及其制備方法。
[0008] 本發(fā)明的第一方面提供了一種固體自潤滑涂層，所述涂層包含硬質(zhì)相TiB2和潤滑 相 ws2。
[0009] 在另一優(yōu)選例中，所述的固體潤滑涂層呈纖維狀生長結(jié)構(gòu)，涂層致密，電阻率范圍 為 70 μ Ω · cm ~135 μ Ω · cm。
[0010] 在另一優(yōu)選例中，基于固體自潤滑涂層的總原子數(shù)，所述的固體潤滑涂層各元素 的原子百分比為：
[0011] 16. 5at % ~24. 5at % 的 Ti ;
[0012] 47. lat % ~67. 7at % 的 B ;
[0013] 5. 5at%~14. Oat%的 W ;
[0014] 1. 7at%~5. 8at% 的 S。
[0015] 在另一優(yōu)選例中，其他雜質(zhì)（或雜質(zhì)元素）含量為1. 7at%~5. 8at%。
[0016] 在另一優(yōu)選例中，所述的雜質(zhì)元素包括0, H，C。
[0017] 在另一優(yōu)選例中，所述的固體潤滑涂層硬質(zhì)相的TiB2占整個(gè)涂層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 40wt% ~63wt%。
[0018] 在另一優(yōu)選例中，本發(fā)明所述的固體潤滑涂層中硬質(zhì)相TiB2為晶體結(jié)構(gòu)，潤滑相 ws2為非晶結(jié)構(gòu)。
[0019] 在另一優(yōu)選例中，所述的固體潤滑涂層中硬質(zhì)相TiB2晶粒尺寸在50nm~100nm。
[0020] 在另一優(yōu)選例中，所述的硬質(zhì)相TiB2的顆粒由多個(gè)晶粒組成，其中晶粒的尺寸為 20nm ~100nm，優(yōu)選為 20nm ~40nm。
[0021] 在另一優(yōu)選例中，利用X射線衍射法在2 Θ =20°~70°范圍內(nèi)測試該固體潤滑 涂層在28. 5。和58. 5。有TiB2的衍射峰（0001)和（0002)。
[0022] 在另一優(yōu)選例中，所述的固體自潤滑涂層的X射線衍射圖如圖4所示或基本如圖 4所示，優(yōu)選為圖4(b)或4(c)所示的結(jié)構(gòu)。
[0023] 在另一優(yōu)選例中，所述的固體自潤滑涂層具有以下一個(gè)或多個(gè)特征：
[0024] (a)涂層厚度 1·5μηι ~4·5μηι;
[0025] (b)涂層電阻率范圍為70 μ Ω · cm~200 μ Ω · cm,較佳地為70 μ Ω · cm~ 135 μ Ω . cm ；
[0026] (c)涂層的表面粗糙度Ra蘭10nm，優(yōu)選為Ra蘭5nm ;
[0027] (d)涂層的表面形貌利用原子力掃描電鏡掃描，呈現(xiàn)如圖3(a)或3(b)所示或基本 上如圖3(a)或3(b)所示，優(yōu)選為圖3(a)所示的形貌。
[0028] 在另一優(yōu)選例中，固體自潤滑涂層的摩擦性能表現(xiàn)在摩擦系數(shù)為0. 1-0. 6,較佳地 為 0. 15-0. 5,更佳地為 0. 2-0. 4。
[0029] 在另一優(yōu)選例中，固體自潤滑涂層的耐磨性表現(xiàn)在磨損率為1.0X10 17至 8. 0 X 10 16m3/N · m，較佳地為 2. 0 X 10 17 至 5. 0 X 10 16m3/N · m。
[0030] 其中，所述摩擦系數(shù)和磨損率的測試采用往復(fù)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)（UMT-3摩擦磨 損機(jī)CETR，美國），測量參數(shù)設(shè)為：對偶球?yàn)橹睆?mm的A1 203球，載荷為2N，磨損路程為 102m，速度為50mm/s,往復(fù)周期為10200轉(zhuǎn)。
[0031] 在另一優(yōu)選例中，所述磨損率是在環(huán)境相對濕度為50%條件下測定的。
[0032] 在另一優(yōu)選例中，所述磨損率是1. 0 X 10 16至9. 0 X 10 15m3/N · m，較佳地為 2.0父1016至5.0\10151113/^*111，并且磨損率是在環(huán)境相對濕度為30%條件下測定的。
[0033] 本發(fā)明的第二方面提供了一種制備本發(fā)明的第一方面所述的固體自潤滑涂層的 方法，包括步驟：
[0034] ⑴提供一基材、TiB2陶瓷靶和WS2靶；
[0035] (ii)抽真空處理，達(dá)到所需的背底真空條件后，采用雙靶共濺射法，將來自1^2靶 的Ti、B和來自WS 2靶的W、S共濺射并沉積于所述的基材上，形成如所述的固體自潤滑涂層。
[0036] 在另一優(yōu)選例中，所述的固體自潤滑涂層復(fù)合形成于基材上。
[0037] 在另一優(yōu)選例中，所述基材為工件。
[0038] 在另一優(yōu)選例中，所述的基材選自下組：金屬、合金、陶瓷及硬質(zhì)塑料。
[0039] 在另一優(yōu)選例中，所述的基材為經(jīng)清洗的基材。
[0040] 在另一優(yōu)選例中，所述的TiB2革巴源選自下組x，X = 0. 2~0. 4。
[0041] 在另一優(yōu)選例中，所述的WS2革巴源選自下組：評為y，y = 0. 3~0. 5。
[0042] 在另一優(yōu)選例中，沉積氣壓為0· 2Pa~1. 2Pa，優(yōu)選為0· 2Pa~0· 6Pa。
[0043] 在另一優(yōu)選例中，基體溫度為200°C~700°C，優(yōu)選為300°C~500°C。
[0044] 在另一優(yōu)選例中，基體負(fù)偏壓為-30V~-60V。
[0045] 在另一優(yōu)選例中，所述基體清洗的方法為化學(xué)清洗和/或等離子體輝光清洗。
[0046] 化學(xué)清洗：將基體或工件依次放入濃度為30%~60%去污粉溶液、丙酮、無水乙 醇、去離子水中各超聲清洗10~20min，然后在溫度為80°C~KKTC的干燥箱里干燥1~ 2h或采用純度為99. 99%的高純N2吹干。
[0047] 等離子體輝光清洗：將化學(xué)清洗好后的基體或工件放入真空室中可旋轉(zhuǎn)的基體架 上，當(dāng)真空室的背底壓強(qiáng)小于等于1 X 10 3Pa后，充入氬氣并將氣壓控制在IPa~3Pa左右， 然后開啟射頻電源（功率100~200W，頻率40-70MHZ)和基底偏壓（-100~-250V)，利用 氬氣產(chǎn)生的等離子體對基底刻蝕10~20min，使得基底表面附著的水分子、氣體分子或者 微塵顆粒被完全刻蝕掉。
[0048] 在另一優(yōu)選例中，在已清洗的基材表面首先沉積中間過渡層，再通過上述雙靶共 濺射法在所述的過渡層表面沉積一層TiB2-WS2固體潤滑涂層，所述的中間過渡層選自以下 組分中的至少一種：Ti、Al、Ni。
[0049] 在另一優(yōu)選例中，TiB2靶濺射功率密度為：2. 5~4. 7W/cm2, WS2靶濺射功率密度 為：0· 2 ~2. 5W/cm2。
[0050] TiB2陶瓷靶和WS2靶的濺射功率密度與所述TiB2_WS2固體潤滑涂層中的TiB 2硬質(zhì) 相和WS2潤滑相的兩相比例組成有關(guān)，進(jìn)而會影響該固體潤滑涂層的結(jié)構(gòu)。
[0051] 本發(fā)明的第三方面提供了一種耐磨材料。所述的耐磨材料含有基材，以及位于所 述基材上的如本發(fā)明第一方面所述的固體自潤滑涂層。
[0052] 本發(fā)明的第四方面提供了一種制品。所述制品含有如本發(fā)明第一方面所述的固體 自潤滑涂層。
[0053] 在另一優(yōu)選例中，所述的制品包括軸承、活塞以及需要固體潤滑的制品。
[0054] 應(yīng)理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)中，本發(fā)明的上述各技術(shù)特征和在下文（如實(shí)施例）中具 體描述的各技術(shù)特征之間都可以互相組合，從而構(gòu)成新的或優(yōu)選的技術(shù)方案。限于篇幅，在 此不再一一累述。
【附圖說明】
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