自润滑复合涂层、涂层制备方法以及具有该涂层的制品

摘要

本发明公开了一种自润滑复合涂层、涂层制备方法以及具有该涂层的制品。本发明的自润滑复合涂层包括若干个AlSn20Cu层和若干个MoS

说明书

技术领域

本发明涉及表面涂层技术领域，尤其涉及一种自润滑复合涂层、涂层制备方法以及具有该涂层的制品。

背景技术

轴瓦作为柴油机系统的重要传动、承力部件之一，其服役工况逐渐向高速、高承载、低能耗、大功率发展，因此对轴瓦性能要求也越来越苛刻。磁控溅射方法制备的AlSn20Cu轴瓦作为一种新型环保(无铅化)轴瓦在承载能力、抗咬合性能方面都具有无可比拟的优势，同时作为国际上先进的轴瓦涂层广泛的应用于大功率密度和高可靠性的柴油机轴瓦。

然而，发动机在实际运行过程中经常会处于启停或瞬时加速状态，此时曲轴与轴瓦之间的润滑油膜不能及时形成，因此轴瓦摩擦表面会不可避免的处于乏油或干摩擦状态，需要轴瓦减摩层在此服役环境中具有较好的自润滑性能。AlSn20Cu涂层虽然在油润滑条件下具有高承载力及优异的摩擦学性能，但其在乏油或干摩擦状态下摩擦系数依然较高，很容易发生高的磨损，反复的启停状态容易降低轴瓦服役寿命。目前国内有关AlSn20Cu涂层的研究主要集中在其制备方法及其产业化方面，针对其本身自润滑性能的改善鲜有报道。同时实验过程中采用的AlSnCu合金靶中元素组分已固定，导致制备的薄膜材料中不同元素含量可调范围很小，工艺调整和优化难度大，制备涂层致密性较差、沉积速率较慢。因此，对于目前用于轴瓦上的AlSn20Cu涂层及其制备方法，有待于做进一步改进。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种自润滑复合涂层。

本发明的目的之二在于提供一种自润滑复合涂层制备方法。

本发明的目的之三在于提供一种表面镀有自润滑复合涂层的制品。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种自润滑复合涂层，包括若干个AlSn20Cu层和若干个MoS₂层，所述AlSn20Cu层与所述MoS₂层交替设置。

进一步地，所述AlSn20Cu层的厚度为1μm～3μm，所述MoS₂层的厚度为0.5μm～0.8μm。

进一步地，所述自润滑复合涂层还包括设置在最内侧的Ni栅层，与所述Ni栅层相邻的为所述AlSn20Cu层，所述自润滑复合涂层的最外层为AlSn20Cu层。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种自润滑复合涂层制备方法，包括以下步骤：

靶材选择步骤：选用两个AlSn20Cu合金靶接中频交流溅射电源，选用MoS₂靶、Ni靶分别接脉冲直流偏压电源；

样品预处理步骤：清洗样品，去除样品表面的吸附物；

沉积Ni栅层步骤：将样品置于镀膜设备的样品台上，镀膜设备腔体内为Ar气气氛，调节Ar气使腔体内气压保持在3×10^-3Pa～5×10^-3Pa，基底偏压调节至100～300V，沉积温度为100～200℃，样品台公转速度设为5～10转/分，打开Ni靶在样品表面沉积Ni栅层，沉积时间为20～40分钟；

涂层沉积步骤：关闭Ni靶，将腔室内气压调至0.2～0.5Pa，启动AlSn20Cu靶在样品表面沉积AlSn20Cu层，AlSn20Cu靶电流调制3～6A，一段时间后关闭AlSn20Cu靶，开启MoS₂靶在样品表面沉积MoS₂层，MoS₂靶电流调制1～1.5A，一段时候后关闭MoS₂靶、开启AlSn20Cu靶再在样品表面沉积AlSn20Cu层，重复上述过程，在样品表面交替沉积9～13层AlSn20Cu层和MoS₂层，并使得最上面的镀层为AlSn20Cu层。

进一步地，在靶材选择步骤中，AlSn20Cu合金靶的Al、Sn和Cu重量百分比分别为79％、20％和1％，MoS₂靶、Ni靶的纯度不小于99.99％。

进一步地，样品预处理步骤具体为：将抛光、清洗后的样品放入镀膜设备的腔体后抽真空到0.5×10^-3～2×10^-3Pa，向镀膜腔室内通入Ar气，使腔室内真空度保持在1～1.6Pa，同时加偏压为-600V～-800V，占空比为40％～60％，对样品表面进行清洁，清洁时间为30分钟。

进一步地，涂层沉积步骤结束后，依次关闭AlSn20Cu合金靶、MoS₂靶，关闭加热电源，通入Ar气冷却，待样品冷却后取出。

进一步地，涂层沉积步骤中，控制AlSn20Cu层的厚度在1μm～3μm，控制MoS₂层的厚度在0.5μm～0.8μm。

本发明的目的之三采用如下技术方案实现：

一种表面镀有自润滑复合涂层的制品，所述自润滑复合涂层包括多个AlSn20Cu层和多个MoS₂层，所述AlSn20Cu层与所述MoS₂层交替设置。

进一步地，所述AlSn20Cu层的厚度为1μm～3μm，所述MoS₂层的厚度为0.5μm～0.8μm。

进一步地，所述自润滑复合涂层还包括设置在最内侧的Ni栅层，与所述Ni栅层相邻的为所述AlSn20Cu层，所述自润滑复合涂层的最外层为AlSn20Cu层。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的自润滑复合涂层在原有的AlSn20Cu涂层中引入MoS₂润滑层，使得涂层成分多元化、结构多元化，能够有效降低涂层的应力，提高膜基结合力，此外，MoS₂相的引入可以在不改变AlSn20Cu涂层原有润滑性能的同时极大地改善其在乏油及干摩擦环境中的摩擦学性能；

(2)本发明提供的自润滑复合涂层制备方法，在磁控溅射沉积过程中，MoS₂层的沉积会不断打断AlSn20Cu涂层组织的生长，使涂层制备处于一种不断重新开始的过程，从而形成了均一、致密的涂层结构，制得的自润滑复合涂层抗疲劳强度好，并在多种环境中(富油、乏油以及干摩擦环境)均具有优异的摩擦学性能；

(3)由于AlSn20Cu涂层是软膜，许多硬质润滑相的引入很有可能会作为硬质点与轴承发生强烈的刮擦，迅速失去运行能力，针对这种情况，为了解决AlSn20Cu减磨层在乏油及干摩擦环境中摩擦学性能差的问题，而又不牺牲其本身的特性，本发明引入了软的润滑相MoS₂使原有成分及结构多元化，从而大大改善了原涂层的摩擦性能，扩大了AlSn20Cu减磨层的服役范围；

(4)本发明提供的自润滑复合涂层制备方法，其靶材价廉、制备工艺稳定易控，具有良好的适用性。

附图说明

图1为本发明的自润滑复合涂层制备方法中镀膜腔室的示意图；

图2为本发明的实施例1、实施例3的自润滑复合涂层的结构示意图。

图3为本发明的实施例2的自润滑复合涂层的结构示意图。

图中：1、AlSn20Cu合金靶；2、AlSn20Cu合金靶；3、Ni靶；4、MoS₂靶；5、真空泵；6、氩气通道；7、样品台；100、基材；200、Ni栅层；1a、2a、3a、4a、5a、6a：AlSn20Cu层；1b、2b、3b、4b、5b：MoS₂层。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图2、3所示，本发明提供一种自润滑复合涂层，适于设置在一基材100上，自润滑复合涂层包括多个AlSn20Cu层1a、2a、3a、4a、5a......和多个MoS₂层1b、2b、3b、4b、5b......，AlSn20Cu层与MoS₂层交替设置。AlSn20Cu层的厚度为1μm～3μm，MoS₂层的厚度为0.5μm～0.8μm。

自润滑复合涂层还包括设置在最内层的Ni栅层200，Ni栅层200直接设置于基材100上，然后AlSn20Cu层与MoS₂层交替设置在Ni栅层200外。

自润滑复合涂层最外侧为AlSn20Cu层。

上述自润滑复合涂层的制备方法包括以下步骤：

靶材选择步骤：选用AlSn20Cu合金靶为中频交流溅射靶材，其中Al、Sn和Cu的重量百分比分别为79％、20％和1％，分别选用纯度不小于99.99％的MoS₂靶、Ni靶作为脉冲直流溅射靶材；

样品预处理步骤：将待镀膜样品放入镀膜设备腔体内，将腔体抽真空到0.5×10^-3～2×10^-3Pa，向镀膜腔体内通入Ar气，使腔体内的真空度保持在1～1.6Pa，同时加偏压-600V～-800V，占空比为40％～60％，以除去样品表面存在的灰尘以及吸附物，清洗时间为30分钟；

沉积Ni栅层步骤：调节Ar气使腔体内气压保持在3×10^-3Pa～5×10^-3Pa，基底偏压调节至100～300V，沉积温度为100～200℃，同时样品台公转速度设为5～10转/分，打开Ni靶用于沉积Ni栅层，沉积时间设为20～40分钟；

涂层沉积步骤：关闭Ni靶，将腔室内气压调至0.2～0.5Pa，启动AlSn20Cu靶在样品表面沉积AlSn20Cu层，AlSn20Cu靶电流调制3～6A，一段时间后关闭AlSn20Cu靶、开启MoS₂靶在样品表面沉积MoS₂层，MoS₂靶电流调制1～1.5A，一段时候后关闭MoS₂靶、开启AlSn20Cu靶再在样品表面沉积AlSn20Cu层，重复上述过程，在样品表面交替沉积9～13层AlSn20Cu层和MoS₂层，并使得最上面一层为AlSn20Cu层，在整个薄膜沉积过程中，控制AlSn20Cu层的厚度为1μm～3μm，控制MoS₂层的厚度为0.5μm～0.8μm；

取样步骤：依次关闭AlSnCu合金靶、MoS₂靶，关闭加热电源，通入Ar气冷却，待样品冷却后依次关闭气体、镀膜设备，打开腔室，取出镀膜样品。

图1显示了镀膜腔室的示意图。待镀膜的样品放置于腔室中部的样品台7上；两个AlSn20Cu合金靶1、2，一个Ni靶3，一个MoS₂靶4依次设于样品的四周；真空泵5用于控制腔室内的真空度；Ar气通过氩气通道6进入腔室。

实施例1

提供一种用于轴瓦上的自润滑复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

靶材选择步骤：选用AlSn20Cu合金靶为中频交流溅射靶材，其中Al、Sn和Cu的重量百分比分别为79％、20％和1％，分别选用纯度不小于99.99％的MoS₂靶、Ni靶作为脉冲直流溅射靶材；

样品预处理步骤：选取钢/CuPb22Sn4轴瓦毛坯，轴瓦毛坯依次在超纯水、乙醇、丙酮中超声清洗15分钟，随后用N₂吹干放入镀膜腔室；将抛光、清洗后的轴瓦样品放置到镀膜设备的腔体内后抽真空到0.5×10^-3～2×10^-3Pa，向镀膜腔室内通入氩气，使其腔室内真空度保持在1～1.6Pa的真空气压，同时加偏压为-600V～-800V，占空比为40％～60％，除去样品表面存在的灰尘及吸附物，清洗时间为30分钟；

沉积Ni栅层步骤：调节Ar气使腔体内气压保持在3×10^-3Pa～5×10^-3Pa，基底偏压调节至100～300V，沉积温度为100～200℃，同时样品台公转速度设为5～10转/分，此时打开Ni靶沉积Ni栅层，沉积时间设为20～40分钟；

涂层沉积步骤：关闭Ni靶，将腔室内气压调至0.2～0.5Pa，启动AlSn20Cu靶在样品表面沉积AlSn20Cu层，AlSn20Cu靶电流调制3～6A，一段时间后关闭AlSn20Cu靶，开启MoS₂靶在样品表面沉积MoS₂层，MoS₂靶电流调制1～1.5A，一段时候后关闭MoS₂靶，开启AlSn20Cu靶再在样品表面沉积AlSn20Cu层，重复上述过程，在样品表面交替沉积9层AlSn20Cu层和MoS₂层，并使得最上面的镀层为AlSn20Cu层，在整个薄膜沉积过程中，控制AlSn20Cu层的厚度为1μm～3μm，控制MoS₂层的厚度为0.5μm～0.8μm；

取样步骤：薄膜沉积完毕，依次关闭AlSnCu合金靶、MoS₂靶，关闭加热电源，通入Ar气冷却。待基底冷却后依次关闭气体、镀膜设备。打开腔室，取出镀膜样品。

实施例1中，轴瓦基底表面共有10层镀膜，其中最下面一层为Ni栅层，然后为交替沉积的AlSn20Cu涂层和MoS₂润滑层，如图2所示，第一层AlSn20Cu层1a的厚度为2.5μm，第一层MoS₂层1b的厚度为0.8μm；第二层AlSn20Cu层2a的厚度为2.7μm，第二层MoS₂层2b的厚度为0.8μm；第三层AlSn20Cu层3a厚度为2.6μm，第三层MoS₂层3b的厚度为0.8μm；第四层AlSn20Cu层4a厚度为2.5μm，第四层MoS₂层4b的厚度为0.8μm；最上面一层AlSn20Cu层5a的厚度为2.6μm。

实施例1中，镀膜涂层的总厚度为16.1μm；通过结合力测试发现当加载60Kg时，洛氏压坑结合力达到一级；在10g载荷下，显微硬度大于138Kg/mm²；实施例1制备的涂层在乏油状态摩擦系数低至0.07，干摩擦条件下摩擦系数为0.1，磨损率达到10^-5量级，也即AlSn20Cu涂层在干摩擦环境中的摩擦学性能(摩擦系数为0.15，磨损率为10^-3量级)得到极大的改善。以上结果表明，本发明的镀膜涂层对于提高钢/CuPb22Sn4基体的机械及摩擦学性能十分有效。

实施例2

提供一种用于轴瓦上的自润滑复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

靶材选择步骤：选用AlSn20Cu合金靶为中频交流溅射靶材，其中Al、Sn和Cu的重量百分比分别为79％、20％和1％，分别选用纯度不小于99.99％的MoS₂靶、Ni靶作为脉冲直流溅射靶材；

样品预处理步骤：选取钢/CuPb22Sn4轴瓦毛坯，轴瓦毛坯依次在超纯水、乙醇、丙酮中超声清洗15分钟，随后用N₂吹干放入镀膜腔室；将抛光、清洗后的轴瓦样品放置到镀膜设备的腔体内后抽真空到0.5×10^-3～2×10^-3Pa，向镀膜腔室内通入氩气，使其腔室内真空度保持在1～1.6Pa的真空气压，同时加偏压为-600V～-800V，占空比为40％～60％，除去样品表面存在的灰尘及吸附物，清洗时间为30分钟；

沉积Ni栅层步骤：调节Ar气使腔体内气压保持在3×10^-3Pa～5×10^-3Pa，基底偏压调节至100～300V，沉积温度为100～200℃，同时样品台公转速度设为8～10转/分，此时打开Ni靶沉积Ni栅层，沉积时间设为20～40分钟；

涂层沉积步骤：关闭Ni靶，将腔室内气压调至0.2～0.5Pa，启动AlSn20Cu靶在样品表面沉积AlSn20Cu层，AlSn20Cu靶电流调制3～6A，一段时间后关闭AlSn20Cu靶、开启MoS₂靶在样品表面沉积MoS₂层，MoS₂靶电流调制1～1.5A，一段时候后关闭MoS₂靶、开启AlSn20Cu靶再在样品表面沉积AlSn20Cu层，重复上述过程，在样品表面交替沉积11层AlSn20Cu层和MoS₂层，并使得最上面的镀层为AlSn20Cu层，在整个薄膜沉积过程中，控制AlSn20Cu层的厚度为1μm～3μm，控制MoS₂层的厚度为0.5μm～0.8μm；

取样步骤：薄膜沉积完毕，依次关闭AlSnCu合金靶、MoS₂靶，关闭加热电源，通入Ar气冷却。待基底冷却后依次关闭气体、镀膜设备。打开腔室，取出镀膜样品。

实施例2中，轴瓦基底表面共有12层镀膜，其中最下面一层为Ni栅层，然后为交替沉积的AlSn20Cu涂层和MoS₂润滑层，如图3所示，第一层AlSn20Cu层1a的厚度为2.1μm，第一层MoS₂层1b的厚度为0.8μm；第二层AlSn20Cu层2a的厚度为2.3μm，第二层MoS₂层2b的厚度为0.8μm；第三层AlSn20Cu层3a厚度为2.2μm，第三层MoS₂层3b的厚度为0.8μm；第四层AlSn20Cu层4a厚度为2.2μm，第四层MoS₂层4b的厚度为0.8μm；第五层AlSn20Cu层5a的厚度为2.1μm，第五层MoS₂层5b的厚度为0.8μm；最上面一层AlSn20Cu层6a的厚度为2.5μm。

实施例2中，镀膜涂层的总厚度为17.4μm；通过结合力测试发现当加载60Kg时，洛氏压坑结合力达到一级；在10g载荷下，显微硬度大于136Kg/mm²；实施例2制备的涂层在乏油状态摩擦系数低至0.07，干摩擦条件下摩擦系数为0.11，磨损率达到10^-5量级，也即AlSn20Cu涂层在干摩擦环境中的摩擦学性能(摩擦系数为0.15，磨损率为10^-3量级)得到极大的改善。以上结果表明，本发明的镀膜涂层对于提高钢/CuPb22Sn4基体的机械及摩擦学性能十分有效。

实施例3

提供一种用于轴瓦上的自润滑复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

靶材选择步骤：选用AlSn20Cu合金靶为中频交流溅射靶材，其中Al、Sn和Cu的重量百分比分别为79％、20％和1％，分别选用纯度不小于99.99％的MoS₂靶、Ni靶作为脉冲直流溅射靶材；

样品预处理步骤：选取钢/AlZn4SiPb轴瓦毛坯，轴瓦毛坯依次在超纯水、乙醇、丙酮中超声清洗15分钟，随后用N₂吹干放入镀膜腔室；将抛光、清洗后的轴瓦样品放置到镀膜设备的腔体内后抽真空到0.5×10^-3～2×10^-3Pa，向镀膜腔室内通入氩气，使其腔室内真空度保持在1～1.6Pa的真空气压，同时加偏压为-600V～-800V，占空比为40％～60％，除去样品表面存在的灰尘及吸附物，清洗时间为30分钟；

沉积Ni栅层步骤：调节Ar气使腔体内气压保持在3×10^-3Pa～5×10^-3Pa，基底偏压调节至100～300V，沉积温度为100～200℃，同时样品台公转速度设为5～10转/分，此时打开Ni靶沉积Ni栅层，沉积时间设为20～40分钟；

涂层沉积步骤：关闭Ni靶，将腔室内气压调至0.2～0.5Pa，启动AlSn20Cu靶在样品表面沉积AlSn20Cu层，AlSn20Cu靶电流调制3～6A，一段时间后关闭AlSn20Cu靶，开启MoS₂靶在样品表面沉积MoS₂层，MoS₂靶电流调制1～1.5A，一段时候后关闭MoS₂靶，开启AlSn20Cu靶再在样品表面沉积AlSn20Cu层，重复上述过程，在样品表面交替沉积9层AlSn20Cu层和MoS₂层，并使得最上面的镀层为AlSn20Cu层，在整个薄膜沉积过程中，控制AlSn20Cu层的厚度为1μm～3μm，控制MoS₂层的厚度为0.5μm～0.8μm；

取样步骤：薄膜沉积完毕，依次关闭AlSnCu合金靶、MoS₂靶，关闭加热电源，通入Ar气冷却。待基底冷却后依次关闭气体、镀膜设备。打开腔室，取出镀膜样品。

实施例3中，轴瓦基底表面共有10层镀膜，其中最下面一层为Ni栅层，然后为交替沉积的AlSn20Cu涂层和MoS₂润滑层，如图2所示，第一层AlSn20Cu层1a的厚度为2.5μm，第一层MoS₂层1b的厚度为0.8μm；第二层AlSn20Cu层2a的厚度为2.7μm，第二层MoS₂层2b的厚度为0.8μm；第三层AlSn20Cu层3a厚度为2.6μm，第三层MoS₂层3b的厚度为0.8μm；第四层AlSn20Cu层4a厚度为2.5μm，第四层MoS₂层4b的厚度为0.8μm；最上面一层AlSn20Cu层5a的厚度为2.6μm。

实施例3中，镀膜涂层的总厚度为16.1μm；通过结合力测试发现当加载60Kg时，洛氏压坑结合力达到一级；在10g载荷下，显微硬度大于130Kg/mm²；实施例3制备的涂层在乏油状态摩擦系数低至0.08，干摩擦条件下摩擦系数为0.12，磨损率达到10^-5量级，也即AlSn20Cu涂层在干摩擦环境中的摩擦学性能(摩擦系数为0.15，磨损率为10^-3量级)得到极大的改善。以上结果表明，本发明的镀膜涂层对于提高钢/AlZn4SiPb基体的机械及摩擦学性能十分有效。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。