CN108950517B - 一种铝合金基体表面的耐磨润滑涂层及其制备方法 - Google Patents

一种铝合金基体表面的耐磨润滑涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种铝合金基体表面的耐磨润滑涂层及其制备方法。该涂层具有双层结构，下层是位于铝合金基体表面的氧化硅复合类金刚石涂层，上层是位于下层表面的类金刚石涂层。该涂层与基体具有良好的结合力，并且具有良好的表面耐磨性，对磨副采用GCr15钢材，在5N载荷，5Hz滑动频率下，经过20min摩擦，本发明涂层的摩擦系数稳定在0.08‑0.12。

Description

一种铝合金基体表面的耐磨润滑涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于材料表面涂层技术领域，尤其涉及一种铝合金基体表面的耐磨润滑涂层及其制备方法。
背景技术
铝合金材料质量约为同等体积钢材的1/3，满足轻量化需求，且加工性能优异，目前已广泛应用于航空航天、车辆工程等各个领域。然而，铝合金材料的耐磨性较差，在满足制件的耐磨性能方面有所不足，故一般需首先对其进行表面强化处理。
类金刚石(DLC)涂层具有高硬度、低摩擦系数、良好的耐蚀性、光学透过性和生物相容性等诸多优异的性能，因此是近年来广泛研究和开发应用的具有广阔产业化前景的一种新型碳基功能材料。尤其是其具有高硬度和低摩擦系数，在工、模具表面改性和微电子机械系统等领域的应用更显突出。但是，类金刚石涂层制备过程中往往伴随产生高的残余应力，高残余应力的存在易造成膜基结合力下降，出现涂层开裂、剥落和失效，降低其使用寿命。尤其对于铝合金基体材料，除了类金刚石涂层自身的高应力之外，由于铝合金与类金刚石涂层之间的硬度差异很大，热膨胀系数不匹配，导致二者之间的结合更加困难，从而造成涂层无法发挥作用。
发明内容
本发明的技术目的是针对铝合金材料耐磨性的不足，提供一种铝合金基体表面的耐磨润滑涂层。
本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：
一种铝合金基体表面的耐磨润滑涂层，具有双层结构，下层位于铝合金基体表面，上层位于下层表面，下层为氧化硅复合类金刚石涂层，上层为类金刚石涂层。
所述的下层厚度优选为100纳米～500纳米，更优选为200纳米～300纳米。
所述的上层厚度优选为1微米～5微米，更优选为1.5微米～3微米。
所述的铝合金基体材料包括纯铝材料，以及铝与其他金属构成的合金材料。
与现有技术相比，本发明涂层采用双层结构，具有如下有益效果：
该涂层的性能表现为：
(1)在铝合金基体与类金刚石涂层之间采用氧化硅复合类金刚石涂层作为过渡层，能够显著降低类金刚石涂层内应力和硬度，从而与铝合金软基体之间有更好的匹配性，保证涂层与基体之间良好的结合力；
(2)类金刚石涂层具有更高的硬度，采用类金刚石涂层作为表层，能够使得涂层具有更高的硬度；
(3)试验证实，当对磨副采用GCr15钢材，在5N载荷，5Hz滑动频率下，本发明的涂层经过20min摩擦，涂层的摩擦系数稳定在0.08-0.12范围；通过优化双层结构的硬度及厚度，能够进一步显著提高铝合金基体表面的耐磨性，尤其是当下层厚度优选为200纳米～300纳米，硬度优选为13～15GPa，上层厚度优选为1.5微米～3微米，硬度优选为20～25GPa时，当对磨副采用GCr15钢材，在5N载荷，5Hz滑动频率下，本发明的涂层经过20min摩擦，涂层的摩擦系数稳定在0.1。
本发明还提供了一种制备上述铝合金基体表面的耐磨润滑涂层的方法，包括如下步骤：
(1)真空腔体中包含两个相对的极板，其中一个极板与腔体相连接并接地，另一个极板连接射频电源，将铝合金基体固定在与射频电源相连接的极板上；将腔体抽真空后向通入氩气，使气压为0.5pa～3pa，打开射频电源，采用射频电源使气体产生电离，对铝合金基体进行刻蚀清洗；
(2)关闭射频电源，停止向腔体通入氩气，向腔体通入六甲基二硅氧烷气体，使气压为0.5pa～3pa，打开射频电源，采用射频电源使气体产生电离，在铝合金基体表面沉积氧化硅复合类金刚石涂层；
(3)关闭射频电源，停止向腔体通入六甲基二硅氧烷气体，向腔体中通入乙炔气体，使气压为0.5pa～3pa，打开射频电源，采用射频电源使气体产生电离，在铝合金基体表面沉积类金刚石涂层。
所述的步骤中(1)中，作为优选，腔体抽真空至低于5.0×10-3Pa。
所述的步骤中(1)中，作为优选，刻蚀时间为5min～10min。
所述的步骤中(1)中，与腔体相连接的极板可以为平面、套筒形或柱形。所述的平面极板适用于长径比小的铝合金基体；所述的套筒形极板适用于长径比大的铝合金基体；所述的柱形极板适用于需要涂覆内孔的铝合金基体。
所述的涂层制备方法步骤(1)(2)(3)中，腔体气压优选为1Pa～2pa。
所述的涂层制备方法步骤(1)(2)(3)中，射频电源功率优选为50W～200W。
上述涂层制备方法具有如下技术优点：
(1)真空设备是真空镀膜成本中占比最大的部分，本发明所采用的制备方法使得真空设备结构简单，不需要配置离子源或溅射源等其它构建，显著降低了设备成本；
(2)由于制备设备结构简单，不受制于辅助离子源或溅射源的尺寸限制，因此更容易实现大腔体的制造，从而为提供大型铝合金基体制备涂层带来便利；
(3)本发明所述的涂层制备方法能够使得各种不同尺寸以及结构复杂的铝合金基体均能够均匀涂覆，适用的产品范围广。
(4)通过调控基体所连接的电源极性，沉积气压，沉积功率三个工艺参数，能够实现对上下两层涂层的成分、结构以及硬度的有效调节，控制方法简单，便于操作。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，铝合金基体表面是双层结构的涂层，下层位于铝合金基体表面，上层位于下层表面，下层是厚度为300nm的氧化硅复合类金刚石涂层，上层为厚度为3微米的类金刚石涂层。
该涂层的制备方法如下：
(1)将铝合金基体经丙酮超声清洗，烘干后固定于真空腔体中。真空腔体中包含两个相对的极板，其中一个极板与腔体相连接并接地，该极板为平面状，另一个极板连接射频电源。将铝合金基体固定在与射频电源相连接的极板上，随后抽真空至真空度低于5.0×10-3Pa。向真空腔体内通入氩气，使气压为1pa，打开射频电源，功率为150W，采用射频电源使气体产生电离，从而对铝合金基体进行刻蚀清洗，刻蚀时间为10min。
(2)关闭射频电源，停止向真空腔体通入氩气，向真空腔体中通入六甲基二硅氧烷气体，使气压为2pa。打开射频电源，功率为150W，采用射频电源使气体产生电离，从而在铝合金基体表面沉积厚度为300nm的氧化硅复合类金刚石涂层。
对获得的氧化硅复合类金刚石涂层进行纳米压痕测试，得到其硬度为15GPa。
(3)关闭射频电源，停止向真空腔体通入六甲基二硅氧烷气体，并向真空腔体中通入乙炔气体，使气压为2pa。打开射频电源，功率为150W，采用射频电源使气体产生电离，从而在氧化硅复合类金刚石涂层表面沉积厚度为3微米的类金刚石涂层，。
对获得的类金刚石涂层进行纳米压痕测试，得到其硬度为25GPa。
采用往复式摩擦磨损仪测试上述制得的铝合金基材表面的涂层的表面耐磨性，对磨副采用GCr15钢材，在5N载荷，5Hz滑动频率下，经过20min摩擦，涂层的摩擦系数稳定为0.1。
实施例2：
本实施例中，铝合金基体表面是双层结构的涂层，下层位于铝合金基体表面，上层位于下层表面，下层是厚度为200nm的氧化硅复合类金刚石涂层，上层为厚度为1.5微米的类金刚石涂层。
该涂层的制备方法如下：
(1)将铝合金基体经丙酮超声清洗，烘干后固定于真空腔体中。真空腔体中包含两个相对的极板，其中一个极板与腔体相连接并接地，该极板为套筒状，另一个极板位于套筒内部并连接射频电源。将铝合金基体固定在与射频电源相连接的极板上，随后抽真空至真空度低于5.0×10-3Pa。向真空腔体内通入氩气，使气压为1pa，打开射频电源，功率为150W，采用射频电源使气体产生电离，从而对铝合金基体进行刻蚀清洗，刻蚀时间为10min。
(2)关闭射频电源，停止向真空腔体通入氩气，向真空腔体中通入六甲基二硅氧烷气体，使气压为1pa。打开射频电源，功率为50W，采用射频电源使气体产生电离，从而在铝合金基体表面沉积厚度为200nm的氧化硅复合类金刚石涂层。
对获得的氧化硅复合类金刚石涂层进行纳米压痕测试，得到其硬度为13GPa。
(3)关闭射频电源，停止向真空腔体通入六甲基二硅氧烷气体，并向真空腔体中通入乙炔气体，使气压为1pa。打开射频电源，功率为50W，采用射频电源使气体产生电离，从而在氧化硅复合类金刚石涂层表面沉积厚度为1.5微米的类金刚石涂层。
对获得的类金刚石涂层进行纳米压痕测试，得到其硬度为20GPa。
采用往复式摩擦磨损仪测试上述制得的铝合金基材表面的涂层的耐磨性，对磨副采用GCr15钢材，在5N载荷，5Hz滑动频率下，经过20min摩擦，涂层的摩擦系数稳定为0.1。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种与铝合金基体表面具有良好结合力的耐磨润滑涂层，其特征是：所述涂层具有双层结构，下层位于铝合金基体表面，上层位于下层表面，下层为氧化硅复合类金刚石涂层，上层为类金刚石涂层；
所述的下层厚度为100纳米～500纳米；
所述的上层厚度为1微米～5微米；
当对磨副采用GCr15钢材，在5N载荷，5Hz滑动频率下，所述涂层经过20min摩擦，涂层的摩擦系数稳定在0.08-0.12。
2.如权利要求1所述的与铝合金基体表面具有良好结合力的耐磨润滑涂层，其特征是：所述的下层厚度为为200纳米～300纳米。
3.如权利要求1所述的与铝合金基体表面具有良好结合力的耐磨润滑涂层，其特征是：所述的上层厚度为1.5微米～3微米。
4.如权利要求1所述的与铝合金基体表面具有良好结合力的耐磨润滑涂层，其特征是：通过调节所述双层结构的硬度及厚度提高铝合金基体表面的耐磨性。
5.如权利要求4所述的与铝合金基体表面具有良好结合力的耐磨润滑涂层，其特征是：所述下层厚度为200纳米～300纳米，硬度为13～15GPa；所述上层厚度为1.5微米～3微米，硬度为20～25GPa；当对磨副采用GCr15钢材，在5N载荷，5Hz滑动频率下，所述涂层经过20min摩擦，涂层的摩擦系数稳定在0.1。
6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的与铝合金基体表面具有良好结合力的耐磨润滑涂层的制备方法，其特征是：包括如下步骤：
(1)真空腔体中包含两个相对的极板，其中一个极板与腔体相连接并接地，另一个极板连接射频电源，将铝合金基体固定在与射频电源相连接的极板上；将腔体抽真空后向通入氩气，使气压为0.5pa～3pa，打开射频电源，采用射频电源使气体产生电离，对铝合金基体进行刻蚀清洗；
(2)关闭射频电源，停止向腔体通入氩气，向腔体通入六甲基二硅氧烷气体，使气压为0.5pa～3pa，打开射频电源，采用射频电源使气体产生电离，在铝合金基体表面沉积氧化硅复合类金刚石涂层；
(3)关闭射频电源，停止向腔体通入六甲基二硅氧烷气体，向腔体中通入乙炔气体，使气压为0.5pa～3pa，打开射频电源，采用射频电源使气体产生电离，在铝合金基体表面沉积类金刚石涂层。
7.如权利要求6所述的与铝合金基体表面具有良好结合力的耐磨润滑涂层的制备方法，其特征是：所述的步骤中(1)中，腔体抽真空至低于5.0×10-3Pa。
8.如权利要求6所述的与铝合金基体表面具有良好结合力的耐磨润滑涂层的制备方法，其特征是：所述的步骤中(1)中，刻蚀时间为5min～10min。
9.如权利要求6所述的与铝合金基体表面具有良好结合力的耐磨润滑涂层的制备方法，其特征是：所述的涂层制备方法步骤(1)(2)(3)中，腔体气压均为1Pa～2pa。
10.如权利要求6所述的与铝合金基体表面具有良好结合力的耐磨润滑涂层的制备方法，其特征是：所述的涂层制备方法步骤(1)(2)(3)中，射频电源功率均为50W～200W。
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