CN110158007B

CN110158007B - 一种自润滑耐磨复合涂层及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN110158007B
Application number: CN201910234555.5A
Authority: CN
Inventors: 武笑宇; 谢述锋; 许康威
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: CN110158007A

Abstract

本发明涉及表面涂层领域，具体涉及一种自润滑耐磨复合涂层及其制备方法与应用。所述的自润滑耐磨复合涂层包含屏蔽支撑层和功能复合层，其中，屏蔽支撑层采用硬质陶瓷颗粒和镍基合金组成的耐磨材料作为原料制备得到，属于金属陶瓷复合涂层，具有高硬度、高致密性、起到屏蔽腐蚀和硬面支撑的作用；功能复合层由耐磨材料和自润滑材料组成梯度结构或者交替结构，这种结构兼具耐磨和减摩自润滑的特征，同时还能保证复合涂层中固体自润滑材料的长久释放。本发明提供的复合涂层能够提高轴、滚轮等运动部件干摩擦下的减摩耐磨性能，具有良好的使用前景。

Description

一种自润滑耐磨复合涂层及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及表面涂层领域，具体涉及一种自润滑耐磨复合涂层及其制备方法与应用。

背景技术

目前，各运动部件，如传动轴、滚轮等均需要进行表面硬化处理，以达到耐磨效果，其中超音速火焰喷涂碳化物(WC、Cr₃C₂)基金属陶瓷是较为常见的一种工艺，金属陶瓷涂层中含有的硬质陶瓷颗粒使得其在干摩擦时具有较大的摩擦系数(μ＞0.7)，一般采用油润滑的方式；但对于某些工况，如润滑油加注不便，高温润滑油失效等传统润滑方式不适时，具有良好减摩耐磨效果的固体自润滑涂层能够在干摩擦的情况下提供一层固体润滑膜，保证装备长周期安全可靠运行。

现有固体自润滑材料包括聚四氟乙烯、聚酰亚胺等高分子材料，Ag、Cu等软金属，石墨、MoS₂、WS2、CaF₂、BaF₂等。制备涂层的方法有料浆喷涂、气相沉积、激光熔覆等工艺。如申请公布号为CN 103725069A的发明专利《一种固体自润滑涂层及其制备方法》中将树脂、苯乙烯、玻璃纤维、PTFE和石墨混合做成浆料，经喷涂、晾干、固化得到自润滑涂层，该方法所制得的涂层自身强度与结合强度均较低。申请公布号为CN 207362336U的发明专利《一种自润滑多层刀具涂层》中涂层由TiN基层+TiCN过渡层+ZrAlCuN硬化层+WS₂外层复合组成，涂层采用气相沉积工艺，总厚度不超过5μm。申请公布号为CN 102363853A的发明专利《固体自润滑复合材料、固体自润滑涂层的制备方法》中采用激光的方法将一定比例的镍铬合金、碳化铬、二硫化钨、氟化钙熔覆在基体表面形成耐磨自润滑涂层，激光熔覆热输入大，基体热变形严重，对于尺寸精度较高、变形控制较严格的零件不适宜。

发明内容

为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种自润滑耐磨复合涂层，该涂层由多层复合而成，其中含有粘结相、硬质耐磨相、自润滑相等多种成分。该复合涂层能够提高轴、滚轮等运动部件在干摩擦下的减摩耐磨性能，具有良好的使用前景。

本发明的另一目的在于提供上述自润滑耐磨复合涂层的制备方法，该方法在基体表面(例如：轴类、滚轮等运动部件表面)通过多种热喷涂手段(等离子喷涂与超音速火焰喷涂)复合的方式沉积制得具有较高结合强度、优异减摩耐磨性能的自润滑耐磨复合涂层，可提高各运动部件(轴、滚轮等)在干摩擦下的减摩耐磨性能，增加其使用寿命。

本发明的再一目的在于提供上述自润滑耐磨复合涂层的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种自润滑耐磨复合涂层，由内到外依次包含屏蔽支撑层和功能复合层，其中，屏蔽支撑层包含耐磨材料，功能复合层包含耐磨材料和自润滑材料，功能复合层为1)或2)结构：

1)包含若干个耐磨材料组成的耐磨层和若干个自润滑材料组成的自润滑层，耐磨层和自润滑层交替设置，功能复合层最外层为自润滑层；

2)包含由自润滑材料组成的自润滑层和若干个由耐磨材料和自润滑材料组成的耐磨/自润滑层，其中，若干个耐磨/自润滑层由内至外耐磨材料含量依次降低，自润滑材料含量依次增加，功能复合层最外层为自润滑层；

所述的耐磨材料包含如下组分：50～85wt％的硬质陶瓷颗粒和15～50wt％镍基合金，自润滑材料包含如下组分：金属包覆石墨类材料、金属包覆MoS₂类材料和钼粉，其中，钼粉的含量为0.5～5wt％；

所述的硬质陶瓷颗粒优选为WC、Cr₃C₂、MoB硬质陶瓷颗粒中的至少一种；

所述的镍基合金包含如下按质量百分比计的组分：

所述的金属包覆为金属镍和铜包覆中的至少一种；

所述的金属包覆石墨类材料或金属包覆MoS₂类材料中石墨或MoS₂的含量优选为15～30wt％；

所述的金属包覆石墨类材料在自润滑材料中的含量优选为50～70wt％；

所述的金属包覆石墨类材料或金属包覆MoS₂类材料的制备方法，优选包含如下步骤：

将石墨或MoS₂通过化学镀的方式在其表面沉积一层金属形成包覆效果，得到金属包覆石墨类材料或金属包覆MoS₂类材料，该材料可以防止自润滑材料受热烧损并增加其润湿性能；

所述的石墨或MoS₂的粒径优选为10～40μm；

所述的金属包覆石墨类材料或金属包覆MoS₂类材料的粒径优选为15～ 45μm；

所述的金属优选为镍和铜中的至少一种；

所述的钼粉的粒径优选为30～70μm；

所述的自润滑耐磨复合涂层的制备方法，包含如下步骤：

(1)将耐磨材料的各组分混合、球磨，得到耐磨材料；将自润滑材料的各组分混合、球磨，得到自润滑材料；

(2)以步骤(1)制得的耐磨材料为原料通过超音速火焰喷涂在基体表面形成屏蔽支撑层，以步骤(1)制得的耐磨材料和自润滑材料为原料通过等离子喷涂和超音速火焰喷涂在屏蔽支撑层上形成功能复合层，得到自润滑耐磨复合涂层；

步骤(2)中所述的基体优选进行如下预处理：

经清洗除油、喷砂粗化；

步骤(2)中所述的屏蔽支撑层优选通过超音速火焰喷涂制得得到，其中，超音速火焰喷涂的条件为：丙烷(作为燃料)压力0.5～0.65MPa，压缩空气(作为助燃气体)压力0.55～0.7MPa，送粉速率30～60g/min，喷涂距离180～230mm；

步骤(2)中所述的功能复合层通过如下方法制备得到：

功能复合层各涂层中，耐磨层或耐磨材料含量≥50wt％的耐磨/自润滑层采用超音速火焰喷涂方法，剩余涂层采用等离子喷涂方法；

所述的等离子喷涂的条件优选为喷涂功率30～35kW ，送粉量10～30g/min，喷涂距离90～110mm；

所述的超音速火焰喷涂的条件为：丙烷(作为燃料)压力0.5～0.65MPa，压缩空气(作为助燃气体)压力0.55～0.7MPa，送粉速率30～60g/min，喷涂距离180～230mm；

步骤(2)中所述的屏蔽支撑层的厚度优选为80～150μm，功能复合层的厚度优选为150～300μm；

步骤(2)中所述的自润滑耐磨复合涂层可进一步加工，以达到产品要求的尺寸和表面状态；

所述的自润滑耐磨复合涂层在运动部件表面防护领域中的应用；

所述的运动部件优选为轴类、滚轮等；

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明采用表面沉积一层金属(例如：镍和铜中的至少一种)的MoS₂、石墨作为自润滑材料的主要组分，其中，金属对MoS₂、石墨形成包覆效果，可以防止自润滑材料受热烧损并增加其润湿性能。

(2)本发明提供的自润滑耐磨复合涂层包含屏蔽支撑层，该屏蔽支撑层采用硬质陶瓷颗粒和镍基合金组成的耐磨材料作为原料制备得到，属于金属陶瓷复合涂层，具有高硬度(Hv＞900)、高致密性(孔隙率＜1％)、起到屏蔽腐蚀和硬面支撑的作用。

(3)本发明提供的自润滑耐磨复合涂层包含功能复合层，该功能复合层由耐磨材料和自润滑材料组成梯度结构或者交替结构(图1)，这种结构兼具耐磨和减摩自润滑的特征，同时还能保证复合涂层中固体自润滑材料的长久释放。

(4)本发明采用两种喷涂方式(等离子喷涂和超音速火焰喷涂)在屏蔽支撑层上沉积制备功能复合层，能够保证涂层具有良好的结合强度，耐磨减摩性能。

(5)本发明提供的自润滑耐磨复合涂层由多层复合而成，具有较高结合强度和低摩擦系数，含有粘结相、硬质耐磨相、自润滑相等多种成分，在轴类、滚轮等运动过程中，涂层中的固体自润滑材料析出，在摩擦表面形成一层连续的固体润滑膜，起到减摩耐磨的效果，能够提高运动部件(例如：轴、滚轮等) 在干摩擦下的减摩耐磨性能，具有良好的使用前景。

附图说明

图1是自润滑耐磨复合涂层功能复合层梯度结构和交替结构的示意图，其中，A：梯度结构，B：交替结构。

图2是实施例1制得的自润滑耐磨复合涂层的扫描电镜形貌图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

WC、Cr₃C₂、MoB硬质陶瓷颗粒等均为市购；

实施例1

(1)将50wt％的MoB硬质陶瓷颗粒和50wt％镍基合金混合，球磨，得到屏蔽支撑层耐磨材料；其中，镍基合金包含如下组分：Cr 30wt％，Ni 70wt％；

(2)基体经清洗除油、喷砂粗化后，以步骤(1)制得的屏蔽支撑层耐磨材料为原料采用HVAF超音速火焰喷涂(具体参数见表1)在基体表面形成 MoB-15Cr-35Ni金属陶瓷涂层作为屏蔽支撑层，涂层平均厚度112μm；

(3)将50wt％的WC硬质陶瓷颗粒和50wt％的镍基合金混合，球磨，得到功能复合层耐磨材料，其中，镍基合金包含如下组分：Cr 35wt％，B 1wt％，Si 1.9wt％，Ni余量；

(4)将石墨(粒径为10～40μm)和MoS₂(粒径为10～40μm)分别通过化学镀的方式在其表面沉积一层镍形成包覆效果，得到镍包覆石墨和镍包覆 MoS₂(粒径为15～45μm)，其中，镍包覆石墨中石墨的含量为15wt％，镍包覆 MoS₂中硫化钼含量为30wt％；将50wt％的镍包石墨、45wt％的镍包MoS₂和5wt％的钼粉(粒径为30～70μm)，混合，球磨，得到功能复合层自润滑材料；

(5)以步骤(3)制得的功能复合层耐磨材料为原料采用HVAF超音速火焰喷涂(具体参数见表1)在步骤(2)制得的屏蔽支撑层上形成耐磨层，然后以步骤(4)制得的功能复合层自润滑材料为原料采用等离子喷涂(具体参数见表1)在耐磨层上形成自润滑层，重复上述操作，至形成三层耐磨层和三层自润滑层，耐磨层(每层厚度约为30μm)和自润滑层(每层厚度约为20μm)交替设置，形成功能复合层，进而得到自润滑耐磨复合涂层。

经测试，本实施例制得的自润滑耐磨复合涂层总厚度286μm(平均)，屏蔽支撑层显微硬度为1026HV_0.1，孔隙率为0.92％，复合涂层与基体平均结合强度 52MPa，摩擦系数μ＝0.42，复合涂层显微形貌见图2。

表1实施例1喷涂参数和涂层厚度

实施例2

(1)将80wt％的Cr₃C₂硬质陶瓷颗粒和20wt％镍基合金混合，球磨，得到屏蔽支撑层耐磨材料；其中，镍基合金包含如下组分：Cr 25wt％，Ni 75wt％；

(2)基体经清洗除油、喷砂粗化后，以步骤(1)制得的屏蔽支撑层耐磨材料为原料采用HVAF超音速火焰喷涂(具体参数见表2)在基体表面形成 Cr₃C₂-5Cr-15Ni金属陶瓷涂层作为屏蔽支撑层，涂层平均厚度138μm；

(3)将50wt％的Cr₃C₂硬质陶瓷颗粒和50wt％的镍基合金混合，球磨，得到功能复合层耐磨材料，其中，镍基合金包含如下组分：Cr 20wt％，B 3wt％， Si 4.2wt％，Ni余量；

(4)将石墨(粒径为10～40μm)和MoS₂(粒径为10～40μm)分别通过化学镀的方式在其表面沉积一层镍形成包覆效果，得到镍包覆石墨和镍包覆 MoS₂(粒径为15～45μm)，其中，镍包覆石墨中石墨的含量为25wt％，镍包覆 MoS₂中硫化钼含量为15wt％；将50wt％的镍包石墨、49.5wt％的镍包MoS₂和 0.5wt％的钼粉(粒径为30～70μm)，混合，球磨，得到功能复合层自润滑材料；

(5)以步骤(3)制得的功能复合层耐磨材料为原料采用HVAF超音速火焰喷涂(具体参数见表2)在步骤(2)制得的屏蔽支撑层上形成耐磨层，然后以步骤(4)制得的功能复合层自润滑材料为原料采用等离子喷涂(具体参数见表2)在耐磨层上形成自润滑层，重复上述操作，至形成两层耐磨层和两层自润滑层，耐磨层和自润滑层交替设置，每层厚度为40μm，形成功能复合层，进而得到自润滑耐磨复合涂层。

经测试，本实施例制得的自润滑耐磨复合涂层总厚度292μm(平均)，屏蔽支撑层显微硬度为973HV_0.1，孔隙率为0.69％，复合涂层与基体平均结合强度 50MPa，摩擦系数μ＝0.38。

表2实施例2喷涂参数和涂层厚度

实施例3

(1)将70wt％的WC硬质陶瓷颗粒和30wt％镍基合金混合，球磨，得到屏蔽支撑层耐磨材料；其中，镍基合金包含如下组分：Cr 33.3wt％，Ni 66.7wt％；

(2)基体经清洗除油、喷砂粗化后，以步骤(1)制得的屏蔽支撑层耐磨材料为原料采用HVAF超音速火焰喷涂(具体参数见表3)在基体表面形成 WC-10Cr-20Ni金属陶瓷涂层作为屏蔽支撑层，涂层平均厚度105μm；

(3)将60wt％的WC硬质陶瓷颗粒和40wt％的镍基合金混合，球磨，得到功能复合层耐磨材料，其中，镍基合金包含如下组分：Cr 30wt％，Ni余量；

(4)将石墨(粒径为10～40μm)和MoS₂(粒径为10～40μm)分别通过化学镀的方式在其表面沉积一层镍形成包覆效果，得到镍包覆石墨和镍包覆 MoS₂(粒径为15～45μm)，其中，镍包覆石墨中石墨的含量为30wt％，镍包覆 MoS₂中硫化钼含量为30wt％；将70wt％的镍包石墨、28wt％的镍包MoS₂和2wt％的钼粉(粒径为30～70μm)，混合，球磨，得到功能复合层自润滑材料；

(5)将步骤(4)制得的自润滑材料和耐磨材料按照20wt％：80wt％的比例混合，采用HVAF超音速火焰喷涂(具体参数见表3)在基体表面形成耐磨/自润滑层1，同样方法在耐磨/自润滑层1表面形成耐磨/自润滑层2(包含40wt％自润滑材料+60wt％耐磨材料)，每层厚度约为50μm；

(6)将步骤(4)制得的自润滑材料和耐磨材料按照60wt％：40wt％的比例混合，采用等离子喷涂(具体参数见表3)在耐磨/自润滑层2表面形成耐磨/自润滑层3，同样方法在耐磨/自润滑层3表面形成耐磨/自润滑层4(包含80wt％自润滑材料+20wt％耐磨材料)；最后采用等离子喷涂(具体参数见表3)耐磨/ 自润滑层4表面形成自润滑涂层(包含100wt％自润滑材料)每层厚度约为50μm；得到自润滑耐磨复合涂层。

经测试，本实施例制得的自润滑耐磨复合涂层总厚度366μm(平均)。屏蔽支撑层显微硬度为1263HV_0.1，孔隙率为0.96％，复合涂层与基体平均结合强度 58MPa，摩擦系数μ＝0.33。

表3实施例3喷涂参数和涂层厚度

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自润滑耐磨复合涂层，其特征在于由内到外依次包含屏蔽支撑层和功能复合层，其中，屏蔽支撑层包含耐磨材料，功能复合层包含耐磨材料和自润滑材料，功能复合层为1）或2）结构：

1）包含若干个耐磨材料组成的耐磨层和若干个自润滑材料组成的自润滑层，耐磨层和自润滑层交替设置，功能复合层最外层为自润滑层；

2）包含由自润滑材料组成的自润滑层和若干个由耐磨材料和自润滑材料组成的耐磨/自润滑层，其中，若干个耐磨/自润滑层由内至外耐磨材料含量依次降低，自润滑材料含量依次增加，功能复合层最外层为自润滑层；

所述的耐磨材料包含如下组分：50～85wt%的硬质陶瓷颗粒和15～50wt%镍基合金，自润滑材料包含如下组分：金属包覆石墨、金属包覆MoS₂和钼粉，其中，钼粉的含量为0.5～5wt%。

2.根据权利要求1所述的自润滑耐磨复合涂层，其特征在于：

所述的硬质陶瓷颗粒为WC、Cr₃C₂、MoB硬质陶瓷颗粒中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的自润滑耐磨复合涂层，其特征在于：

所述的镍基合金包含如下按质量百分比计的组分：

Cr 20～35wt%；

B ≤3wt%；

Si ≤4.5wt%；

Ni 余量。

4.根据权利要求1所述的自润滑耐磨复合涂层，其特征在于：

所述的金属包覆石墨或金属包覆MoS₂的粒径为15～45μm。

5.根据权利要求1所述的自润滑耐磨复合涂层，其特征在于：

所述的金属包覆为金属镍和铜包覆中的至少一种。

6.权利要求1～5任一项所述的自润滑耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于包含如下步骤：

（1）将耐磨材料的各组分混合、球磨，得到耐磨材料；将自润滑材料的各组分混合、球磨，得到自润滑材料；

（2）以步骤（1）制得的耐磨材料为原料通过超音速火焰喷涂在基体表面形成屏蔽支撑层；通过等离子喷涂和超音速火焰喷涂在屏蔽支撑层上形成功能复合层，其中，功能复合层以步骤（1）制得的耐磨材料和自润滑材料为原料，得到自润滑耐磨复合涂层。

7.根据权利要求6所述的自润滑耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于：

步骤（2）中所述的屏蔽支撑层通过超音速火焰喷涂制得，其中，超音速火焰喷涂的条件为：丙烷压力0.5～0.65MPa，压缩空气压力0.55～0.7MPa，送粉速率30～60g/min，喷涂距离180～230mm。

8.根据权利要求6所述的自润滑耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于：

步骤（2）中所述的屏蔽支撑层的厚度为80～150μm，功能复合层的厚度为150～300μm。

9.根据权利要求6所述的自润滑耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于：

步骤（2）中所述的功能复合层通过如下方法制备得到：

功能复合层各涂层中，耐磨层或耐磨材料含量≥50wt%的耐磨/自润滑层采用超音速火焰喷涂方法，剩余涂层采用等离子喷涂方法；

所述的等离子喷涂的条件为喷涂功率30～35kW ，送粉量10～30g/min，喷涂距离90～110mm；

所述的超音速火焰喷涂的条件为：丙烷压力0.5～0.65MPa，压缩空气压力0.55～0.7MPa，送粉速率30～60g/min，喷涂距离180～230mm。

10.权利要求1～4任一项所述的自润滑耐磨复合涂层在运动部件表面防护领域中的应用。