CN110885995A - 一种表面织构固体润滑涂层的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面织构固体润滑涂层的加工方法，通过将纳米晶涂层与润滑织构涂层的交替沉积，产生了多层石墨涂层结构，此种结构可通过力学性能及形貌较好的纳米晶涂层将润滑涂层封装，使涂层寿命和承载能力提高。同时多层润滑层如设计成层数与承载摩擦次数对应，使润滑层即将磨损后露出新鲜次层材料以对应新的摩擦，保证了减摩效果的持续性，延长了减摩织构的使用效果和使用寿命，避免减摩层过快磨损、失效。

Description

一种表面织构固体润滑涂层的加工方法

技术领域

本发明具体为一种表面织构固体润滑涂层的加工方法。

背景技术

滑动摩擦副零件如机床用轴瓦、导轨等，由于使用中承受着较大冲击和振动载荷、接触工作时间较长，极端高温高压环境，经过一段时期运行后导致擦伤破坏，精度和安全可靠性下降致失效。传统的润滑油、润滑脂由于环境污染大、易挥发、不能用于真空环境等缺点而难以满足特殊工况下的使用要求，因此开发固体润滑涂层具有重要意义，在摩擦、磨损部位低成本制备以减摩性为主的高性能修复、强化涂层将有利于降低摩擦引起的运行能耗，且可有助于恢复乃至提升磨损部件的服役性能，对于挽回经济损失、解决行业共性问题具有普遍意义。

固体润滑涂层是指涂层在无润滑液或润滑脂存在的情况下涂层本身具有较好的润滑性能(性能指标为低摩擦系数，低磨损率)从而实现在特殊工况下的使用。固体润滑涂层一般由较软的金属如Ag、Pb、Sn、In等，或由层状结构的石墨、MoS2、BN等。这些润滑材料一般都较软，摩擦过程中这些润滑材料不但可以粘着在物件或工件的表面形成固体润滑膜，而且可以在对偶材料表面形成转移膜，使摩擦发生在润滑剂内部来减少摩擦、降低磨损，从而起到润滑作用。

目前常见的制备固体自润滑涂层的方法主要有热喷涂、化学镀、PVD(物理气相沉积)、CVD(化学气相沉积)、激光熔覆、磁控溅射法等。热喷涂法制备的涂层孔隙率高、涂层与基体的结合强度低，在高温环境下容易氧化、剥落失效。埋渗法工艺过程复杂、渗层元素不易控制且渗层深度较浅，一般埋渗温度较高，对基体性能有较大影响。料浆法制备涂层涂覆均匀性差、涂层中易于产生气孔等缺陷且涂覆后需要在高温下烧结，烧结温度对基体性能影响亦较大。磁控溅射法制备的涂层一般厚度只有几微米、沉积效率低、成本高昂，摩擦磨损时涂层容易剥落失效，涂层使用寿命短。

现有减摩涂层的方法存在较多技术问题，一是设备成本、运转维护成本都比较高。激光熔敷、等离子喷涂等作为高能束加工方法，其设备成本能源消耗量都非常可观，还需要使用辅助设备和保护气体。加工方式复杂工序繁多；二是减摩织构涂层存在使用寿命的问题。如使用一段时期后表面织构图案会被磨损、磨掉以致失效，如何延长其寿命或在失效后进行低成本地再修复、再制造也是需要研究的问题。综上所述，为了片面追求减摩涂层制备效果，研究领域多使用高成本技术为制备手段，加工环境偏实验室为主，工序繁复，缺乏普遍性和实用性。在涂层特别是织构性涂层的强度设计、寿命保证上还缺乏有效办法。因此在客观上需要出现一种加工方法简单、设备运行成本较低、特别是在较长使用时间后减摩织构具有较长的使用寿命、不易磨损的涂层制备方法。

针对以上加工问题，采用射流电沉积的方法经过改进可以克服上述的不足。射流电沉积是近年来发展的一种局部高速电沉积技术，其特殊性在于电解液以射流态的束流形式从阳极区喷射到阴极区，由此产生一系列的奇异加工特性：可获得具有较好机械性能的纳米晶沉积层；可形成均匀分布的表面微/纳多孔组织结构(见图1)，工艺和控制手段简便、直接，属低成本的制造方法。根据以上对于加工方法的简化性要求、低成本要求以及涂层综合性能要求，可以利用其表面均布多孔微纳结构制备减摩性表面织构；可以将机械性能好、残余应力小的纳米晶涂层作为织构的支撑基体，以强化涂层寿命，改善承载能力和润滑效果；可以利用其定域性好的特点利于准确修复，工艺和控制手段简便、直接，属低成本的制造方法。主要是考虑通过射流电沉积这一方法，润滑涂层在微织构涂层中如具有合适的多层结构可提高摩擦学性能和力学性能，可通过调整多层石墨、MoS2涂层结构(如润滑层与其他增强性颗粒沉积层交替沉积，具有耐磨减摩多重功能。)，使涂层寿命和承载能力提高。设计应与工况保持吻合，如设计成层数与承载摩擦次数对应，使润滑层即将磨损后露出新鲜次层材料以对应新的摩擦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面织构固体润滑涂层的加工方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种表面织构固体润滑涂层的加工方法包括：1)进行涂层制备的射流电沉积加工系统由输液管道、电解液罐、电解液泵、流速控制阀、直流/脉冲两用电源、喷嘴系统等部件组成，如附图2所示。各部件通过输液管道各部件顺序相连，电源正极连接喷嘴阳极棒，电源负极连接待基体材料。电解液泵启动后，电解液束流经喷嘴射向工件(阴极)形成一闭合回路，构成电化学加工的必要加工条件。基体上方设置两个电沉积喷嘴A、B，每个喷嘴有独立的储液罐和循环系统A罐和B罐。基体按照数控程序作定向移动，交替经过各个喷嘴进行射流电沉积镀覆，形成所需的各自功能涂层。制备中采用矩形喷嘴，尺寸为20mm×1mm。

2)使用的电解液成分为：电解液罐A中电解液成分为：五水硫酸铜250克/L，浓硫酸50克/L，表面活性剂选用十二烷基硫酸钠10克/L，超细石墨粉(粒径10微米)20克/L。电解液罐B中电解液成分为：五水硫酸铜250克/L，浓硫酸50克/L。在修复电沉积前，要对A罐中使用的超细石墨粉进行预处理：水洗→稀硝酸洗→蒸馏水洗→稀盐酸洗→蒸馏水洗→烘干。石墨粉加入电解液之前，先将粉末溶于100毫升电解液中，超声搅拌20分钟，然后以1000转/分钟速度机械搅拌30分钟，减小石墨粉颗粒的团聚效应使其均匀分散。电解液温度由恒温水浴控制在25℃±2℃。

3)基体预处理：基体采用1Cr18Ni9不锈钢，①用丙酮清洗基体表面去除油污；②以800-1200目金相砂纸依次研磨、抛光；③将打磨后的材料用35克/升氢氧化钠溶液进行清洗，表面脱脂除油：然后用10％的浓硫酸及10％硝酸混合酸进行活化处理；④蒸馏水冲洗干净、吹干。

4)润滑涂层制备过程：润滑涂层一般设置为4-8个复合层，每复合层各分为打底层和润滑剂层两道工序。具体过程为：①首先选用B罐电解液，喷嘴与工件距离保持为10mm，以直流电流(0.5A)，扫描速度300mm/分，喷射流速150L/h的工艺参数组合在基体表面进行往复扫描，控制层数为20层，此过程为打底过程，即在基体及下一层润滑层表面预置具有较好表面形貌和平整度的纳米晶涂层，为下一步设置的润滑层做准备；②选用A罐电解液，将喷嘴与工件距离保持为5mm，以脉冲电流(电流0.4A，脉冲频率5000Hz，占空比1:7)，扫描速度50mm/分，喷射流速100L/h的工艺参数组合在基体表面进行往复扫描，控制层数为400层。以上各道工序连续进行，形成了多层的润滑涂层。每个润滑涂层为网状多孔性织构减摩层，孔洞直径约为1-2微米，其中存储石墨作为润滑剂，如附图3所示。根据对铜质材料摩擦状态观察，磨屑由细小的微粒和一些相对较大的微粒聚集体组成，大部分微粒尺寸小于0.5微米，部分微粒聚集体尺寸超过1微米。一旦对摩中产生磨屑和其他聚集体，孔洞可将微粒收纳防止其继续磨损对摩表面。同时微粒将石墨赶出孔洞释放，形成自润滑效应，产生减摩效果。多层润滑涂层依次排列可在对摩中形成持续的减摩效果，如最外层在摩擦过程中出现磨损，可暴露出新鲜的润滑减磨材料，继续保持低摩擦系数状态。此区间为经验参数供参考之用，可根据实际工况将具体参数在此范围内调节、选择，取得最优效果。层数的选择可根据润滑层厚度需要在4-8层区间选取。

本发明的有益效果：

(1)本发明形成了纳米晶-润滑多孔织构的复合涂层。通过将纳米晶涂层与润滑织构涂层的交替沉积，产生了多层石墨涂层结构，此种结构可通过力学性能及形貌较好的纳米晶涂层将润滑涂层封装，使涂层寿命和承载能力提高。同时多层润滑层如设计成层数与承载摩擦次数对应，使润滑层即将磨损后露出新鲜次层材料以对应新的摩擦，保证了减摩效果的持续性，延长了减摩织构的使用效果和使用寿命，避免减摩层过快磨损、失效。

(2)类似的双元复合涂层设计(基底+减摩层)，一般需要多次工艺复合处理、变换工位才能实现(如激光-电火花，激光-电镀等复合加工)，过程比较繁复。而利用射流电沉积则可实现同一工位、同一材料配比，仅需调整电流、流速、层数等工艺参数即可实现不同性能涂层逐步、依次产生。操作简便，易于自动化实现。

附图说明

图1为射流电沉积制备复合润滑层示意图；

图2为射流电沉积设备结构示意图；

图3为复合涂层加工步骤示意图；

图4为减摩织构与固体润滑涂层协同减摩效果示意图；

图5为不同制备工艺条件下摩擦因数对图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其操作步骤如下：

对工件表面处理，依次打磨、除油、钝化、水洗、干燥。

配置电解液。本实施方式中电解液的组成成分和和工艺参数分别为：

A罐电解液成分：CuSO4·5H2O 250g/L，98％浓硫酸50g/L，十二烷基硫酸钠10克/L，超细石墨粉(粒径10微米)20克/L，电解液温度为25℃。电解液罐B中电解液成分为：五水硫酸铜250克/L，浓硫酸50克/L。电解液温度为25℃。电解液均用分析纯或化学纯试剂加蒸馏水配制而成。

此段工序为制备打底纳米晶沉积层用，选用A罐电解液

工艺参数选择为矩形喷嘴口径20×1mm，喷嘴与基体距离为10mm；

电解液流速250L/h，机床扫描速度300mm/分；

直流电流0.5A，扫描层数为20层；

此段工序为制备打底纳米晶沉积层用。

启动数控程序，代码如下：

4.此段工序为制备固体润滑层工序，选用B罐电解液电解液流速和机床扫描速度保持不变；

可编程电源切换输出脉冲电流，电流0.5A，占空比为1：7，脉冲频率5000HZ；

扫描层数为600层；

启动数控程序，代码如下：

M98 P2 L200； (调用子程序P2，执行200次，扫描400层)

M30 (程序结束)触发器结束电源脉冲输出子程序P2略。

实验结束。在数控加工程序结束后，Z轴会自动升起一定高度一般约5-10毫米，使喷嘴与工件脱离接触，关停机床。

取出工件清洗、擦拭。

与现有技术相比：

(1)本发明提出了一种纳米晶-润滑多孔织构的复合涂层，通过纳米晶涂层与润滑织构涂层的交替沉积，产生了多层封装的润滑涂层，提高了涂层寿命和承载能力，保证了减摩效果的持续性。

(2)从摩擦领域考虑，将表面微织构的减摩特性与表面涂层的润滑特性结合起来，利用两者的协同综合作用，则能进一步优化材料表面的摩擦性能，可得到更好的减摩效果。

(3)利用射流电沉积可实现同一工位、多材料配比，仅需调整电流、流速、层数等工艺参数即可实现不同性能涂层逐步、依次产生。操作简便，易于自动化实现。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种表面织构固体润滑涂层的加工方法，其特征在于：利用两个电沉积喷嘴A、B，每个喷嘴有独立的储液罐和循环系统A罐和B罐，基体按照数控程序作定向移动，交替经过各个喷嘴进行射流电沉积镀覆，形成所需的各自功能涂层。

2.根据权利要求1所述的一种表面织构固体润滑涂层的加工方法，其特征在于：使用的电解液成分为：电解液罐A中电解液成分为：五水硫酸铜250克/L，浓硫酸50克/L，表面活性剂选用十二烷基硫酸钠10克/L，超细石墨粉20克/L，电解液罐B中电解液成分为：五水硫酸铜250克/L，浓硫酸50克/L，在修复电沉积前，要对A罐中使用的超细石墨粉进行预处理：水洗→稀硝酸洗→蒸馏水洗→稀盐酸洗→蒸馏水洗→烘干，石墨粉加入电解液之前，先将粉末溶于100毫升电解液中，超声搅拌20分钟，然后以1000转/分钟速度机械搅拌30分钟，减小石墨粉颗粒的团聚效应使其均匀分散，电解液温度由恒温水浴控制在25℃±2℃。

3.根据权利要求1所述的一种表面织构固体润滑涂层的加工方法，其特征在于：还包括基体预处理：基体采用1Cr18Ni9不锈钢，①用丙酮清洗基体表面去除油污；②以800-1200目金相砂纸依次研磨、抛光；③将打磨后的材料用35克/升氢氧化钠溶液进行清洗，表面脱脂除油：然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理；④蒸馏水冲洗干净、吹干。

4.根据权利要求1所述的一种表面织构固体润滑涂层的加工方法，其特征在于：润滑涂层制备过程：润滑涂层一般设置为4-8个复合层，每复合层各分为打底层和润滑剂层两道工序，具体过程为：首先选用B罐电解液，喷嘴与工件距离保持为10 mm，以直流电流（0.5 A），扫描速度300 mm/分，喷射流速150 L/h的工艺参数组合在基体表面进行往复扫描，控制层数为20层，此过程为打底过程，即在基体及下一层润滑层表面预置具有较好表面形貌和平整度的纳米晶涂层，为下一步设置的润滑层做准备；选用A罐电解液，将喷嘴与工件距离保持为5 mm，以脉冲电流，扫描速度50 mm/分，喷射流速100 L/h的工艺参数组合在基体表面进行往复扫描，控制层数为400层，以上各道工序连续进行，形成了多层的润滑涂层，每个润滑涂层为网状多孔性织构减摩层，孔洞直径约为1-2微米，其中存储石墨作为润滑剂，层数的选择可根据润滑层厚度需要在4-8层区间选取。

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