CN111101101A - 一种微喷砂后处理减小涂层摩擦系数的方法 - Google Patents

一种微喷砂后处理减小涂层摩擦系数的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通过微喷砂后处理减小涂层摩擦系数的方法，为了达到改善电弧离子镀涂层表面大颗粒问题、减小涂层摩擦系数的目的，首先在已涂覆涂层的基体表面沉积一层厚度较小的氧化物涂层，利用非晶态的氧化物涂层晶粒较小的特点填充涂层表面凹凸不平的缺陷，然后通过微喷砂后处理去除电弧离子镀带来的涂层表面的大颗粒，使表面变得平整光滑，减小涂层摩擦系数。微喷砂后处理过程中砂粒不断冲击涂层表面，可有效增加压应力，同时，氧化物的存在可以起到缓冲基体主体涂层所受冲击力的作用，减少涂层破损。喷砂后涂层表面残留的氧化物在高温下形成一层致密的氧化物薄膜，可防止元素和热量的扩散，减少涂层磨损，显著提高涂层基体的使用寿命。

Description

一种微喷砂后处理减小涂层摩擦系数的方法
技术领域
本发明涉及涂层表面处理技术，具体涉及一种微喷砂后处理减小涂层摩 擦系数的方法。
背景技术
电弧离子镀是在真空条件下，在蒸镀材料制成的阴极与真空室形成的 阳极之间引发弧光放电，弧光放电蒸发靶材物质并沉积到基体表面形成膜 层。弧光放电会形成在阴极表面无规则运动的弧斑，弧斑携带的高能量、 高密度电流可以直接促使弧斑处的靶材物质从固相转变为金属蒸汽等离子 体，该金属等离子体用于沉积薄膜，一是沉积过程中离子的轰击、注入及 沉积过程可以活化基体表面，增强表面注入效果，二是离子在电场作用约束下沿特定方向沉积在基体表面，因此电弧离子镀具有沉积效率高、膜层 与基体结合力好、绕射能力强等优点。但是，由于电弧离子镀本身原理特 点，阴极弧斑在产生带电粒子，形成等离子体的同时，也会生成大量的液 滴和碎片，这些液滴和碎片会随等离子体一起沉积在基体表面，增大涂层 表面的粗糙度和摩擦系数，使得涂层性能不均匀。以涂层刀具为例，在刀 具加工工件的过程中，涂层表面的大颗粒使得涂层在交变载荷作用下有一 定的波动，从而使得摩擦系数增大。在重载作用下，表面的大颗粒会被挤 压变形，或发生剥落，从而导致涂层崩裂乃至剥落，刀具寿命大大减小。
为了减少电弧离子镀涂层的表面大颗粒，减小涂层摩擦系数，目前常 采用的方法主要分为三类：
一是通过控制等离子体从阴极到镀膜基体之间的运行路线以及离子到 达基体时的速度来解决大颗粒的问题。阴极产生的是等离子体，等离子体 可以通过磁场、电场对其加以控制，因此磁过滤弯管被广泛用来滤除大颗 粒，过滤弯管设计的越复杂，对大颗粒的过滤效果越好，但系统的效率也 会随之降低。
二是通过优化涂层结构、改变涂层的相组织来减小表面大颗粒。例如 在TiN涂层中添加C元素以及采用多层以及梯度结构涂层来制备具有更高 耐磨性能和更低摩擦系数的涂层。这种方法对于改善涂层的综合性能有着 明显的功效，但还是无法弥补电弧离子镀本身所带来的涂层缺陷。
三是通过对制备好的涂层进行微喷砂后处理来减少表面大颗粒，提高 涂层表面光洁度，减小它的摩擦系数。微喷砂是利用大量具有高速度的弹 丸撞击被加工材料表面，使材料表面产生大量晶粒细化和塑性变形，通过 改善工件材料的组织结构和残余应力分布来提高涂层的疲劳强度和使役寿 命。微喷砂后处理可以明显改善涂层性能，但是实验参数设定不恰当容易 导致涂层破损、性能下降。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种微喷砂后处理减小 涂层摩擦系数的方法，该方法操作简单，可以有效提高涂层表面光洁度， 同时对于改善涂层综合性能、提升涂层工件寿命也有显著作用。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种微喷砂后处理减小涂层摩擦系数的方法，包括以下步骤：
(1)样品前处理：将已沉积涂层的样品分别放入丙酮和乙醇中超声清 洗，去除表面油污和水渍；
(2)装夹进炉：将处理后的样品均匀固定在转架上，并装入电弧离子 镀膜机内；
(3)加热、抽真空：将炉腔内抽至真空，并升高温度；
(4)沉积氧化物涂层：在样品表面沉积一层厚度较薄的氧化物涂层；
(5)对涂层进行微喷砂后处理：待涂层沉积完毕后，降低温度，冷却 后取出样品，对已沉积涂层的样品进行微喷砂后处理。
作为优选，步骤(1)中，所选取样品均采用电弧离子镀方法在样品表 面沉积涂层，且涂层表面无裂纹、损坏及其它缺陷；
超声清洗时长为15-30min。
作为优选，在步骤(3)中，抽至真空的压力为7×10^4-7×10^3Pa， 温度升高到300-400℃。
作为优选，在步骤(4)中，沉积氧化物采用电弧离子镀。在样品表面 沉积一层氧化物涂层，是为了填充样品功能涂层表面不平整的缺陷，以及 减小微喷砂后处理过程中持续冲击对样品表面功能涂层的破坏。沉积氧化 物可采用电弧离子镀、真空蒸发镀以及磁控溅射镀膜等方法，本发明均采 用电弧离子镀方法。
作为优选，在步骤(5)中，微喷砂采用的是600-1000#的Al2O3砂，压 力为1-4kg，手动干喷的时长为10-30s。
采用以上技术方案，本发明所使用的方法是先在涂层样品表面涂覆一 层氧化物涂层，非晶态的氧化物晶粒细小均匀，可填充在涂层凹凸不平的 孔隙中，然后通过微喷砂处理除去表面的氧化物涂层，一方面可以减少涂 层表面的大颗粒，降低涂层摩擦系数，另一方面氧化物填充在涂层孔隙中， 使涂层表面更加平整光滑，且残留的氧化物涂层在高温下可形成一层氧化 物屏障，阻止热量和元素的扩散，提高了涂层的抗高温氧化性能和抗扩散 性能，从而延长涂层样品的使用寿命。
综上，本发明的有益效果在于：(1)没有直接对涂层进行微喷砂后处 理，而是先在涂层表面沉积一层氧化物涂层，然后再进行喷砂处理来减小 它的摩擦系数。非晶态氧化物涂层具有硬度较小、晶粒细小均匀的特点， 在已沉积涂层的工件表面再沉积一层氧化物涂层，利用电弧离子镀沉积薄 膜结合性能良好的特点，氧化物能与工件功能涂层紧密结合，填充该功能 涂层表面凹凸不平的孔隙，使涂层表面平整度明显提升，摩擦系数减小， 可降低工件在工作过程中的摩擦力，减少摩擦热的产生。且氧化物涂层硬 度较小，在微喷砂后处理过程中也容易被喷掉。
另外，大量研究证明，工件表面涂覆氧化物涂层可以显著提升涂层的 耐磨损性能和抗高温氧化性能。氧化物是离子晶体，离子键键能很强，高 温下表面残留的氧化物形成一层致密完整的氧化物薄膜，元素和热量需要 打破键能很强的离子键才能扩散到工件内部，因此氧化物涂层可以有效元 素扩散和热量扩散，工件的抗高温氧化性能及抗扩散磨损性能增强，寿命 得到延长。
(2)微喷砂后处理在轰击涂层表面的过程中，使材料表面产生大量晶 粒细化和塑性变形，在材料表面产生残余压应力，涂层的结合力和抗疲劳 强度大大提升，但由于微喷砂磨料对涂层材料有冲蚀作用，实验过程中参 数设定不恰当易导致涂层破损、失效。本发明在涂层刀具表面涂覆一层氧 化物涂层，在后处理过程中可以起到一个缓冲重载冲击力的作用，保护功 能层在喷砂过程中不被破坏，使微喷砂后处理的有益功效最大化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对 实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员 来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附 图。
图1为本发明制备方法的工艺流程图；
图2为微喷砂后处理前后涂层摩擦力随加载载荷的变化曲线(其中，A 曲线代表对比实施例，B曲线代表实施例一，C曲线代表实施例二；D曲线 代表实施例三)；
图3为微喷砂后处理前后涂层表面大颗粒及光洁度对比图；
图4为微喷砂后处理前后涂层表面大颗粒及光洁度产品对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技 术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发 明所保护的范围。
实施例一：
(1)样品前处理：将已沉积涂层的样品分别放入丙酮和乙醇中超声清 洗15min，去除表面油污和水渍。
(2)装夹进炉：将处理后的样品均匀固定在转架上，并装入电弧离子 镀膜机内。
(3)加热、抽真空：将炉腔内真空度抽至7×10^3Pa，并升高温度至 300℃。
(4)沉积氧化物涂层：在样品表面沉积一层厚度较薄的Al2O3涂层；
(5)对涂层刀片进行微喷砂后处理：待涂层沉积完毕后，降低温度， 冷却后取出样品，对已沉积涂层的样品进行微喷砂后处理。喷砂用600#Al2O3砂，压力为2kg，手动干喷的时长为25s。(具体实验数据曲线参见图2 的B曲线)
实施例二：
(1)样品前处理：将已沉积涂层的样品分别放入丙酮和乙醇中超声清 洗15min，去除表面油污和水渍。
(2)装夹进炉：将处理后的样品均匀固定在转架上，并装入电弧离子 镀膜机内。
(3)加热、抽真空：将炉腔内真空度抽至7×10^4Pa，并升高温度至 400℃。
(4)沉积氧化物涂层：在样品表面沉积一层厚度较薄的TiAlO2涂层；
(5)对涂层刀片进行微喷砂后处理：待涂层沉积完毕后，降低温度， 冷却后取出样品，对已沉积涂层的样品进行微喷砂后处理。喷砂用600#Al2O3砂，压力为4kg，手动干喷的时长为15s。(具体实验数据曲线参见图2 的C曲线)
实施例三：
(1)样品前处理：将已沉积涂层的样品分别放入丙酮和乙醇中超声清 洗20min，去除表面油污和水渍。
(2)装夹进炉：将处理后的样品均匀固定在转架上，并装入电弧离子 镀膜机内。
(3)加热、抽真空：将炉腔内真空度抽至7×10^4Pa，并升高温度至 400℃。
(4)沉积氧化物涂层：在样品表面沉积一层厚度较薄的TiAlO2涂层；
(5)对涂层刀片进行微喷砂后处理：待涂层沉积完毕后，降低温度， 冷却后取出样品，对已沉积涂层的样品进行微喷砂后处理。喷砂用800#Al2O3砂，压力为4kg，手动干喷的时长为10s。(具体实验数据曲线参见图2 的D曲线)
如图1所示，为本发明制备方法的工艺流程图，从图中可以看出，该 方法过程相对比较简单，可以广泛商业化应用。
如图2所示，喷砂处理前后涂层摩擦力随加载载荷的变化而变化，可 以看出，对比例(即未作后处理的涂层)的摩擦力较大，实施例三的摩擦 力最小，由F＝μN得，对比例的涂层摩擦系数最大，实施例三的涂层摩擦 系数最小，说明后处理可以减小涂层摩擦系数，喷砂用800#Al2O3砂，压力 为4kg，手动干喷10s时效果最好。
如图3所示，喷砂前后大颗粒数量明显减小。经测量，喷砂前刀片电 阻为20MΩ，喷砂后为20Ω，说明最外层涂覆的绝缘层AlTiO2在喷砂过程 中被轰击掉了。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻 易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的 保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种微喷砂后处理减小涂层摩擦系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)样品前处理：将已沉积涂层的样品分别放入丙酮和乙醇中超声清洗，去除表面油污和水渍；
(2)装夹进炉：将处理后的样品均匀固定在转架上，并装入电弧离子镀膜机内；
(3)加热、抽真空：将炉腔内抽至真空，并升高温度；
(4)沉积氧化物涂层：在样品表面沉积一层厚度较薄的氧化物涂层；
(5)对涂层进行微喷砂后处理：待涂层沉积完毕后，降低温度，冷却后取出样品，对已沉积涂层的样品进行微喷砂后处理。
2.根据权利要求1所述一种微喷砂后处理减小涂层摩擦系数的方法，其特征在于，步骤(1)中，所选取样品均采用电弧离子镀方法在样品表面沉积涂层，且涂层表面无裂纹、损坏及其它缺陷；
超声清洗时长为15-30min。
3.根据权利要求2所述一种微喷砂后处理减小涂层摩擦系数的方法，其特征在于，在步骤(3)中，抽至真空的压力为7×10^4-7×10^3Pa，温度升高到300-400℃。
4.根据权利要求1所述一种微喷砂后处理减小涂层摩擦系数的方法，其特征在于，在步骤(4)中，沉积氧化物采用电弧离子镀。
5.根据权利要求4所述一种微喷砂后处理减小涂层摩擦系数的方法，其特征在于，在步骤(5)中，微喷砂采用的是600-1000#的Al2O3砂，压力为1-4kg，手动干喷的时长为10-30s。
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