CN111485208B - 一种气浮电机润滑涂层制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气浮电机润滑涂层制备方法，包括以下步骤：S1：利用气体离子源对基体表面进行高低能交替清洗；S2：利用BN加热器在真空度1×10^‑2‑1×10^‑3Pa下对清洗后的基体进行加温至第一预定温度，保温1‑5h；S3：将温度降至第二预定温度，利用磁过滤沉积技术，同时在基体上施加高功率脉冲偏压复合直流偏压进行类石墨涂层的沉积；然后将温度升至第三预定温度；S4：利用激光器对所述类石墨涂层进行表面刻蚀。该方法沉积速率高，成本低，能实现批量化生产。采用该方法制备的类金刚石涂层为硬度和氢含量循环交替变化的类石墨层状碳结构；且具备高耐腐蚀性，高抗裂纹扩展特性，高抗磨能力，同时具有高导电性，并且膜层致密性好。

Description

一种气浮电机润滑涂层制备方法

技术领域

本发明属于机械润滑领域，具体涉及一种气浮电机润滑涂层的制备方法。

背景技术

高速空气轴承在达到起浮转速以前,不能形成有效的动压气膜,存在着转子与轴承支承面间的干摩擦；在空气轴承工作过程中,也可能存在瞬间的超负荷现象；此外,作为在严重摩擦工况下工作的精密部件,对轴承的表面性能也提出了苛刻的要求,包括低的表面粗糙度、高载荷下低的滑动摩擦因数以及在极端工作条件下长的服役寿命等。

为满足箔片空气轴承长期稳定运行,必须提供足够的固体润滑,而沉积理想的固体润滑膜是箔片空气轴承制备的关键。

发明内容

本发明旨在解决上面描述的问题。本发明的目的是提供一种气浮电机润滑涂层制备方法。具体的，提供一种在轴承上制备图形化的类石墨涂层的方法；该方法沉积速率高，成本低，能实现批量化生产。采用该方法制备的类金刚石涂层为硬度和氢含量循环交替变化的类石墨层状碳结构；该涂层具备高耐腐蚀性，高抗裂纹扩展特性，高抗磨能力，同时具有高导电性，并且膜层致密性好。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种气浮电机润滑涂层制备方法，包括以下步骤：

S1：利用气体离子源对基体表面进行高低能交替清洗；

S2：利用BN加热器在真空度1×10^-2-1×10^-3Pa下对清洗后的基体进行加温至第一预定温度，保温1-5h；

S3：将温度降至第二预定温度，利用磁过滤沉积技术，同时在基体上施加高功率脉冲偏压复合直流偏压进行类石墨涂层的沉积；然后将温度升至第三预定温度；

S4：利用激光器对所述类石墨涂层进行表面刻蚀。

其中，所述磁过滤沉积技术具体为：使碳靶产生的碳离子依次穿过震荡线包、引流线包；

设置所述震荡线包的频率0.1～100Hz，电流为0-5A；

设置所述引流线包的频率为0.1～200Hz，电流为0.1～10A。

其中，所述步骤S3中，在沉积的最后5-10min时，然后将温度升至第三预定温度。

其中，所述步骤S2中，所述第一预定温度为700-800℃。

其中，所述步骤S3中，所述第二预定温度为150-250℃，所述第三预定温度为300-400℃。

其中，在所述步骤S3中，设置所述高功率脉冲偏压的电压为10～50kV，脉冲宽度为0.1～12ms，脉冲频率为1～100Hz，占空比小于1/10000，峰值功率为0.1～1MW。

其中，所述步骤S3中，在进行所述沉积时，设置起弧电流为50～100A，乙炔进气量1-100sccm，进气量满足

t为沉积时间1-32400s，沉积厚度1-15微米。

其中，所述步骤S4中，对所述类石墨涂层进行表面刻蚀具体为对所述类石墨涂层进行表面图形化；

其中，图形为同心圆，圆线宽0.1-1mm，深度1-50μm，同心圆半径差值0.1-50mm，同心圆数1-3个。

其中，所述步骤S1中，所述气体离子源为阳极层离子源，所述阳极层离子源能量为1～1200eV，束流强度为1～5A。

其中，所述步骤S1中，在进行所述高低能交替清洗后，基体表面的粗糙度小于0.2微米。

本发明的气浮电机润滑涂层制备方法，包括以下步骤：

先对基体表面进行湿喷砂、除油除脂处理。对基体表面湿喷时砂的粒径为200-500目，湿喷处理时间60-120s；然后把基体依次浸入丙酮、酒精进行超声波清洗以除油除脂。

S1：利用阳极层离子源对基体表面进行高低能交替清洗，对基体表面进行抛光或者刻蚀，获得粗糙度小于0.01微米的基体表面。其中，阳极层离子源能量为1～1200eV，束流强度1～5A。

相较于其他离子源，选用阳极层离子源设备成本简单、维护成本低；其次，阳极层离子源能够进行大面积的表面处理，工作稳定性好；另外，阳极层离子源是强流离子源，束流密度可调范围大。选用以上参数范围能够快速、稳定的对基体进行抛光处理，并且处理粗糙度可以通过能量进行有效控制。

S2：利用BN加热器在真空度1×10^-2-1×10^-3Pa下对基体进行加温至 700-800℃，保温1-5h；

相较于其他加热装置，氮化硼(BN)加热速度快，加热温度最高可至 2000℃，在真空下可方便完成轴承的退火工作。利用BN加热器可方便快速实现基体的加温，基体在700-800℃下可实现退火，增强基体的韧性。

S3：温度降至150-250℃时，利用磁过滤沉积技术，同时在基体上施加高功率脉冲偏压复合直流偏压进行类石墨(GLC)涂层的沉积；在沉积最后5-10min时，温度升为300-400℃；

在传统工艺中制备类石墨膜层沉积温度在25-150℃，本发明的制备方法中，沉积前段温度保持在150-250℃，在该温度下沉积主要是确保沉积时sp²键的形成，减少成膜时形成的压应力同时降低内应力；沉积结束前 5-10min，温度升温为300-400℃，促进表面层状结构的形成，进一步降低内应力。

进行沉积时，碳起弧电流为50～100A进气量满足

t为沉积时间1-32400s，沉积厚度1-15微米。

该过程为GLC沉积过程，本发明沉积的GLC是含氢GLC和非含氢 GLC的混合，每120s为一个周期循环进气，最大气量为100sccm；最大气量时GLC含氢量最高；含氢和非含氢的混合能够释放膜层本身内应力，同时对干磨时摩擦系数有明显的降低作用。在沉积过程中随着乙炔气体的增加sp³含量在增加，此时的sp³主要为C-H键，但膜层硬度并没有增加基本保持在1000HV-1500HV；含氢量的梯度变化能够改善膜层润滑特性，低乙炔进气量膜层硬度高，高低硬度的配合在实际起停时具备更低摩损量以及更高的起停次数。

具体的，磁过滤沉积技术具体为：依次穿过震荡线包、引流线包，一、进一步去除沉积过程中反弹的碳颗粒；二、中间密两边疏松结构进一步提高类金刚石膜层的均匀性。其中，震荡脉冲线包的电流为超强脉冲电流，震荡脉冲线包频率0.1～100Hz，电流为0-5A；主要控制碳弧斑运动，该强脉冲磁场方向与阴极靶平面的角度45-90°之间，大于该范围弧斑运动不稳，该线包能够大幅减少长时间起弧点的局部烧蚀，大大降低液滴；有别于现有的金属弧源控制线包，碳起弧状态和金属不一致，因其体密度，熔点等大不相同，控制碳弧斑运动难度很大，一般弱磁场对碳弧斑运动几乎影响不大，需超强磁场才能对碳起弧斑点运动进行控制。引流线包为形成等离子体引出等离子体的作用，是缠绕在弯管上的，引流线包的频率为 0.1～200Hz，电流为0.1～10A。

以上参数非独立参数，综合考虑各线包以及正偏压参数之间的相互作用，各参数相互影响。在以上参数范围内阴极弧源能够正常稳定工作，且引出的等离子体束流强度高。

高功率脉冲偏压的电压参数设置为20～50kV，脉冲宽度为0.1～1.2ms，脉冲频率为1～100Hz，占空比小于1/10000，峰值功率为5～15MW；直流偏压的电压为1～600V，占空比1～80％。该过程集超高功率超短占空比(占空比小于1/10000)以及低压高占空比与一体，既能利用超高功率偏压的瞬间强热峰效应降低内应力提高结合力，也能利用低压高占空比提高膜层的连续性和降低因长时间高负压造成的膜层溅射。该复合制备的膜层优点有：1、膜基结合力优异；2、膜层内应力超低；3、膜层弹性模量高，韧性好抗，磨损能力强；4、膜层沉积速率快；5、镀膜时等离子体绕射性好； 6、膜层表面粗糙度低，膜层光滑。

在沉积时，以上各参数相互影响，起弧电流以及基体复合偏压等相互配合相互制约，在以上参数下沉积的膜层致密性高，抗磨损能力强，同时沉积速率高。

S4：利用激光器对类石墨涂层进行表面刻蚀。

在步骤S4中，类石墨膜层沉积完成后对涂层进行激光图形化刻蚀，图形为同心圆，圆线宽0.1-1mm，深度1-50μm，同心圆半径差值0.1-50mm，同心圆数1-3个。

本发明的气浮电机润滑涂层制备方法，与现有技术相比，具有以下优势：

1、采用该方法制备的涂层致密性好，结合强度高，摩擦系数小于0.1，具备高抗摩擦磨损性能。

2、具备周期变化的硬度和sp³含量，能够在高外应力作用下阻止裂纹的产生和扩展。

3、沉积的工作在高温下进行，比传统含氢碳膜具备更高的耐温特性，高温下稳定性更优。

4、高功率脉冲偏压的加入使得沉积膜层内应力更低，在气浮轴承启动时更能够承受瞬间高压力，可提高气浮轴承起停次数3倍以上。

5、轴承表面的图形化能够释放表面内应力，同时在摩擦过程中的磨粒能够吸附在缝隙内，减少磨粒磨损带来的膜层损伤，提高整体的服役寿命。

参照附图来阅读对于实施例的以下描述，本发明的其他特性特征和优点将变得清晰。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理，在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例，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，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的一种气浮电机润滑涂层制备方法的示意图；其中，101为BN加热器，102为基体，103为气浮电机润滑涂层。

图2示出了根据本发明的一个实施例的气浮电机润滑涂层的SEM截面图；

图3示出了根据本发明的一种气浮电机润滑涂层制备方法其中两个实施例制备的气浮电机润滑涂层的韧性测试图；

图4示出了根据本发明的一种气浮电机润滑涂层制备方法其中两个实施例制备的气浮电机润滑涂层的摩擦系数测试图；其中，横坐标为时间，单位为min；纵坐标为摩擦系数。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本申请的气浮电机润滑涂层制备方法，包括以下步骤：

S1：利用阳极层离子源对基体表面进行高低能交替清洗，对基体表面进行抛光或者刻蚀，获得粗糙度小于0.01微米的基体表面。其中，阳极层离子源能量为1～1200eV，束流强度1～5A；

S2：利用BN加热器在真空度1×10^-2-1×10^-3Pa下对基体进行加温至 700-800℃，保温1-5h；

S3：温度降至150-250℃时，利用磁过滤沉积技术，同时在基体上施加高功率脉冲偏压复合直流偏压进行类石墨(GLC)涂层的沉积；在沉积最后5-10min时，温度升为300-400℃；

磁过滤沉积技术具体为：使碳靶产生的碳离子依次穿过震荡线包、引流线包；设置所述震荡线包的频率0.1～100Hz，电流为0-5A；设置所述引流线包的频率为0.1～200Hz，电流为0.1～10A。

进行沉积时，碳起弧电流为50～100A，乙炔进气量1-100sccm，进气量满足

t为沉积时间1-32400s，沉积厚度1-15 微米。

设置所述高功率脉冲偏压的电压为10～50kV，脉冲宽度为0.1～12ms，脉冲频率为1～100Hz，占空比小于1/10000，峰值功率为0.1～1MW。

S4：利用激光器对类石墨涂层进行表面刻蚀；

具体为对涂层进行激光图形化刻蚀，图形为同心圆，圆线宽0.1-1mm，深度1-50μm，同心圆半径差值0.1-50mm，同心圆数1-3个。

下面列出本发明气浮电机润滑涂层制备方法的部分实施例。

实施例

实施例1

S1：利用阳极层离子源进行高能1600V清洗基材，利用考夫曼离子源进行低能800V清洗基材；获得粗糙度小于0.01微米的基体表面。

S2：利用BN加热器在真空度1×10^-2-1×10^-3Pa下对基体进行加温至 700℃，保温1-5h；

S3：温度降至150℃时，利用磁过滤沉积技术，同时在基体上施加高功率脉冲偏压复合直流偏压进行类石墨(GLC)涂层的沉积；在沉积最后 5-10min时，温度升为300℃；

沉积过程施加高功率脉冲偏压10kV，脉冲宽度为1ms，脉冲频率为10Hz，占空比小于1/10000，峰值功率为0.1MW；在进行沉积时，起弧电流为50A，乙炔进气量10sccm，沉积10800s，沉积厚度2微米；

磁过滤沉积磁场参数如下：

震荡线包：频率10Hz，电流为1A；

引流线包：频率为10Hz，电流为1A。

S4：利用激光器对类石墨涂层进行表面刻蚀。

在步骤S4中，类石墨膜层沉积完成后对涂层进行激光图形化刻蚀，图形为同心圆，圆线宽0.1-1mm，深度1-50μm，同心圆半径差值0.1-50mm，同心圆数1-3个。

实施例2

S1：利用阳极层离子源进行高能1800V清洗基材，利用考夫曼离子源进行低能600V清洗基材；获得粗糙度小于0.01微米的基体表面。

S2：利用BN加热器在真空度1×10^-2-1×10^-3Pa下对基体进行加温至800℃，保温1-5h；

S3：温度降至250℃时，利用磁过滤沉积技术，同时在基体上施加高功率脉冲偏压复合直流偏压进行类石墨(GLC)涂层的沉积；在沉积最后 5-10min时，温度升为400℃；

沉积过程施加高功率脉冲偏压50kV，脉冲宽度为12ms，脉冲频率为 100Hz，占空比小于1/10000，峰值功率为1MW；在进行沉积时，起弧电流为100A，乙炔进气量100sccm，沉积10800s，沉积厚度15微米；

磁过滤沉积磁场参数如下：

震荡线包：频率100Hz，电流为5A；

引流线包：频率为200Hz，电流为10A。

S4：利用激光器对类石墨涂层进行表面刻蚀。

在步骤S4中，类石墨膜层沉积完成后对涂层进行激光图形化刻蚀，图形为同心圆，圆线宽0.1-1mm，深度1-50μm，同心圆半径差值0.1-50mm，同心圆数1-3个。

测试例

为了进一步地显示本发明的气浮电机润滑涂层的有益效果，对实施例涂层的性能进行了测试。

由图3的洛氏压坑测试可以看到，本申请的气浮电机润滑涂层制备方法所制备的润滑涂层，膜层具备很高的韧性。

在常温常压下整体膜层摩擦系数测试结果显示(图4)：膜层摩擦系数稳定在0.05左右，膜层具备很好的抗摩擦磨损性能。

综上所述，本发明的气浮电机润滑涂层制备方法，高功率脉冲偏压的加入使得沉积膜层内应力更低，在气浮轴承启动时更能够承受瞬间高压力，可提高气浮轴承起停次数3倍以上；轴承表面的图形化能够释放表面内应力，同时在摩擦过程中的磨粒能够吸附在缝隙内，减少磨粒磨损带来的膜层损伤，提高整体的服役寿命。采用该方法制备的润滑涂层，涂层致密性好，结合强度高，摩擦系数小于0.1，具备高抗摩擦磨损性能；具备周期变化的硬度和sp³含量，能够在高外应力作用下阻止裂纹的产生和扩展；沉积的工作在高温下进行，比传统含氢碳膜具备更高的耐温特性，高温下稳定性更优。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种气浮电机润滑涂层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：利用气体离子源对基体表面进行高低能交替清洗；

S2：利用BN加热器在真空度1×10^-2-1×10^-3Pa下对清洗后的基体进行加温至第一预定温度，保温1-5h；所述第一预定温度为700-800℃；

S3：将温度降至第二预定温度，利用磁过滤沉积技术，同时在基体上施加高功率脉冲偏压复合直流偏压进行类石墨涂层的沉积；在沉积的最后5-10min时，将温度升至第三预定温度；所述第二预定温度为150-250℃，所述第三预定温度为300-400℃；

在进行所述沉积时，设置起弧电流为50～100A，乙炔进气量1-100sccm，进气量满足

t为沉积时间1-32400s，沉积厚度1-15微米；

S4：利用激光器对所述类石墨涂层进行表面刻蚀。

2.如权利要求1所述的气浮电机润滑涂层制备方法，其特征在于，所述磁过滤沉积技术具体为：使碳靶产生的碳离子依次穿过震荡线包、引流线包；

设置所述震荡线包的频率0.1～100Hz，电流为0-5A；

设置所述引流线包的频率为0.1～200Hz，电流为0.1～10A。

3.如权利要求1所述的气浮电机润滑涂层制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，设置所述高功率脉冲偏压的电压为10～50kV，脉冲宽度为0.1～12ms，脉冲频率为1～100Hz，占空比小于1/10000，峰值功率为0.1～1MW。

4.如权利要求1所述的气浮电机润滑涂层制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，对所述类石墨涂层进行表面刻蚀具体为对所述类石墨涂层进行表面图形化；

其中，图形为同心圆，圆线宽0.1-1mm，深度1-50μm，同心圆半径差值0.1-50mm，同心圆数1-3个。

5.如权利要求1所述的气浮电机润滑涂层制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述气体离子源为阳极层离子源，所述阳极层离子源能量为1～1200eV，束流强度为1～5A。

6.如权利要求1所述的气浮电机润滑涂层制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，在进行所述高低能交替清洗后，基体表面的粗糙度小于0.2微米。

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