CN111485214B - 一种复合梯度结构改性层的制备方法和产品 - Google Patents

一种复合梯度结构改性层的制备方法和产品 Download PDF

Info

Publication number
CN111485214B
CN111485214B CN202010175916.6A CN202010175916A CN111485214B CN 111485214 B CN111485214 B CN 111485214B CN 202010175916 A CN202010175916 A CN 202010175916A CN 111485214 B CN111485214 B CN 111485214B
Authority
CN
China
Prior art keywords
modified layer
ion
gradient structure
substrate
base material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010175916.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111485214A (zh
Inventor
金杰
陈丹丹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Jiaotong University
Original Assignee
Beijing Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Jiaotong University filed Critical Beijing Jiaotong University
Priority to CN202010175916.6A priority Critical patent/CN111485214B/zh
Publication of CN111485214A publication Critical patent/CN111485214A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111485214B publication Critical patent/CN111485214B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/48—Ion implantation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/021—Cleaning or etching treatments
    • C23C14/022—Cleaning or etching treatments by means of bombardment with energetic particles or radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C23C14/165—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/46—Sputtering by ion beam produced by an external ion source
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54—Controlling or regulating the coating process
    • C23C14/542—Controlling the film thickness or evaporation rate

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明提供了一种复合梯度结构改性层的制备方法和产品，具体为离子注入调控沉积的梯度结构固体润滑膜制备方法和应用轴承等产品，用于解决现有固体润滑耐磨性差和无抗接触疲劳性能的问题，该方法采用离子清洗、离子注入和离子束辅助沉积在材料的表面制备新型复合梯度结构固体润滑改性层，改性的表面基本不存在大颗粒，膜层致密，优于现有技术的单纯注入或者Ag固体润滑膜。

Description

一种复合梯度结构改性层的制备方法和产品
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，尤其涉及一种利用离子注入和辅助沉积技术制备 具有固体自润滑功能的复合梯度结构改性层的制备方法和利用该制备方法制备的产品。
背景技术
滚动轴承和齿轮等是传动系统的基础零部件，也是传动部件中的核心部件。特别是真 空、射线、高速、高温、超低温、高负载和复杂工况条件下，轴承等基础零部件由于工作面的磨损或者疲劳早期失效而导致整个产品失效，带来较大的资源浪费。表面改性技术是提高此类基础产品表面性能的方法之一，特别是在航空航天等高速重载条件下的轴承，需要较好的固体润滑性能，同时还需要较高的抗磨损和抗疲劳性能，比如超低温下的大推力火箭液氢涡轮泵轴承。单一的改性层已经远远满足不了快速发展的航空航天轴承性能需要。
传统的镀膜技术中，磁控溅射是一种广泛应用的薄膜沉积技术，以溅射率高、基片温 升低、膜基结合力不强、装置性能稳定、操作控制方便、可实现大面积镀膜等优点，在机械、电子、能源、信息等方面得到广泛关注，并且被成功地应用于薄膜沉积和表面覆盖层 制备。但是，由于溅射时离化率低，膜层致密度不够，薄膜沉积速率也较低，薄膜与基材 结合力不够，膜层性能不能满足在高负载和极端工况下的使用需求。
离子束辅助沉积镀膜(Ion Beam Assisted Deposition)简称IBAD，是上世纪80年代中 期发展起来的一种新兴镀膜技术，它是在传统溅射镀膜技术的基础上，同时用一束离子束 对基片施以某离子轰击或者注入以加速夯实沉积的膜层。利用离子束辅助沉积技术调控沉 积中的薄膜，改善薄膜性能，是开发新膜层体系和新材料的方法之一。这是因为外来离子 对凝聚的粒子的动量传递，使得凝聚粒子的能量和稳定性增加，从而导致很高的堆积密 度，改善膜层的结构和性能，而且还可以控制温度，实现在室温条件下的所谓“冷镀”，这使得生产过程中零件的镀膜也成为可能。金杰等对比了磁控溅射与离子束辅助沉积技术对Ag膜性能的影响，发现IBAD技术可细化薄膜沉积的晶粒度，并在基层与银膜之间制备 一层过渡层，大大提高了膜层与基材的结合力，进而提高了耐磨性。郭毓锋等人采用离子 束辅助沉积技术制备了WS2-Ti-Ag复合薄膜，发现薄膜是非晶态薄膜，并且随着法向载荷 的增加，复合薄膜的摩擦因数减小，摩擦状态越稳定，耐磨寿命越短。
离子注入是将离子源产生的离子经加速后高速射向材料表面，当离子进入表面，将与 固体中的原子进行级联碰撞，在基材内部形成长程效应，这些撞击原子再与其它原子碰 撞，后者再继续下去，在基材表面一定深度内形成位错、空位和超饱和固溶的强化区。且研究表明，采用惰性气体Ar离子注入可在材料表面形成尺寸分散很小的纳米空腔埋层。离子注入技术是精密及超精密金属等零件的强化技术，这种技术可以有效地加工和改善材料次表层性能，并且形成长程梯度结构，增加材料在高负载等工况下的耐磨和抗疲劳性能。例如，离子注入可以通过注入氮离子和铬离子增加钢的附着和耐腐蚀性。研究发现，高剂量N植入目标金属可以提高涂层的机械性能，如耐磨损、疲劳强度和硬度，但同时可能引 起韧性的降低。
离子注入是滚动轴承中常用的提高耐磨和抗接触疲劳性能的方法，但离子注入层在超 高低温情况下耐磨性能不足。固体润滑材料常用的MoS2、WS2、石墨、和软金属等材料，根据不同的使用温度和应用范围，这些材料得到较多的应用，但这些固体润滑膜层具有较低的硬度，润滑性能好，但抗疲劳性能不足。
现多数文献和专利也有采用磁控溅射结合离子注入的方法来对膜层进行改性，如中国 发明专利公开说明书CN110144560A提供一种复合了脉冲磁控溅射和离子注入的复合表面 改性方法及装置，其先进行磁控溅射再利用磁控脉冲结束瞬间，利用残余等离子体能量进 行离子注入，侧重于镀膜和基材界面结合进行处理提高膜层结合力等性能，对基材一定深 度的耐磨等性能没有办法进一步提高，所制样品与本方法制备的样品相比，耐磨和抗疲劳 性能不足。
发明内容
本发明的实施例提供了一种复合梯度结构改性层的制备方法和产品，用于解决现有固 体润滑膜耐磨性能不足，离子注入层较薄，润滑性能不足的技术问题，克服二者的缺点和 利用二者的优点进行协同强化，设计从表面固体润滑到基材梯度变化提高基材耐磨和抗接 触疲劳性能的一体化复合梯度结构改性层。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种复合梯度结构改性层的制备方法，包括：
对基材表面进行真空离子清洗；
在基材表面进行金属气体离子注入，形成梯度结构共混区；
通过离子束辅助沉积，在基材表面形成沉积的改性层；
设置改性层的沉积和离子注入的调控参数，交替进行离子注入和离子束辅助沉积，在 基材表面形成复合梯度结构改性层。
优选地，对基材表面进行真空离子清洗包括：
在镀膜装置的真空密闭环境内，通过低能离子轰击基材表面进行真空离子清洗；
具体包括如下子步骤：
对镀膜装置的真空密闭环境通入纯度为99.99％的Ar气，工作气压为0Pa～5Pa；
低能离子轰击的工作电压为500V～1000V，工作电流为5mA-20mA；
镀膜装置的真空密闭环境的真空度为3.0×10-4Pa～1.8×10-3Pa；
低能离子轰击的处理时间为20～80min。
优选地，在基材表面进行金属气体离子注入，形成梯度结构共混区包括：
通过高能离子源、高能气体源进行金属离子和惰性气体离子注入，在基材表面制备梯 度结构的离子注入层，该离子注入的工作电压为0.5Kv-100Kv。
优选地，通过离子束辅助沉积，在基材表面形成沉积的改性层包括：
通过磁控溅射镀膜装置对基材表面进行梯度结构改性层复合沉积，磁控溅射镀膜装置 工作时间为5min～30min；
通过离子束辅助沉积对基材表面进行复合梯度结构改性层沉积，离子束辅助沉积装置 工作时间为5～30min；
上述两个子步骤同时执行。
优选地，设置改性层的沉积和离子注入的调控参数，交替进行离子注入和离子束辅助 沉积，在基材表面形成复合梯度结构改性层包括：
S1对基材表面沉积的改性层进行离子注入；
交替执行步骤S1和通过离子束辅助沉积，在基材表面形成沉积的改性层；
以步骤S1为结束。
优选地，交替执行步骤S1和通过离子束辅助沉积，在基材表面形成沉积的改性层中： 高能气体离子注入源工作电压交替变化，由120kV降至10kV，降幅为20-5Kv/次，工作电流 5mA-50mA，工作时间为1min-10min；
通过磁控溅射镀膜装置对基材表面进行梯度结构改性层复合沉积中：磁控溅射镀膜装 置的溅射电压为300V～800V，溅射电流为1A～5A；磁控溅射镀膜装置的溅射气流包括纯 度为99.99％的Ar气，该溅射气流的气压为0.5×10-1Pa～2.0×10-1Pa；磁控溅射镀膜装置的 脉冲负偏压-80V～-900V。
优选地，通过离子束辅助沉积，在基材表面形成沉积的改性层的步骤中还包括使用靶 材并通过离子束辅助沉积的过程；
靶材为Ag靶材，该Ag靶材的直径为60-150mm，Ag含量99.9％-99.99％。
第二方面，本发明提供一种复合梯度结构改性层的产品，包括基材，该基材表面具有 通过上述的方法得到的复合梯度结构改性层。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供的一种注入和沉积复合 梯度结构改性层制备的方法和产品，用于解决现有技术中Au、Ag、Pb、MoS2、WS2等固 体润滑耐磨性差和抗接触疲劳性能低，以及可以使用在高温及超低温轴承的磨损和接触疲劳问题，其方法采用离子注入和离子束辅助沉积方法进行金属材料表面改性，使基材表面形成具有固体自润功能新型复合梯度结构改性层。单一离子注入和单独辅助沉积固体润滑膜都不具备的功能，但本发明也不仅仅是二者工艺的简单组合，在结合材料结构设计和制备方法设计基础上的能量调控使改性层呈现功能性复合梯度结构是本技术的关键。优于现有技术的单纯注入或者单纯沉积固体润滑膜。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明 显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为本发明提供的一种复合梯度结构改性层的制备方法流程图；
图2为利用本发明提供的一种复合梯度结构改性层的制备方法制备的样品截面图；
图3为图2的结构示意图；
图4为利用本发明提供的一种复合梯度结构改性层的制备方法制备的样品改性层的摩擦 磨损曲线图；
图5为本发明实施例中注入和固体润滑改性层制备装置结构示意图正视图；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使 用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除 存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理 解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元 件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接 或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组 合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语 和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理 解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义 一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解 释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明提供的一种复合梯度结构改性层的制备方法和产品，目的是解决申请人发现 的：采用离子注入和离子束辅助沉积方法在材料的表面制备出新型结构具有梯度过渡的复 合结构固体自润滑改性层，可以解决目前现有的一些固体润滑膜(例如Ag膜制备方法主要 为磁控溅射法)存在耐磨性能不够、抗疲劳性能低的问题；解决磁控溅射制备改性层结合 力低、硬度低、滑动过程中易转移或磨损问题；以及离子镀会在工件表面沉积大量大颗粒 易导致改性层剥离失效，使得改性层的耐磨性能受到影响，也不能完全满足长寿命固体润 滑设备仪器的需要问题；以及掺杂体系镶嵌的具有梯度结构的复合改性层体系中，掺杂Cu 和Ta的Ag膜抗磨、抗腐蚀固体润滑膜体系，具有在保持固体润滑性能的同时具有增强，耐 磨和抗腐蚀性能，却难以满足高真空、高转速、高辐射等耦合工况下的零件的固体润滑实 际使用需要，以及深太空使用的航天部件需要具有高低温交变固体润滑和耐磨损性能和在 海洋发射环境需要耐腐蚀性能的技术问题而提出的方案。
参见图1，本发明提供的方法，包括如下步骤：
对基材表面进行真空离子清洗；
在基材表面进行金属气体离子注入，形成梯度结构共混区；
通过离子束辅助沉积，在基材表面形成沉积的改性层；
设置改性层的沉积和离子注入的调控参数，交替进行离子注入和离子束辅助沉积，在 基材表面形成复合梯度结构固体自润滑改性层；
获得镀膜产品。
本发明提供的方法，以靶材对轴承滚道表面改性，采用金属、气体离子源、离子束辅 助沉积方法在材料的表面制备新型复合梯度结构离子注入和固体自润滑改性层，该轴承滚 道材料表面改性层固体润滑性能良好，显著降低工件表面摩擦系数，并且保持了良好的耐 磨损、抗疲劳、良好固体润滑性能。
进一步的，在一些优选实施例中，对基材表面进行真空离子清洗包括：在真空密闭环 的镀膜装置境内，通过低能离子轰击基材表面进行真空离子清洗；具体可以是将基材放入 镀膜装置的真空室内，对基材表面进行真空离子清洗；
更进一步的，将真空室抽真空，在真空度为3.0×10-4Pa～1.8×10-3Pa条件下，采用灯丝离 子源低能离子轰击对基材表面进行真空离子清洗，镀膜装置的气源采用纯度为99.99％的Ar 气，真空室通入Ar气使其工作气压为0Pa～5Pa，灯丝离子源低能离子轰击的电压为500V～- 1000V，电流5mA-20mA，进行辉光发电，清洗所述基材表面，轰击处理时间20～80min。
进一步的，上述的在基材表面进行金属离子注入，形成梯度结构共混区包括：
通过金属离子源进行金属离子注入，在基材表面制备梯度结构的离子注入层，形成过 渡层结构，提高基材表面质量；该金属离子注入的工作电压为0.5Kv-100Kv；注入能量5keV-240keV。
进一步的，在一些优选实施例中，上述的通过离子束辅助沉积，在基材表面形成沉积 的改性层包括如下子步骤：
通过磁控溅射镀膜装置对基材表面进行梯度结构固体自润滑改性层复合沉积，所述磁 控溅射镀膜装置工作时间为5min～30min；
通过离子束辅助沉积对基材表面进行复合梯度结构固体自润滑改性层沉积，所述离子 束辅助沉积装置工作时间为5～30min；
在第二个子步骤中，气体离子辅助源工作电压为500V-1000V，工作电流5mA-50mA工 作时间为5min-10min；
在第一个子步骤中，磁控溅射镀膜装置的溅射电压为300V～800V，溅射电流为1A～ 5A；磁控溅射镀膜装置的溅射气流包括纯度为99.99％的Ar气，该溅射气流的气压为0.5× 10-1Pa～2.0×10-1Pa；磁控溅射镀膜装置的脉冲负偏压-80V～-900V；
上述两个子步骤同时执行；
进一步的，上述的设置改性层的沉积和离子注入的调控参数，交替进行离子注入和离 子束辅助沉积，在基材表面形成复合梯度结构固体自润滑改性层包括：
S1对基材表面沉积的改性层进行金属、气体离子注入；
交替执行所述步骤S1和所述的通过离子束辅助沉积，在基材表面形成沉积的改性层； 交替执行的次数为3～10次；
以所述步骤S1为结束。
本领域技术人员应当理解的是，同时进行金属和惰性气体离子注入，是采用惰性气体 Ar离子注入可在材料表面形成尺寸分散很小的纳米空腔埋层这一原理，制备金属注入梯度 共混区。
在交替执行上述步骤的过程中，气体离子注入源工作电压交替变化，即气体离子注入 源工作电压交替变化，即交替执行上述过程时，气体离子注入源的工作电压随执行过程的 变化而改变，由120kV降至10kV，降幅为20-5Kv/次，工作电流5mA-80mA，工作时间为1min-10min。
在另一些优选实施例中，在通过离子束辅助沉积，在基材表面形成沉积的改性层的步 骤中还包括使用靶材并通过离子束辅助沉积的过程；
该靶材为Ag靶材，该Ag靶材的直径为60-150mm，Ag含量99.9％-99.99％。
本发明提供的方法，适用于多种材料镀膜产品的生产，例如在不锈轴承钢基材上镀Ag 膜，在该实施例中，前述步骤中金属离子注入采用Ag或者Ti等离子注入，惰性气体离子辅 助采用通Ar气的方式，靶材为Ag靶材，该Ag靶材的直径为60-150mm，Ag含量99.9％-99.99％；也可以用于镀其它金属膜例如Cu、Pu膜产品。图2、3显示了使用本发明提供的方法获得的镀膜产品的结构示意图。
需要说明的是，表面固体润滑膜制备装置对材料表面进行固体润滑改性层复合沉积改 性交替次数不受限制，本领域技术人员可以根据实际需要对负偏压的具体条件进行选择； 根据本发明的一个优选具体实施例，交替沉积6次，发明人发现，该交替注入次数可以明显 得到了性能优异的新型结构固体润滑膜。
进一步的，在一些优选实施例中，还包括在对基材表面进行真空离子清洗之前对基材 进行预处理，去除基材表面附着物的步骤：
通过金属除脂溶剂擦拭去除基材表面的油脂；
通过四氯乙烯试剂浸泡去除基材表面的残余油脂杂质；
通过金属清洗剂和超声清洗装置去除基材表面的有机物残留；
执行了上述三个子步骤后，通过烘干装置对基材进行烘干。
具体可以是：采用金属除脂溶剂擦拭去除该金属材料的表面油脂，采用四氯乙烯试剂 浸泡20～300分钟去除该金属材料的表面残余油脂杂质，采用金属清洗剂在所述超声清洗机 中超声清洗10～60分钟，去除金属材料表面有机物残留，然后放置于所述烘干箱中烘干 10～60分钟。
进一步，在一些优选实施例中，还包括在获得镀膜产品之后，封存镀膜产品的步骤：
将镀膜产品置于酒精溶液中，并通过超声清洗装置清洗镀膜产品；
将该清洗后的镀膜产品置于烘干装置内烘干60分钟以上；
通过真空封装设备，将该烘干后的镀膜产品进行真空封装。
具体可以是，材料清洗后烘干并真空密封封存，是将表面生成新型注入梯度结构和固 体润滑膜后的所述金属材料放入酒精溶液中超声清洗机中超声清洗5～60分钟，取出使用干 净绸布擦干，然后放置于所述烘干箱中烘干10～60分钟，并将烘干后的上述金属材料用所述 真空封装机真空密封封存。
参考图2和3，为本发明一实施例的样品截面图，由图可见；本方法先进行离子注入， 对基材进行预强化，形成过渡层，并交替不同能量值Ar气离子注入轰击已沉积改性层，夯 实改性层，改变晶粒尺寸大小，形成梯度结构；再结合磁控溅射辅助离子束沉积技术制备 沉积层，并且，表面处理后的工件表面膜厚呈明显梯度性从基底向表面递增，这是由于使 用不同能量惰性气体在每次离子注入薄膜轰击改性层形成的，区别于现有多层薄膜制备手 段，区别于现有Ag固体润滑薄膜结构，并且改性层致密，薄膜与基体结合良好，抗腐蚀固 体润滑膜体系改性层中复合梯度均匀清晰，未出现明显岛状颗粒，表面光洁度保持较好； 本发明制备的薄膜还具有结合力牢靠，耐磨损与抗解除疲劳性能大幅提高的效果。
本发明提供的方法离子注入在滚道表面制备梯度过渡的离子注入层，如图3所示的，离 子注入可以在轴承材料表面一定深度制备从非晶-纳米—细晶一体化的梯度结构层，具有较 强的耐磨和超韧性能，大幅度提高耐磨损和抗接触疲劳性能；同时在此梯度结构功能层的 基础上沉积Ag等固体润滑改性层，还可以增加超高高低温条件下的轴承固体润滑协同性 能。此技术还可以应用到航天飞机、战斗机、军用机械齿轮、花键传动等国防领域。
参见图4，为本发明一实施例的金属材料生成新型结构固体润滑薄膜后的摩擦磨损曲线 图。对表面处理后的基材进行表面检测，以50g载荷、100rpm转速室温条件下进行测试， 其固体润滑摩擦系数在30min内保持稳定，摩擦系数为0.1～0.3，摩擦磨损曲线基本保持稳 定、波动较小。
参见图5，为本发明一实施例的固体润滑改性层制备装置的示意图。本发明的固体润滑 膜制备装置，包括真空室和与该真空室连接的高能金属离子注入源、高能气体离子注入 源、低能气体离子辅助源和磁控溅射镀膜装置。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性 的，而不以任何方式限制本发明。
本发明采用离子注入梯度调控和复合梯度固体润滑膜层制备方法相融合，将离子注入 抗磨和抗疲劳性能与梯度耐磨固体润滑膜层，从梯度材料性能设计和制备参数有机的融 合，超出单独两种工艺设计的组合性能。
本发明还提供一个实施例，示例性地显示本发明提供一个优选方式：
首先采用金属除脂溶剂去金属基体材料上油脂，使其表面不能有油脂，然后将基体材 料放入无污染的四氯乙烯中浸泡25分钟后取出，再用宣纸吸净残留溶剂后擦干；然后接着 将经过上述处理过的基体材料放入金属清洗剂中，使用超声清洗机中超声清洗30分钟。得 到前处理过的金属基体材料，然后将上述前处理过的金属基体材料放到真空室工装台上， 将真空室抽真空，在真空度为3.0×10-4P条件下，采用离子源低能离子轰击对基材表面进行 真空离子清洗，表面固体润滑膜制备装置气源采用纯度为99.99％的Ar气，真空室通入Ar气 使其工作气压为0Pa～5Pa，灯丝离子源低能离子轰击的电压至700V，进行辉光发电，清洗 所述基材表面；使用表面固体润滑膜制备装置对材料表面进行固体润滑改性层复合沉积改 性，磁控溅射镀膜装置运行的溅射电压为500-800V，溅射电流为1-3A，通入Ar气，溅射气 压为
Figure RE-GDA0002547765200000101
脉冲负偏压
Figure RE-GDA0002547765200000102
开启离子束沉积设备，离子源电 压为10kV-120kV，电流5mA-80mA。在交替沉积过程中，电压从120kV降至10kV，降幅为 20kV。使用Ag靶材，其中Ag靶材中Ag含量99.99％。采用金属和气体离子源进行金属和气体离子注入，在基材表面制备梯度结构的离子注入层；开启磁控溅射镀膜装置，沉积时间5min～30min；开启离子束辅助沉积装置，沉积时间5～30min，交替6次，以离子注入为结束，最终在材料表面制备得到复合强化的新型注入梯度结构和固体润滑膜，将表面生成新型结构固体润滑膜后的所述金属材料放入酒精溶液中超声清洗机中超声清洗30分钟，取出使用干净绸布擦干，然后放置于所述烘干箱中烘干60分钟，并将烘干后的上述金属材料用所述真空封装机真空密封封存。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性 的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实 施例进行变化、修改、替换和变型。
第二方面，本发明还提供一种离子注入和辅助沉积具有固体自润滑功能的复合梯度结 构改性层制备的改性层的产品，其特征在于，包括基材，该基材表面具有通过上述的方法 得到的固体自润滑膜。该方法可以应用在多种金属零件或产品上，如轴承滚道和齿轮齿 面。
综上所述，本发明提供的一种利用离子注入和辅助沉积技术具有固体自润滑功能的复 合梯度结构改性层的制备方法和产品，用于解决现有技术中金属(Ag)固体润滑耐磨和抗 接触疲劳性能低，以及固体润滑膜要有良好润滑性能同时保持较好抗接触疲劳性能的问 题，其方法采用离子注入和离子束辅助沉积方法以固体润滑靶材对金属材料表面改性，在 材料的表面制备新型复合梯度结构固体自润滑改性层，沉积速率高，制备时间短，改性的 表面基本不存在大颗粒，改性层致密，且耐磨性能也摩擦系数低，还具有耐腐蚀，优于现 有技术的单纯注入或者固体润滑膜。通过调整溅射电压、溅射电流等参数控制改性层的生 长，以交替复合方法优化改性层结构，形成新型梯度结构注入和固体自润滑改性层。本发 明制备的新型梯度结构固体润滑改性层以50g载荷、100rpm转速室温条件下进行测试，其 固体润滑摩擦系数在30min保持稳定，摩擦系数为0.05～0.3。
本发明提供的方法离子注入在轴承基材表面制备梯度过渡的离子注入层，离子注入可 以在基材材料一定深度制备从非晶-纳米—细晶一体化的梯度结构层，具有较强的耐磨和超 韧性能，大幅度提高耐磨损和抗接触疲劳性能；同时在此梯度结构功能层的基础上沉积Ag 等固体润滑改性层，还可以增加超高或者超低温条件下的轴承固体润滑协同性能。此技术 还可以应用到航天飞机、战斗机、军用机械齿轮、花键传动等军事领域。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程 并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互 相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系 统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法 实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为 分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或 者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以 根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技 术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为 准。

Claims (7)

1.一种复合梯度结构改性层的制备方法，其特征在于，包括：
对基材表面进行真空离子清洗；
在基材表面进行金属气体离子注入，形成梯度结构共混区；具体包括：通过高能离子源、高能气体源进行金属离子和惰性气体离子注入，在基材表面制备梯度结构的离子注入层；所述金属离子为Ag离子或Ti离子，所述惰性气体离子为Ar离子；
通过离子束辅助沉积，在基材表面形成沉积的改性层；
设置改性层的沉积和离子注入的调控参数，交替进行离子注入和离子束辅助沉积，在基材表面形成复合梯度结构改性层；具体包括：
S1对基材表面沉积的改性层进行离子注入；
交替执行所述步骤S1和所述的通过离子束辅助沉积，在基材表面形成沉积的改性层；
以所述步骤S1为结束；
上述子步骤中，高能气体离子注入源工作电压交替变化，由120kV降至10kV，降幅为20-5Kv/次，工作电流5mA-50mA，工作时间为1min-10min；
所述改性层为Ag膜或Ti膜的改性层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对基材表面进行真空离子清洗包括：
在镀膜装置的真空密闭环境内，通过低能离子轰击基材表面进行真空离子清洗；
具体包括如下子步骤：
对所述镀膜装置的真空密闭环境通入纯度为99.99％的Ar气，工作气压为0Pa～5Pa；
所述低能离子轰击的工作电压为500V～1000V，工作电流为5mA-20mA；
所述镀膜装置的真空密闭环境的真空度为3.0×10-4Pa～1.8×10-3Pa；
所述低能离子轰击的处理时间为20～80min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的在基材表面进行金属气体离子注入，形成梯度结构共混区的步骤中，该离子注入的工作电压为0.5Kv-100Kv。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的通过离子束辅助沉积，在基材表面形成沉积的改性层包括：
通过磁控溅射镀膜装置对基材表面进行梯度结构改性层复合沉积，所述磁控溅射镀膜装置工作时间为5min～30min；
通过离子束辅助沉积对基材表面进行复合梯度结构改性层沉积，所述离子束辅助沉积装置工作时间为5～30min；
上述两个子步骤同时执行。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述的通过磁控溅射镀膜装置对基材表面进行梯度结构改性层复合沉积中：磁控溅射镀膜装置的溅射电压为300V～800V，溅射电流为1A～5A；磁控溅射镀膜装置的溅射气流包括纯度为99.99％的Ar气，该溅射气流的气压为0.5×10-1Pa～2.0×10-1Pa；磁控溅射镀膜装置的脉冲负偏压-80V～-900V。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的通过离子束辅助沉积，在基材表面形成沉积的改性层的步骤中还包括使用靶材并通过离子束辅助沉积的过程；
所述靶材为Ag靶材，该Ag靶材的直径为60-150mm，Ag含量99.9％-99.99％。
7.一种复合梯度结构改性层的产品，其特征在于，包括基材，该基材表面具有通过如权利要求1至6任一所述的方法得到的复合梯度结构改性层。
CN202010175916.6A 2020-03-13 2020-03-13 一种复合梯度结构改性层的制备方法和产品 Active CN111485214B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010175916.6A CN111485214B (zh) 2020-03-13 2020-03-13 一种复合梯度结构改性层的制备方法和产品

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010175916.6A CN111485214B (zh) 2020-03-13 2020-03-13 一种复合梯度结构改性层的制备方法和产品

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111485214A CN111485214A (zh) 2020-08-04
CN111485214B true CN111485214B (zh) 2021-06-01

Family

ID=71811698

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010175916.6A Active CN111485214B (zh) 2020-03-13 2020-03-13 一种复合梯度结构改性层的制备方法和产品

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111485214B (zh)

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08165561A (ja) * 1994-12-12 1996-06-25 Nippon Light Metal Co Ltd 非溶出抗菌部材及び製造方法
CN1172019C (zh) * 2001-09-12 2004-10-20 湖南大学 双离子束直接沉积类金刚石膜的工艺
CN201517129U (zh) * 2009-10-29 2010-06-30 中国计量学院 多功能离子束复合处理系统
CN101787512A (zh) * 2009-12-31 2010-07-28 中国地质大学（北京） 一种多元金属元素掺杂类金刚石膜的制备方法
CN101962746B (zh) * 2010-10-08 2012-09-12 中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所 金属零件表面制备高附着力Ta和TaN叠层薄膜的方法
CN102828157B (zh) * 2012-07-30 2014-04-30 北京航空航天大学 一种Nb离子注入沉积对医用TiNi形状记忆合金进行表面改性的方法
CN103498129B (zh) * 2013-09-03 2015-08-19 北京航空航天大学 一种铁离子注入沉积对生物降解镁和镁合金进行表面改性的方法
CN104962859B (zh) * 2014-09-05 2018-04-24 北京机械工业自动化研究所 WS2/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111485214A (zh) 2020-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8119240B2 (en) Metal-free diamond-like-carbon coatings
Yuan et al. Recent developments in research of double glow plasma surface alloying technology: a brief review
CN104962859B (zh) WS2/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法
CN105644059B (zh) 一种磁控溅射含银超低摩擦系数类石墨碳膜的制备方法
US9222166B2 (en) Slide parts and equipment including same
KR101699774B1 (ko) 다이아몬드 라이크 카본 피막 형성 부재 및 그 제조 방법
WO1995012693A9 (en) Method for producing diamond-like carbon layers
CN107034440A (zh) 一种复合类金刚石碳膜及其制备方法
CN104278241B (zh) 一种具有多环境适应性的薄膜材料的制备技术
CN106884149A (zh) 水环境耐磨涂层、其制备方法及应用
KR20150077450A (ko) 코팅을 가진 부품 및 이의 제조방법
CN113774315B (zh) 一种航空重载齿轮及其制备方法
CN111485214B (zh) 一种复合梯度结构改性层的制备方法和产品
CN112458438B (zh) 一种铬基氮化物梯度复合涂层结构及其原位制备方法
Zhang et al. Study on the substrate surface micro-texturing/carburizing regulating the film-substrate adhesion and wear behavior of DLC coatings
Sharifahmadian et al. Comprehensive tribological study of optimized N-DLC/DLC coatings fabricated by active screen DC-pulsed PACVD technique
CN111534803A (zh) 一种Mo-V-C-N复合涂层的制备方法
JP3654918B2 (ja) 摺動材料
JP2016196690A (ja) 摺動部材および摺動機械
CN108179390A (zh) 一种[WS2/（100-x）WS2-xWCN]n梯度复合润滑涂层及其制备方法
Lu et al. Characteristic evaluation of friction and wear in the CN and TiN coated gear
Ma et al. Microstructure, mechanical and tribological properties of Ta (C, N) coatings deposited on TA15 substrates with different nitrogen partial pressure
CN108411263A (zh) 一种梯度复合润滑涂层及其制备方法
CN117568762A (zh) 一种利用高功率脉冲磁控溅射技术制备Si掺杂的ta-C涂层的方法
JP2007217766A (ja) 低摩擦複合膜の成膜方法および低摩擦摺動部材

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant