CN111979543A

CN111979543A - 一种基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料及其制备方法

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Publication number: CN111979543A
Application number: CN202010631095.2A
Authority: CN
Inventors: 苏峰华; 徐星; 孙建芳
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2040-07-03
Also published as: CN111979543B

Abstract

本发明属于表面处理的技术领域，公开了一种基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料及其制备方法。所述涂层材料由依次叠加的MoN层以及Pt层所构成；MoN层设置在基体上。本发明还公开了涂层材料的制备方法。本发明的涂层材料具有高硬度且表面具有催化活性；而且还能摩擦诱导催化润滑油降解，并在摩擦界面处原位形成自润滑非晶碳膜，极大地减小摩擦副的摩擦磨损。本发明的方法简单，有利于工业中大规模批量生产。

Description

一种基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料及其制备方法

技术领域

本发明属于表面处理技术领域，具体涉及一种基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料及其制备方法。

背景技术

摩擦磨损在机械零部件使用过程中是不可避免的，由此造成了巨大的化石能源消耗，给环境带来危害；同时，由摩擦磨损造成的机械零部件失效，也让人们的生活安全受到威胁。因此，如何减少机械零部件表面的摩擦磨损一直都是工业生产以及科研人员关注的话题。目前，研究人员已经尝试了多种手段来减少机械零部件的摩擦磨损，比如硬质涂层、表面织构、表面化学处理等等。其中硬质涂层使用最为广泛，传统的二元过渡金属氮化物硬质涂层(MoN、TiN、CrN)以其高硬度、高耐磨性以及性能稳定，在工业生产中受到青睐，已经取得了实质性的应用。但是面对复杂多变的实际工况，传统的涂层材料由于其保护形势过于单一，保护效果有限，越来越不能够满足实际应用需求。

而对于润滑油保护下的机械零部件，研究人员则通常通过向润滑油中加入不同的润滑添加剂以减小摩擦磨损。然而，润滑添加剂在润滑油中的分散性难以保证，而且对于某些润滑油添加剂，通常含硫、磷，这些润滑油添加剂在使用过程中会进一步对环境造成危害，不符合绿色环保理念。因此，如何提高润滑状态下机械零部件的摩擦磨损性能也是人们面对的难题之一。

碳材料一直是重要的润滑材料，比如石墨、石墨烯、类金刚石碳膜(DLC)等。这些碳材料化学性能稳定、抗剪切能力弱，在摩擦过程中能够极大地降低摩擦磨损，保护摩擦界面。例如，申请号为CN201410425466.6的专利申请公开了一种超硬的DLC涂层，该涂层采用PVD和HIPIMS制备，具有超高硬度、高耐摩擦性能、高耐磨损性能以及高自润滑性能。申请号为CN201810270718.0的专利申请公开了一种耐高温低摩擦DLC/AlTiSiN多层复合涂层，该复合涂层采用多弧离子镀制备，功能层由DLC层和AlTiSiN层交替构成，具备优异的抗高温性和抗摩擦磨损性。目前，工业应用广泛的碳材料通常制备成本较高，生产过程复杂，影响因素众多，对服役的基体也有所限制，难以实现大规模的量产。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种涂层材料MoN/Pt及其制备方法。本发明的MoN/Pt涂层材料能够在摩擦过程中催化降解润滑油，并在摩擦界面处原位形成非晶碳膜，使得机械零部件在液体润滑的基础上，还能够进一步实现固体润滑，极大地降低机械零部件的摩擦磨损。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料，该涂层材料由依次叠加的MoN层以及Pt层所构成；MoN层设置在基体上。

所述MoN层的厚度为2～3μm，Pt层的厚度为10～40nm。

所述MoN层为γ-Mo₂N纳米晶，Pt层为Pt纳米晶。

所述基体为金属、硬质合金和陶瓷中的任意一种。

本发明还提供了制备MoN/Pt涂层的制备方法，该制备方法利用直流磁控溅射技术，操作简单，应用成熟，能够有效地溅射金属靶材，获得性能优良的涂层，利于实现大批量工业生产。

本发明采用复合多功能离子镀膜设备，该镀膜设备主要包括真空室、霍尔离子源、第一直流磁控溅射电源、第二直流磁控溅射电源、直流叠加脉冲偏压电源、加热源、转动单元、进气单元和分子泵，其中，真空室内壁设有均匀分布的霍尔离子源、第一直流磁控溅射电源和第二直流磁控溅射电源，真空室中设有可公转、自转的转架。

进一步的，本发明所述的第一直流磁控溅射电源上安装Mo靶，第二直流磁控溅射电源上安装Pt靶，基体安装在转架上。

所述摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的MoN/Pt涂层材料的制备方法，包括以下步骤：

1)基体清洗；

2)在基体表面沉积MoN层；

3)在MoN层上沉积Pt层。

步骤2)和3)中所述沉积各自独立为采用直流磁控溅射的方法进行沉积。

步骤2)中所述沉积的条件为真空度在0.5～1Pa，氩气的流量为35～40sccm，氮气的流量为35～40sccm，在氩气和氮气混合气氛中，同时调节基体直流偏压为80～120V，脉冲偏压为300～500V，占空比为15％～25％，采用Mo靶。靶电流为2～2.5A，沉积的时间3～4h。

步骤3)中所述沉积的条件为在氩气气氛中，采用Pt靶，沉积的时间为90～360s。

步骤3)中沉积的条件中电流为1.5～2A，真空度为0.8～0.1Pa，氩气流量为50～80sccm。

所述基体清洗：首先将基体打磨、抛光至粗糙度低于20nm，然后进行超声清洗，再将所得的基体置于真空室的转架上，利用霍尔离子源对其进行等离子体辉光清洗。

所述超声清洗是指在无水乙醇和丙酮中利用20～30kHz超声波进行清洗，清洗时间为20～30分钟；

所述等离子体辉光清洗是指将基体放入真空室，抽真空低于1.0×10^-3Pa以后，再通入氩气，并且维持真空度为0.5～1.0Pa，氩气的流量为60～80sccm，同时调节基体直流偏压为160～200V，脉冲偏压为700～800V，占空比为60％～80％，开启霍尔离子源，对基体进行25～30min的等离子体辉光清洗。

所述Mo靶的纯度为99.99％，直径为120mm，厚度为6mm。

所述Pt靶的纯度为99.99％，直径为50mm，厚度为0.1mm。

步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)中，清洗及沉积过程工件架的转速为4rpm。

步骤(2)、步骤(3)中，沉积过程靶基距离8～10cm。

一种改善基体摩擦磨损性能的方法，包括以下步骤：

在基体表面制备上述涂层，加入润滑油，摩擦，摩擦界面处原位形成自润滑非晶碳膜。

所述润滑油优选为聚α烯烃合成基础油(PAO)，特别是PAO4～PAO10中一种以上。

所述基体优选为机械零部件。

与现有技术相比较，本发明具有如下优点：

(1)本发明的MoN/Pt涂层可以很好的将硬质涂层MoN和活性金属Pt的性能结合起来，发挥两种涂层的优势，同时极薄的Pt层能够在MoN层上很好地生长，得到高硬度且表面具有催化活性的涂层材料；

(2)本发明的MoN/Pt涂层能够在高接触应力条件下，摩擦诱导催化润滑油降解，并在摩擦界面处原位形成自润滑非晶碳膜，极大地减小摩擦副的摩擦磨损；

(3)本发明也提供了一种制备碳基材料的方法，即降解润滑油获得碳基薄膜；

(4)本发明所制备的MoN/Pt涂层晶粒细小，MoN层以及Pt层均为细小的纳米晶；

(6)本发明采用的复合多功能离子镀膜设备，与工业生产中的镀膜设备类似，同时采用应用成熟的直流磁控溅射技术制备目标涂层，操作简单，有利于工业中大规模批量生产；

(7)本发明的涂层可应用在轴承、齿轮等采用油润滑的机械零部件上面，在这些机械零部件表面沉积目标涂层，服役过程中能够降解润滑油形成自润滑碳膜，极大减少轴承、齿轮等机械零部件的摩擦磨损。

附图说明

图1中(a)为实施例1所得MoN/Pt涂层横截面结构示意图；图1中(b)为MoN/Pt涂层横截面的透射电镜照片；

图2为实施例1所得MoN/Pt涂层，在PAO10基础油中与对偶球摩擦后，对偶球表面形成的非晶碳膜照片(a)以及相应的透射电镜图(b)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施做进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例的MoN/Pt涂层具体的制备方法如下：

将经过打磨、抛光处理的不锈钢基体，分别用分析纯的无水乙醇和丙酮在超声波中清洗干净，烘干后检查基体表面是否干净，确定基体表面无污染后安装在复合多功能离子镀膜设备中真空室的转架上，关闭真空室的门，进行抽真空操作。真空度抽至1.0×10^-3Pa以后，向真空室中通入氩气，并维持气压在0.5Pa，氩气的流量为80sccm，同时调节基体直流偏压为180V，脉冲偏压800V，占空比80％，开启霍尔离子源，对基体进行30min等离子体辉光清洗。辉光清洗结束后，关闭霍尔离子源，向真空室中通入氮气，气压维持在0.5Pa，氩气流量为40sccm，氮气流量为40sccm，同时开启直流叠加脉冲偏压电源，调节直流偏压为120V，脉冲偏压每隔5min降低50V，由500V降至400V，占空比20％，开启第一直流磁控溅射电源，沉积MoN层，沉积时间4h。MoN层沉积完成之后，关闭第一直流磁控溅射电源以及直流叠加脉冲偏压电源，开启第二直流磁控溅射电源沉积Pt层，沉积90s。整个沉积过程转架的转速稳定在4rpm，制备结束后自然冷却，最终获得沉积在不锈钢基体上的MoN/Pt涂层。

本实施例所得MoN/Pt涂层，经过检测，MoN/Pt涂层的总厚度为3μm，其中Pt层的厚度为10nm。图1中(a)为本实施例所制得样品横截面的示意图，从下往上依次为不锈钢基体、MoN层、Pt层，其中靠近不锈钢基体的为MoN层，最上层为Pt层；图1中(b)为本实施例所制得样品横截面的透射电镜照片，可以观察到厚度为10nm左右的Pt层能够在MoN层上很好地生长，Pt层与MoN层之间无明显缺陷，同时也可以发现MoN层以及Pt均为细小的纳米晶。

在常温环境下，MoN/Pt涂层与Si₃N₄对偶球在PAO10基础油润滑的状态下进行1.7GPa高接触应力的摩擦实验，摩擦后发现摩擦界面处覆盖了一层摩擦膜，并且摩擦界面无明显磨损迹象，如图2中(a)的对偶球磨损表面所示；通过透射电镜分析，发现该摩擦膜为非晶碳膜，如图2中(b)所示。图2为实施例1所得MoN/Pt涂层，在PAO10基础油中与对偶球摩擦后，对偶球表面形成的非晶碳膜照片(a)以及相应的透射电镜图(b)。

本实施例的涂层在在油润滑状态下进行摩擦，摩擦时间为10小时，摩擦系数随时间的增加逐渐减小(0.05～0.042)，磨损率为1.08×10^-8mm³(Nm)^-1。

实施例2

将经过打磨、抛光处理的硬质合金基体(WC硬质合金)，分别用分析纯的无水乙醇和丙酮在超声波中清洗干净，烘干后检查基体表面是否干净，确定基体表面无污染后安装在真空室的转架上，关闭真空室的门，进行抽真空操作。真空度抽至1.0×10^-3Pa以后，向真空室中通入氩气，并维持气压在0.5Pa，氩气的流量为80sccm，同时调节基体直流偏压为180V，脉冲偏压800V，占空比80％，开启霍尔离子源，对基体进行30min等离子体辉光清洗。辉光清洗结束后，关闭霍尔离子源，向真空室中通入氮气，气压维持在0.5Pa，氩气流量为40sccm，氮气流量为40sccm，同时开启直流叠加脉冲偏压电源，调节直流偏压为120V，脉冲偏压每隔5min降低50V，由500V降至400V，占空比20％，开启第一直流磁控溅射电源，沉积MoN层，沉积时间3h。MoN层沉积完成之后，关闭第一直流磁控溅射电源以及直流叠加脉冲偏压电源，开启第二直流磁控溅射电源沉积Pt层，沉积140s。整个沉积过程转架的转速稳定在4rpm，制备结束后自然冷却，最终获得沉积在硬质合金基体上的MoN/Pt涂层。

本实施例所得MoN/Pt涂层，经过检测，MoN/Pt涂层的总厚度为2.3μm，其中Pt层的厚度为15nm。

本实施例的涂层在油润滑状态下进行摩擦，摩擦时间为10小时，摩擦系数随时间的增加逐渐减小(0.048～0.04)，磨损率为1.04×10^-8mm³(Nm)^-1。

实施例3

将经过打磨、抛光处理的不锈钢基体，分别用分析纯的无水乙醇和丙酮在超声波中清洗干净，烘干后检查基体表面是否干净，确定基体表面无污染后安装在真空室的转架上，关闭真空室的门，进行抽真空操作。真空度抽至1.0×10^-3Pa以后，向真空室中通入氩气，并维持气压在0.5Pa，氩气的流量为80sccm，同时调节基体直流偏压为180V，脉冲偏压800V，占空比80％，开启霍尔离子源，对基体进行30min等离子体辉光清洗。辉光清洗结束后，关闭霍尔离子源，向真空室中通入氮气，气压维持在0.5Pa，氩气流量为40sccm，氮气流量为40sccm，同时开启直流叠加脉冲偏压电源，调节直流偏压为120V，脉冲偏压每隔5min降低50V，由500V降至400V，占空比20％，开启第一直流磁控溅射电源，沉积MoN层，沉积时间4h。MoN层沉积完成之后，关闭第一直流磁控溅射电源以及直流叠加脉冲偏压电源，开启第二直流磁控溅射电源沉积Pt层，沉积270s。整个沉积过程转架的转速稳定在4rpm，制备结束后自然冷却，最终获得沉积在不锈钢基体上的MoN/Pt涂层。

本实施例所得MoN/Pt涂层，经过检测，MoN/Pt涂层的总厚度为3μm，其中Pt层的厚度为30nm。

本实施例的涂层在油润滑状态下进行摩擦，摩擦时间为10小时，摩擦系数随时间的增加逐渐减小(0.065～0.052)，磨损率为1.12×10^-8mm³(Nm)^-1。

实施例4

将经过打磨、抛光处理的不锈钢基体，分别用分析纯的无水乙醇和丙酮在超声波中清洗干净，烘干后检查基体表面是否干净，确定基体表面无污染后安装在真空室的转架上，关闭真空室的门，进行抽真空操作。真空度抽至1.0×10^-3Pa以后，向真空室中通入氩气，并维持气压在0.5Pa，氩气的流量为80sccm，同时调节基体直流偏压为180V，脉冲偏压800V，占空比80％，开启霍尔离子源，对基体进行30min等离子体辉光清洗。辉光清洗结束后，关闭霍尔离子源，向真空室中通入氮气，气压维持在0.5Pa，氩气流量为40sccm，氮气流量为40sccm，同时开启直流叠加脉冲偏压电源，调节直流偏压为120V，脉冲偏压每隔5min降低50V，由500V降至400V，占空比20％，开启第一直流磁控溅射电源(靶电流为2～2.5A)，沉积MoN层，沉积时间3h。MoN层沉积完成之后，关闭第一直流磁控溅射电源以及直流叠加脉冲偏压电源，开启第二直流磁控溅射电源沉积Pt层(电流为1.5～2A，真空度为0.5Pa，氩气流量为80sccm)，沉积360s。整个沉积过程转架的转速稳定在4rpm，制备结束后自然冷却，最终获得沉积在不锈钢基体上的MoN/Pt涂层。

本实施例所得MoN/Pt涂层，经过检测，MoN/Pt涂层的总厚度为2.3μm，其中Pt层的厚度为40nm。

本实施例的涂层在油润滑状态下进行，摩擦时间为10小时，摩擦系数随时间的增加逐渐减小(0.067～0.056)，磨损率为1.21×10^-8mm³(Nm)^-1。

Claims

1.一种基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料，其特征在于：由依次叠加的MoN层以及Pt层所构成；MoN层设置在基体上。

2.根据权利要求1所述基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料，其特征在于：所述MoN层为γ-Mo₂N纳米晶，Pt层为Pt纳米晶。

3.根据权利要求1所述基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料，其特征在于：所述MoN层的厚度为2～3μm，Pt层的厚度为10～40nm；

所述基体为金属、硬质合金和陶瓷中的任意一种。

4.根据权利要求1～3任一项所述基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)基体清洗；

2)在基体表面沉积MoN层；

3)在MoN层上沉积Pt层。

5.根据权利要求4所述基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤2)和3)中所述沉积各自独立为采用直流磁控溅射的方法进行沉积。

6.根据权利要求4所述基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述沉积的条件为真空度在0.5～1Pa，氩气的流量为35～40sccm，氮气的流量为35～40sccm，在氩气和氮气混合气氛中，同时调节基体直流偏压为80～120V，脉冲偏压为300～500V，占空比为15％～25％；采用Mo靶，靶电流为2～2.5A；沉积的时间3～4h。

7.根据权利要求4所述基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述沉积的条件为在氩气气氛中，采用Pt靶，电流为1.5～2A；沉积的时间为90～360s。

8.根据权利要求4所述基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料的制备方法，其特征在于：

所述基体清洗是指将基体打磨、抛光，然后进行超声清洗，再将所得的基体置于真空室的转架上，利用霍尔离子源对其进行等离子体辉光清洗。

9.根据权利要求8所述基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料的制备方法，其特征在于：

步骤(1)所述基体清洗是将经过打磨、抛光处理后的基体放入超声波清洗设备中，在无水乙醇和丙酮中利用20～30kHz超声波进行清洗，清洗时间为20～30分钟；然后在复合多功能离子镀膜设备中进行等离子体辉光清洗，具体操作为：将基体放入真空室，抽真空低于1.0×10^-3Pa以后，再通入氩气，并且维持真空度为0.5～1.0Pa，氩气的流量为60～80sccm，同时调节基体直流偏压为160～200V，脉冲偏压为700～800V，占空比为60％～80％，开启霍尔离子源，对基体进行25～30min的等离子体辉光清洗。

10.一种改善基体摩擦磨损性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：

在基体表面制备涂层，加入润滑油，摩擦，摩擦界面处原位形成自润滑非晶碳膜；所述涂层如权利要求1～3任一项所定义；

所述基体为金属、硬质合金和陶瓷中的任意一种。