[發明專利]一種Fe/FeS復合固體潤滑涂層及其制備方法

無效

• 申請號: 201110170958.1
• 申請日: 2011-06-23
• 公開（公告）號: CN102839373A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: 韓彬;王勇;趙衛民;韓濤;孫建波;李美艷;萬盛
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣集團公司;中國石油大學（華東）
• 主分類號: C23C28/00
• 分類號: C23C28/00;C23C24/10;C23C8/38;B32B9/04;B32B15/00
• 代理公司: 北京市中實友知識產權代理有限責任公司 11013
• 代理人: 趙東冶

技術領域

本發明屬于機械零部件的減摩耐磨涂層材料，本發明涉及一種復合固體潤滑涂層及其制備方法，具體地說是一種激光熔覆鐵基合金/FeS固體潤滑涂層及其制備方法。

背景技術

為了提高零部件配合面的性能和使用壽命，通常可以通過增加表面硬度和用潤滑油。然而工件表面硬度增加會加劇其對偶件的磨損，高硬度引起的韌性下降也對抵抗疲勞磨損不利；另外，雖然采用潤滑油能夠有效地避免或減輕磨損，但在高溫、高壓、高速、真空、井下等特殊工況條件下潤滑油難以發揮作用，為此常采用固體潤滑技術。

常見的金屬化合物固體潤滑劑主要有MoS₂、FeS、WS₂和ZnS等硫化物。FeS是各種滲硫處理所得到的產物，也是常用的固體潤滑劑。FeS具有密排六方結構，變形抗力小，易沿密排面滑移，塑性流變能力強，熔點高達1100℃。WS₂、ZnS與MoS₂具有相似的晶體結構，也具有優良的潤滑性能。近年來，科研工作者開發出多種制備金屬化合物固體潤滑涂層的方法。

熱噴涂制備含固體潤滑劑涂層是常用的方法。裝甲兵工程學院采用等離子噴涂技術在1045鋼表面成功制備FeS固體潤滑薄膜。與1045鋼相比，等離子噴涂FeS固體潤滑薄膜耐磨性更好，特別是抗擦傷性能。等離子噴涂FeS固體潤滑薄膜的摩擦學性能隨膜層厚度的變化很明顯，耐磨性隨膜層厚度的增加而降低，抗擦傷性能隨膜層厚度增加而提高，而摩擦系數一直保持穩定。膜層摩擦學性能的不同主要由膜層的厚度和結構決定。另外，華中科技大學也進行了高速火焰噴涂(HVOF)制備自潤滑涂層相關方面的研究，并成功獲得鎳基WS₂/CaF₂自潤滑復合涂層，復合涂層室溫摩擦系數在0.31-0.41，相比Ni45涂層摩擦系數大大降低。

熱噴涂法制備的自潤滑涂層都面臨著相似的問題，即組織不均勻，存在氣孔和顯微裂紋，自潤滑相面臨著嚴重的燒損。如何控制噴涂過程中自潤滑相的燒損及控制涂層的缺陷是熱噴涂法制備自潤滑涂層的關鍵技術和研究熱點。

滲硫法是制備FeS固體潤滑薄膜最常用的方法，滲硫技術的發展按工藝介質狀態不同大致經歷了以下幾個過程：固體裝箱滲硫法、鹽浴法、氣體滲硫法、電解滲硫法和離子滲硫法。固體裝箱法、鹽浴法勞動強度大、耗能高、周期長、工件變形大，故已不再使用。氣體滲硫法與電解滲硫法有毒、易爆、工藝不穩定，難以得到性能穩定的滲硫層且工業化困難。低溫電解滲硫法和低溫離子滲硫法使工件變形問題得以解決，工業應用成為可能。但直接在金屬表面進行滲硫處理會降低金屬的硬度和彈性模量，抗摩擦效果并不佳。

隨著滲硫技術的發展出現了復合滲硫工藝。因為噴丸處理能使金屬表層發生如下幾方面的變化：形成塑性變形層，位錯密度增加，可高達10¹²cm^-2，并出現亞晶界和晶粒細化現象；形成殘余應力，同時誘發殘余奧氏體發生馬氏體相變，進一步增大表層的殘余應力；表面形貌和表面粗糙度發生變化。在離子滲硫過程中，噴丸表層中高的缺陷密度可能會加速硫的擴滲，使深層加厚。但噴丸處理后的表面粗糙度較大，表面變形層很薄，妨礙了滲硫的均勻性和改性層的使用

清華大學采用磁控濺射+低溫離子滲硫復合處理的方法成功制備自潤滑涂層?；w材料為淬火+低溫回火后的45鋼，硬度為55HRC，表面粗糙度為0.8μm。磁控濺射設備采用GDM-450BN磁控濺射鍍膜機。Fe靶(99.99％)和Mo(99.99％)的尺寸分別均為124mm×254mm×2mm、124mm×254mm×10mm。試樣放在支架上，試樣距離鉬靶約70mm。當真空爐達到3×10^-3Pa時，通入氬氣，控制壓強在1.2Pa左右。交替沉積Fe膜和Mo膜，Mo膜為底層，每層厚度為500nm，共沉積4層，總厚度為2μm。將制備好的Mo/Fe多層膜進行低溫離子滲硫，得到FeS/MoS₂固體潤滑層?？梢钥闯觯@種復合固體潤滑膜層制備工藝復雜且膜層很薄。