一种在金属材料表面获得固态高润滑膜层的铝基二硫化钼靶材及其制备方法与流程

本发明涉及一种在金属材料表面获得固态高润滑膜层的铝基二硫化钼靶材及其制备方法，属于粉末冶金及真空镀膜的相关技术领域。

背景技术：

金属材料表面在服役条件下产生摩擦磨损，容易造成材料的破坏和失效。在材料表面制备一层高润滑性的膜层，可以有效减少金属材料的摩擦损耗，尤其在一些常用的刀具、工具和模具表面的固态高润滑性膜层，能大幅度提高其使用寿命，增加加工精度。因此，制备高润滑性膜层成为金属材料表面改性的一种有效方法。

不同的表面改性技术都用来提高金属材料的表面润滑性，降低其摩擦系数。其中，二硫化钼是一种润滑效果优良的固态表面润滑剂，可以大幅度降低金属材料的表面摩擦系数，尤其在高温下，二硫化钼也可以有效地发挥润滑作用，成为一种工业上常用的固态润滑剂。在金属材料表面制备一层二硫化钼膜层是降低材料表面的摩擦磨损的有效方法。文献(阎来成等，航空材料学报，2011，31:11页)采用微弧氧化和喷涂二硫化钼基润滑材料并在150～200℃固化2h左右的工艺，在铝合金表面制备了低摩擦系数的复合润滑膜，摩擦系数在0.05～0.08，并且提高的材料的表面硬度。李苍昊等(中国铸造装备与技术，2015，5期：15页)采用在微弧氧化电解液中添加固体润滑材料二硫化钼颗粒，在铝合金表面直接制备了含二硫化钼的微弧氧化复合膜层。郭峰(材料加工工程，2015，9期：24页)通过激光喷丸植入平均粒径为40nm的二硫化钼颗粒，能够显著改善铝合金材料的摩擦磨损性能。专利cn201610006219.1公开了一种冷喷涂自润滑耐磨蚀铝基涂层成分及其制备技术，其涂层包含al和al2o3以及m(m为铝稀土合金和/或铝镁合金与二硫化钼和/或二硫化钨的组合)，该自润滑耐磨蚀涂层表现出了较好的耐磨损、耐局部腐蚀性能。专利cn201510782911.9公开了一种汽车轴承用高铝基复合材料，其中添加了0.8～1.5％的二硫化钼和其他12种添加剂。这些不同的方法都是在金属材料表面直接涂覆二硫化钼来改善材料摩擦磨损性能的方法，这些方法在使用过程中，涂覆的二硫化钼层容易剥落，减弱或者丧失膜层的润滑性能。

在表面改性技术中，真空镀膜是近年来发展的一种新型表面处理技术，该技术通过预先制备的金属或合金靶材进行放电，释放出靶材元素中的金属离子，沉积在需要镀膜的材料表面，获得不同功能特性的膜层。其中，针对需要高润滑膜层的材料表面处理方式，可以采用在铝合金基体中添加二硫化钼的成分，获得铝基二硫化钼靶材，通过该靶材的真空溅射方式，获得含有二硫化钼成分的膜层，从而使该膜层具有较高的润滑性能，减少使用过程中的摩擦磨损。采用真空镀膜技术获得的膜层，附着力更好，膜层尺寸精度可控，是一种新型的材料表面处理技术。制备这种真空镀膜的膜层，关键是需要提供合适的镀膜用靶材。

目前，在一些金属和合金靶材中通过添加特殊组元，使靶材具有某项特殊性能，从而对镀膜膜层产生影响，是开发新型靶材的重要手段。如zl200910043144.4中指出在钛基体中添加铝，获得的ti-al靶材，可以提高镀钛膜层的抗氧化特性。专利cn201610209640.2在铝基体中添加nb和si，来提高靶材镀膜膜层的高温耐热性能。专利cn201510059082.1在铝基体中添加cr获得一种耐腐蚀的涂层，使用的是al-cr合金靶材。专利cn201510974804.6提供了一种高温低摩擦系数硬质涂层及其制备方法，是采用反应磁控溅射技术来同通过阴极溅射金属mo和b4c复合靶材。专利cn201410218844.3公开一种高硬度、低摩擦系数的valsin耐磨涂层，摩擦系数为0.5。

目前文献资料报道的制备含有二硫化钼膜层的相关技术，都没有涉及在靶材中添加二硫化钼，通过真空溅射的方式来获得高润滑膜层的方式。因此，要获得具有高润滑性质的涂层，可以通过在靶材成分上进行选择和调控，来为真空溅射镀膜制备含有二硫化钼的靶材。

但是，在金属和合金靶材制备过程中，由于元素性质的差异性，一些特定种类和成分的靶材需要特别的制备工艺才能获得，否则很难满足镀膜对靶材纯度、显微结构和致密度等特性的要求，无法实现溅射镀膜的应用。要在可以真空溅射的靶材中成功添加二硫化钼的成分，是一项困难的靶材制备技术。

本发明针对二硫化钼是粉末的特性，采用粉末冶金烧结制备技术，实现了在铝钛合金基体中添加二硫化钼的工艺，制成了合适的铝基二硫化钼靶材。

技术实现要素：

本发明针对开发一种制备高润滑特性膜层的铝基二硫化钼靶材，该靶材具有合适的铝合金基体成分，并在其中添加合适含量的二硫化钼，采用粉末冶金热压烧结技术，将铝合金基体材料与二硫化钼实现紧密结合，从而获得满足真空溅射需要的靶材，该靶材制备的膜层具有高润滑特性，可以降低金属材料表面的摩擦系数，减少摩擦磨损。

本发明一种在金属材料表面获得固态高润滑膜层的铝基二硫化钼靶材，以质量百分比计包括下述组分：

铝30％～60％；

钛30％～60％；

二硫化钼1％～10％；

杂质小于0.01％；

所述铝基二硫化钼靶材的致密度大于等于99％，所述二硫化钼均匀分布于铝钛合金基体中。

作为优选方案，本发明一种在金属材料表面获得固态高润滑膜层的铝基二硫化钼靶材，以质量百分比计包括下述组分：

铝50％～56％；

钛40％～48％；

二硫化钼3～6％；

杂质小于0.005％；

所述铝基二硫化钼靶材的致密度大于等于99％。

作为优选方案，本发明一种在金属材料表面获得固态高润滑膜层的铝基二硫化钼靶材，以质量百分比计由下述组分组成：

铝60％，钛39％，二硫化钼1％；所述铝基二硫化钼靶材的致密度为99.5％。

作为优选方案，本发明一种在金属材料表面获得固态高润滑膜层的铝基二硫化钼靶材，以质量百分比计由下述组分组成：

铝30％，钛60％，二硫化钼10％；所述铝基二硫化钼靶材的致密度为99.6％。

作为优选方案，本发明一种在金属材料表面获得固态高润滑膜层的铝基二硫化钼靶材，以质量百分比计由下述组分组成：

铝52％，钛43％，二硫化钼5％；所述铝基二硫化钼靶材的致密度为99.8％。

本发明一种在金属材料表面获得固态高润滑膜层的铝基二硫化钼靶材的制备方法；包括下述步骤：

步骤一

按靶材成分配比称取铝粉、钛粉和二硫化钼粉，混合均匀后，得到混合粉末；

步骤二

将步骤一所得混合粉末置于模具中，连同模具一起放置在真空热压机中，在真空气氛或保护气氛下从室温开始升温到300℃～400℃，进行第一次保温，第一次保温时控制压力为30～40mpa；然后继续升温到600℃～700℃，进行第二次保温，第二次保温时控制压力为20～60mpa；继续升温到800℃～1000℃，进行第三次保温，第三次保温时控制压力为10～100mpa；然后开始降温并逐渐将压力从第三次保温时的压力降低到10mpa，冷却到室温，卸除压力，脱模；得到烧结样；

步骤三

将步骤二所得烧结样置于热处理炉中，在300～500℃温度下均匀化退火至少12小时，得到所述铝基二硫化钼靶材。

作为优选；铝粉平均粒径为10～30μm；钛粉的平均粒径为30～70μm；二硫化钼粉的平均粒径为1～15μm。

在工业化应用时，铝粉、钛粉和二硫化钼粉，在三维混料机中混合2～6小时，混料筒中充入氩气保护。

作为优选；所述铝粉、钛粉、二硫化钼粉的纯度均大于99％，优选为大于等于99.9％。

作为优选；所述保护气氛选自氮气气氛、氩气气氛中的一种。

作为优选；第一次保温的时间为20～30分钟。

作为优选；第二次保温的时间为10～30分钟。

作为优选；第三次保温的时间为10～20分钟。

作为优选；在300～500℃温度下均匀化退火12～48小时。均匀化退火确保合金中原子进一步扩散均匀。

本发明一种在金属材料表面获得固态高润滑膜层的铝基二硫化钼靶材的制备方法；步骤三所得铝基二硫化钼靶材可按设计尺寸进行加工。

本发明一种在金属材料表面获得固态高润滑膜层的铝基二硫化钼靶材的制备方法；所制备的铝基二硫化钼靶材可以直接在多弧离子溅射装置上进行真空镀膜，获得高润滑性涂层，该涂层在刀具上使用时，涂层摩擦系数比其他类型的铝钛靶材要更小，可以承受600℃～900℃的高温使用环境，甚至可短时使用到1000℃以上温度，同时保持足够的硬度和抗氧化特性，所得镀膜的硬度可达到2500hv～3500hv，膜层摩擦系数在0.2以下，甚至在湿度40％和较低载荷下，摩擦系数<0.1，达到0.05～0.08的范围，而且膜层和基材的结合力好，可以提高涂层使用寿命。

本发明获得的铝-钛-二硫化钼靶材，适合于用多弧离子溅射和反应磁控溅射技术来制备低摩擦系数涂层。靶材的制备工艺采用粉末冶金技术，工艺流程短，有利于实现规模化生产。

本发明的优点

由于二硫化钼性质稳定，很难采用熔炼铸造等工艺来制备铝基二硫化钼靶材，而且由于铝和二硫化钼不浸润，很难在熔化的铝液中加入二硫化钼粉末。本发明采用粉末冶金烧结技术，利用铝粉、钛粉的活性，与二硫化钼实现冶金结合，然后通过真空退火，进一步使其成分更加均匀，从而实现了铝-钛-二硫化钼靶材的制备。在烧结过程中，由于热和力的共同作用，粉末烧结的时间短，烧结后的铝-钛-二硫化钼靶材致密度高，提高了粉末烧结的生产效率，简化了生产工艺，是一种短流程、易操作的靶材生产过程，有利于提高生产效率。

本发明通过组分的优化以及与优化组分匹配工艺的协同作用，得到了可以直接在多弧离子溅射装置上进行真空镀膜的铝基二硫化钼靶材，该靶材通过现有工艺制备的涂层，可以承受600℃～900℃的高温使用环境，甚至可短时使用到1000℃以上温度，同时所得涂层的硬度可达到2500hv～3500hv，涂层摩擦系数小于0.6，且涂层和基材的结合力好。

附图说明

图1是实施例1获得的铝-钛-二硫化钼靶材；

图2是实施例2获得的铝-钛-二硫化钼靶材显微组织照片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例所得成品，按常规镀膜技术在高速钢工具上进行镀膜。

实施例1

本发明合金中铝的含量为60wt％，钛的含量为39wt％，二硫化钼的含量为1wt％。

铝粉的平均粒径是10μm；钛粉的平均粒径是30μm；二硫化钼粉的平均粒径是1μm。

所有金属粉末的纯度均保证在99％以上。

按靶材成分配比称取铝粉、钛粉和二硫化钼粉，在三维混料机中混合2小时，混料筒中充入氩气保护；将混合均匀的粉末装在模具中，连同模具一起放置在真空热压机中，抽真空后加入氩气进行保护。从室温开始升温到300℃，保温20分钟，压力保持在30mpa；然后继续升温到600℃保温10分钟，保持压力20mpa；继续升温到800℃，保温10分钟，保持压力10mpa；然后开始降温，保持压力逐渐减小，从100mpa降低到10mpa，冷却到室温，卸除压力，开炉，脱模；脱模后获得烧结制成的铝-钛-二硫化钼靶材，将此靶材放置在热处理炉中，在300℃温度下均匀化退火12小时，将热处理后的靶材通过机械加工，可以得到最终的成品。所得成品的致密度为99.5％。

本实施例制备的铝-钛-二硫化钼靶材外观如图1所示。

使用本实施例产品在高速钢工具上镀膜，室温下测试膜层摩擦系数0.17，经过测试300小时，膜层无氧化、剥落现象。

实施例2

本发明合金中铝的含量为30wt％，钛的含量为60wt％，二硫化钼的含量为10wt％。

铝粉的平均粒径是30μm；钛粉的平均粒径是70μm；二硫化钼粉的平均粒径是15μm。

所有金属粉末的纯度均保证在99％以上。

按靶材成分配比称取铝粉、钛粉和二硫化钼粉，在三维混料机中混合6小时，混料筒中充入氩气保护；将混合均匀的粉末装在模具中，连同模具一起放置在真空热压机中，加入氩气进行保护。从室温开始升温到400℃，保温30分钟，压力保持在40mpa；然后继续升温到700℃保温30分钟，保持压力60mpa；继续升温到1000℃，保温20分钟，保持压力100mpa；然后开始降温，保持压力逐渐减小，从100mpa降低到10mpa，冷却到室温，卸除压力，开炉，脱模；脱模后获得烧结制成的铝-钛-二硫化钼靶材，将此靶材放置在热处理炉中，在500℃温度下均匀化退火48小时，将热处理后的靶材通过机械加工，可以得到最终的成品。所得成品的致密度为99.6％。

本实施例制备的铝-钛-二硫化钼靶材显微组织如图2所示。

使用本实施例产品在高速钢工具上镀膜，室温下测试膜层摩擦系数0.06，经过测试300小时，膜层无氧化、剥落现象。

实施例3

铝的含量为52wt％，钛的含量为43wt％，二硫化钼的含量为5wt％。

铝粉的平均粒径是20μm；钛粉的平均粒径是45μm；钨粉的平均粒径是10μm。

所有金属粉末的纯度均在99.9％以上纯度。

按靶材合金配比称取铝粉、钛粉和钨粉，在三维混料机中混合4小时，混料筒中充入氩气保护。将混合均匀的粉末装在模具中，连同模具一起放置在真空热压机中，抽真空后加入氩气进行保护。从室温开始升温到350℃，保温25分钟，压力保持在35mpa；然后继续升温到650℃保温20分钟，保持压力40mpa；继续升温到900℃，保温15分钟，保持压力50mpa；然后开始降温，保持压力逐渐减小，从100mpa降低到10mpa，然后冷却到室温，卸除压力，开炉，脱模；脱模后获得烧结制成的铝-钛-二硫化钼靶材，将此靶材放置在真空热处理炉中，在400℃温度下均匀化退火24小时，将真空热处理后的靶材进行机械加工，可以得到最终的成品。所得成品的致密度为99.8％。

使用本实施例产品在高速钢工具上镀膜，室温下测试膜层摩擦系数0.10，经过测试300小时，膜层无氧化、剥落现象。