一种AlTiN-WS2低摩擦系数耐磨涂层及其制备方法

本发明涉及润滑涂层，具体涉及一种altin-ws2低摩擦系数耐磨涂层及其制备方法。

背景技术：

1、硬质涂层主要可以分为氮化物涂层、碳化物涂层、氧化物涂层、硼化物涂层，目前对氮化物的研究比较成熟，应用比较广泛。早期常用的氮化物涂层主要包括tin和crn涂层，crn涂层与tin相比，crn涂层具有更好的摩擦性能和低的摩擦系数，因而crn涂层应用更具优势。然而，crn涂层会在刀具温度超过650℃后受到急剧下降，不适用于高温切削加工。

2、近些年来，随着高速高效切削加工的需求，对涂层的高温抗氧化性能要求越来越高。通常，al元素的添加可以显著提高涂层的抗高温氧化性能。研究表明，在tin涂层中添加al元素，所得tialn涂层的氧化温度相比二元氮化物涂层能提高到800℃，这主要是因为涂层中al元素在高温服役环境中可以形成al2o3隔热保护层，防止涂层进一步发生高温氧化。但最新的研究显示tialn涂层所形成的al2o3氧化层不致密，表面存在零散分布的al2o3颗粒。相比而言，cr具有比ti更高的熔点，以cr代替ti的alcrn涂层，耐高温氧化温度与tialn涂层相比可以得到提升。虽然含al涂层在硬度及耐高温性能上都有所改善，但涂层的摩擦系数仍然很高。针对该问题，可以通过掺杂mo、v等元素来降低摩擦系数。总体上，氮化物硬质涂层对钢的摩擦系数最小在0.4～0.5之间，摩擦系数还是比较大，不能直接使用。

3、作为具有层状结构的过度金属硫化物，ws2具有优异的热稳定性和抗氧化性，工作温度范围广，是一种具有广泛应用前景的固体润滑材料。尤其是在一些特殊的应用情况下，比如压强大、负荷大或者有辐射和腐蚀的环境情况下，它的性能表现尤为突出，非常适合作为新型润滑材料。但磁控溅射制备的纯ws2涂层质地柔软，在摩擦过程中容易失去润滑性能。针对该缺陷，研究人员通过掺入tio2、zno等氧化物以及ti、cr、ni、a、zr、cu、ni-co等元素来改善ws2涂层的结构形貌及性能。研究表明，通过掺杂后，复合涂层结构更加致密，表面更加光洁，与基体结合力更强，复合涂层的硬度、抗摩擦磨损性能、抗氧化性能及耐湿度性能也得到提高。但是ws2基固体润滑涂层的硬度一般不高，适合在低承载下实现应用，在高载荷下其耐磨性能还有待改善。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种altin-ws2低摩擦系数耐磨涂层及其制备方法，通过利用多弧离子镀预先沉积altin硬质层，然后在此基础上利用hipims(高功率脉冲磁控溅射技术)沉积ws2固体润滑层，制备出具有低摩擦系数的耐磨涂层。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种altin-ws2低摩擦系数耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将预处理的基体利用钛离子弧靶进行钛离子清洗；

5、(2)利用多弧离子镀在基体上沉积钛过渡层；

6、(3)打开alti合金离子弧靶沉积altin涂层；

7、(4)打开高功率脉冲磁控溅射分别制备ti层和ws2层。

8、优选的，步骤(1)中，将基体放入真空室中，待真空室的气压抽至7×10-3pa以下，使腔内温度加热稳定在100～300℃；然后利用钛离子弧靶，将靶电流设置为60a，通入50～100sccm的氩气，将基体偏压设置成600～800v，利用钛离子对基体进行金属离子清洗，清洗时间3～5min。

9、优选的，步骤(2)中，完成钛离子清洗后，将基体偏压设置成100～300v，利用多弧离子镀在基体表面沉积一层厚度100～500nm的钛过渡层。

10、优选的，步骤(3)中，打开alti合金离子弧靶，通入20～100sccm氩气和200～400sccm氮气，将偏压设置为50～150v，沉积一层厚度为1～3μm的金属氮化物硬质涂层。

11、优选的，步骤(4)中，将真空室温度降至100℃，关闭氮气，通入200～300sccm氩气，打开高功率脉冲磁控溅射制备一层厚度为50～200nm的ti层，接着打开高功率脉冲磁控溅射制备一层ws2固体润滑层。

12、相应的，上述制备方法制备得到的altin-ws2低摩擦系数耐磨涂层。

13、相应的，上述制备方法制备得到的altin-ws2低摩擦系数耐磨涂层在缝纫机针杆上的应用。

14、本发明具备以下有益效果：

15、本发明提供了一种altin-ws2低摩擦系数耐磨涂层及其复合沉积方法，基于该方法可以制备出摩擦系数较低的altin-ws2耐磨涂层，可显著降低altin涂层的磨损率。将其应用到缝纫机针杆上，可以突破高端高速缝纫机运动机构限制于dlc涂层的困境，基于该方法可以在缝纫机针杆等运动结构上制备出摩擦系数较低的耐磨涂层。

技术特征：

1.一种altin-ws2低摩擦系数耐磨涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，将基体放入真空室中，待真空室的气压抽至7×10-3pa以下，使腔内温度加热稳定在100～300℃；然后利用钛离子弧靶，将靶电流设置为60a，通入50～100sccm的氩气，将基体偏压设置成600～800v，利用钛离子对基体进行金属离子清洗，清洗时间3～5min。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，完成钛离子清洗后，将基体偏压设置成100～300v，利用多弧离子镀在基体表面沉积一层厚度100～500nm的钛过渡层。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，打开alti合金离子弧靶，通入20～100sccm氩气和200～400sccm氮气，将偏压设置为50～150v，沉积一层厚度为1～3μm的金属氮化物硬质涂层。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，将真空室温度降至100℃，关闭氮气，通入200～300sccm氩气，打开高功率脉冲磁控溅射制备一层厚度为50～200nm的ti层，接着打开高功率脉冲磁控溅射制备一层ws2固体润滑层。

6.根据权利要求1～5任一项所述的制备方法制备得到的altin-ws2低摩擦系数耐磨涂层。

7.根据权利要求1～5任一项所述的制备方法制备得到的altin-ws2低摩擦系数耐磨涂层在缝纫机针杆上的应用。

技术总结
本发明涉及润滑涂层技术领域，具体涉及一种AlTiN‑WS2低摩擦系数耐磨涂层及其制备方法。具体技术方案为：一种AlTiN‑WS2低摩擦系数耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)将预处理的基体利用钛离子弧靶进行钛离子清洗；(2)利用多弧离子镀在基体上沉积钛过渡层；(3)打开AlTi合金离子弧靶沉积AlTiN涂层；(4)打开高功率脉冲磁控溅射分别制备Ti层和WS2层。通过利用多弧离子镀预先沉积AlTiN硬质层，然后在此基础上利用HiPIMS沉积WS2固体润滑层，制备出具有低摩擦系数的耐磨涂层。

技术研发人员：张平,俞健健,应普友,吴建波,杨涛,林长红,弗拉基米尔·列夫琴科
受保护的技术使用者：台州学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15