[发明专利]搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层及制备方法

说明书

本发明公开了一种搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层及制备方法，包括依次附着在搅拌摩擦焊头以外的结合层、过渡层、支撑层和自润滑层，结合层为电弧离子镀方法高能轰击制备的AlCrSiN纳米晶‑非晶层，过渡层为AlCrSiCN过渡金属氮碳化物纳米晶‑非晶陶瓷层，支撑层为AlCrSiCN/CrCN纳米多层，自润滑层为AlCrSiCx/CrCx纳米多层，本发明采用梯度复合涂层技术，从基体表面氮化物开始到最表面的碳化物涂层，形成结构和成分渐变，涂层和基体为冶金结合，具有良好的附着力；将高硬度的AlCrSiCx和CrCx良好的润滑性能的富碳的纳米晶复合类金刚石结构进行复合，可以使碳化物层韧化和耐温性提高，进一步提高其耐磨性和高温热稳定性。

技术领域

本发明涉及一种表面强化技术，尤其涉及一种搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层及制备方法。

背景技术

搅拌摩擦焊技术是英国焊接研究所于1991年发明的。首先在铝合金、镁合金等轻金属结构领域得到应用，近年也有将其应用于熔点较高的材料。搅拌摩擦焊在铝合金上的应用不仅涉及到各种材料的焊接，还研究了大范围的异种铝合金的焊接。搅拌摩擦焊方法与普通的电弧焊或者激光焊接不同，搅拌摩擦焊是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，从而使连接部位的材料温度升高软化并对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。

搅拌头是搅拌摩擦焊中极其重要的部件，搅拌头的寿命直接决定了焊接质量的稳定性。揽拌摩擦焊接过程中搅拌头工况比较恶劣，处于高温高压的环境。搅拌头的材料、形状尺寸等的选择都会对搅拌头的寿命以及焊接过程产生影响。搅拌头材料的选择也会通过影响产热和传热等因素进而反过来影响焊接质量。此外搅拌头的材料还可能会影响焊缝的微观组织。

目前搅拌头材料主要有工具钢、热作模具钢H13、聚晶立方氮化硼和硬质合金等。搅拌头和材料之间的摩擦会使铝合金材料黏附到搅拌头表面。如果搅拌头表面的螺纹被铝合金填满，则在焊接过程中经常会导致摩擦力降低，影响焊接过程。为此需要降低搅拌头表面和铝之间的摩擦。传统降低摩擦系数的方式是往摩擦界面上进行润滑剂的添加。但焊接过程中摩擦头表面被铝液紧密包裹，无法进行润滑。为此搅拌头用新型耐高温润滑薄膜材料的开发具有重要价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有良好的自润滑性能和高耐磨性的搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层，进一步地提供一种搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层的表面涂层的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层，包括依次附着在搅拌摩擦焊头以外的结合层、过渡层、支撑层和自润滑层，所述的结合层为电弧离子镀方法高能轰击制备的AlCrSiN纳米晶-非晶层，过渡层为AlCrSiCN过渡金属氮碳化物纳米晶-非晶陶瓷层，支撑层为AlCrSiCN/CrCN纳米多层，自润滑层为AlCrSiCx/CrCx纳米多层。

本发明解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的结合层的AlCrN纳米晶的直径为3-20纳米，所述的结合层的SiNx非晶层的厚度为1-10纳米，所述的结合层的涂层厚度为50-1000纳米。

本发明解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的过渡层的AlCrCN纳米晶的直径为5-25纳米，所述的过渡层的SiCN非晶层的厚度为1-5纳米，所述的过渡层的涂层厚度为500-1500纳米。

本发明解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的支撑层由AlCrSiCN单层和CrCN单层交替形成，所述的AlCrSiCN单层厚为3-15纳米，所述的CrCN单层厚度为5-20纳米，所述的支撑层的调制周期为8-35纳米，所述的支撑层的涂层厚度为200-2000纳米。