[发明专利]一种高硬度自润滑多层薄膜及制备方法

权利要求书

1.一种高硬度自润滑多层薄膜，其特征在于：由基体表面向外依次为TiC层、TiCN层组成的连续过渡层、TiAlN层和CuTiSiC层复合形成的高硬度耐磨层，耐磨层表面覆有Mo/CaF₂/BaF₂/C复合自润滑层，以及最表面的玻璃涂层，所述玻璃涂层是由玻璃粉与去离子水配制成的料浆旋涂形成，玻璃粉由SiO₂、Na₂O、CaO和Na₂SiO₃组成。

2.如权利要求1所述的一种高硬度自润滑多层薄膜，其特征在于：所述玻璃粉各组分按照质量比重为60~75%SiO₂、15~20%Na₂O、5~12%CaO和5~12%Na₂SiO₃组成。

3.如权利要求1或2所述的一种高硬度自润滑多层薄膜，其特征在于：所述TiC层厚度为100~150nm，TiCN层厚度为100~150nm，所述TiAlN层厚度为300~400nm，所述CuTiSiC层厚度为500~600nm；所述Mo/CaF₂/BaF₂/C复合层厚度为1~2μm，玻璃涂层厚度为1~2μm。

4.一种如权利要求3所述的高硬度自润滑多层薄膜的制备方法，其特征在于：采用磁过滤阴极真空弧源多弧离子镀在热处理以后的金属基体表面依次制备TiC、TiCN的连续过渡层， TiAlN层和CuTiSiC层，然后采用将Mo粉、BaF₂粉、CaF₂粉和C粉混合制备成复合粉末，通过等离子喷涂制备出Mo/CaF₂/BaF₂/C自润滑层，最后旋涂一层玻璃涂层。

5.如权利要求4所述的一种高硬度自润滑多层薄膜的制备方法，其特征在于：所述复合粉末是按照质量比例关系Mo:BaF₂:CaF₂:C=1.5~2:3:1.5:8将Mo粉、BaF₂粉、CaF₂粉和C粉混合，加入聚乙烯醇混合搅拌成混合溶液，在350~380℃下对混合溶液进行焙烧，然后升温至950~1000℃持续烧结1.5~2h，将烧结后形成的块体进行破碎、研磨和过筛，得粒径在10~100nm的复合粉末。

6.如权利要求4或5所述的一种高硬度自润滑多层薄膜的制备方法，其特征在于：所述玻璃涂层是将制备了Mo/CaF₂/BaF₂/C复合自润滑层的金属基体加热至220～280℃并保温30~40min，保持该温度下，将玻璃粉料浆以4000rpm速率在上述涂层表面旋涂30~40s，制备得玻璃涂层。

7.如权利要求6所述的一种高硬度自润滑多层薄膜的制备方法，其特征在于：所述玻璃粉料浆是将上述SiO₂、Na₂O、CaO和Na₂SiO₃混合后进行球磨，球磨过程中以无水乙醇作为助磨剂；然后将混合均匀后的粉末加热熔化形成玻璃熔体；再将玻璃熔体进行水淬急冷得到玻璃颗粒或玻璃晶须，使用行星球磨机对玻璃颗粒或玻璃晶须进行行星式球磨，得到玻璃粉；最后将玻璃粉与去离子水均匀混合，得到玻璃粉末料浆。

8.如权利要求7所述的一种高硬度自润滑多层薄膜的制备方法，其特征在于：所述加热熔化是先以8～10℃/min的升温速率升温至 600℃，再以4～6℃/min的升温速率升温至1000℃，然后保温至熔体均匀澄清透明化。

9.如权利要求8所述的一种高硬度自润滑多层薄膜的制备方法，其特征在于：所述金属基体为M2、M35高速钢或不锈钢中的一种，为保证基底与涂层之间具有更优异的结合力，对基体进行热处理，具体是在1000℃下淬火，然后在500~550℃下进行依次升温的三次回火，提高了基体的硬度，镀层和基体之间的金属键合力增大。

10.一种高硬度自润滑多层薄膜的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

S1、基体热处理

M2、M35高速钢或不锈钢中的一种作为基体，在1000~1300℃下淬火，然后在550~600℃下进行依次升温的三次回火，每次回火时间为1~2h；

S2、基体清洗

分别依次用200#、600#、 800#、1000#、1500#水砂纸打磨，最后使用粒径为0.1μm的金刚石抛光剂进行抛光处理，然后依次在乙醇水溶液、碱处理液、酸处理液、高纯水、丙酮中各超声清洗10min，然后晾干，备用，其中碱处理液是K₃(Fe(CN)₆)和KOH质量比 1:1的混合液碱，混合碱溶液酸处理液是HF、HNO₃和HAC摩尔比为1:1:1形成的混合酸；

S3、多弧离子镀

阴极弧源采用Ti为靶材，弧电流为80~100A，弧电压为30~50V，负电压为200V，沉积温度为450℃，乙炔通入量为20~30sccm，在基体表面制备厚度为100~150nm的TiC过渡层；然后调整乙炔通入量为10~15sccm，氮气通入量为15~20sccm，制备厚度为300~400nm的TiCN连续过渡层；阴极弧源采用Ti和Al质量比为1:1混合作为靶材，氮气通入量为35~45sccm，镀膜制成厚度为300~400nm的TiAlN薄膜；以高纯硅和由Ti和Cu质量比为1:1组成的混合物分别作为靶材，并通入乙炔，调节真空度为4×10^-3Pa，沉积厚度为500~600nm的CuTiSiC薄膜层；

S4等离子喷涂

按照质量比例关系Mo:BaF₂:CaF₂:C=1.5~2:3:1.5:8将Mo粉、BaF₂粉、CaF₂粉和C粉混合，加入聚乙烯醇混合搅拌成混合溶液，在350~380℃下对混合溶液进行焙烧，然后升温至950~1000℃持续烧结1.5~2h，将烧结后形成的块体进行破碎、研磨和过筛，得粒径在10~100nm的复合粉末，将步骤S3制备得到的材料放入等离子喷涂设备中，通过等离子喷涂技术制备厚度为1~2μm的Mo/BaF₂/CaF₂/C复合涂层；

S5旋涂玻璃涂层

按照质量比重将60~75%SiO₂、15~20%Na₂O、5~12%CaO和5~12%Na₂SiO₃混合，以无水乙醇作为助磨剂进行球磨，然后将混合均匀后的粉末以8～10℃/min的升温速率升温至 600℃；再以4～6℃/min的升温速率升温至1000℃，然后保温0.5~1h，形成玻璃熔体；将玻璃熔体进行水淬急冷得到玻璃颗粒或玻璃晶须，再进行行星式球磨，得到玻璃粉；最后将玻璃粉与去离子水按照质量比为1:1~1.5均匀混合得到玻璃粉末料浆，行星球磨的转速为220～250r/min，行星式球磨时玻璃颗粒或玻璃晶须、助磨剂以及磨球的质量比为3:1:3；

将S4制备了复合自润滑涂层的基体加热至220～280℃并保温30~40min，在该温度下将制备好的玻璃粉料浆以4000rpm速率在上述涂层表面旋涂30~40s，制备厚度为1~2μm的玻璃涂层。