[发明专利]一种用于气浮轴承的复合涂层制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及硬质耐磨涂层的制备，特别涉及用于气浮轴承表面改性的低摩擦、高 耐磨、耐蚀性复合涂层的制备。

背景技术

动压气浮轴承转子与定子之间的摩擦系数越小越有利于马达启动，在高速转动过 程中，定子与转子可能发生碰撞甚至出现瞬间熔化抱死故障。起停瞬间的接触摩擦对 气浮轴承的寿命有着显著的影响。单一材料的动压气浮轴承已经不能满足目前的需 求，轴承材料的表面改性技术是限制其应用的关键技术之一。目前对于气浮轴承的研 究主要集中在结构、基体材料及附属部件的设计，例如，广州市大族高精电机有限公 司的汤秀清公开了一种气浮电主轴的下空气轴承的专利(CN200993163)，轴体外周 的中部以上设有上环形密封圈，以及中部以下设有下环形密封圈，上环形密封圈与下 环形密封圈之间的轴体内设有冷却水循环槽。它能保持主轴在较低的温度下工作，保 持工作精度，安全性好。中国科学院工程热物理研究所的杨金福等人公开了一种内流 道自润滑结构的动压气浮轴承(101413540)的专利，在轴承体内表面开设增压流道 槽结构，采用橡胶圈、金属橡胶及弹性复合材料减振措施的结构设计。该发明的轴承 能够提高气浮轴承承载稳定性与可靠性，进一步拓宽了气浮轴承应用的范围等。通过 以上的研究内容可知，对气浮轴承的研究还主要集中在结构设计上，对气浮轴承表面 改性，提高耐磨、耐高温等性能的涂层技术还没有被应用到气浮轴承。

真空镀膜是保证表面粗糙度和精度的一种高效的镀膜方法，目前已经广泛应用到 工业中。真空镀膜涂层由于与基体材料性质不同，它们的热膨胀系数相差一个数量级 以上，弹性模量和硬度存在很大差异，涂层在镀制后会存在很大的的内应力，如不进 行有效调整和控制可能造成器件的失效。与此相对应，有些设备装备后需要长期保存， 为确保有效使用要求具备很高的可靠性，防止关键时刻器件失效的事故，迫使我们不 得不对涂层的可靠性开展深入的研究，根据研究结果制备出高可靠性、耐摩擦磨损涂 层。通过一层或多层的中间层系统作用于硬质镀层材料和基体材料之间改善它们的适 应性，缓解化学键、热膨胀系数等性能的差别，这就是多层膜的主导思想。与单层膜 相比，多层膜在表面应力、裂纹强度、表面韧性和残余应力等方面都显示出优越的性 能。多层膜可以缓冲薄膜与基体之间物理性能的不匹配，改善膜基结合力、防止单层 膜中柱状晶和粗大晶粒的生长，细化晶粒，提高塑性变形能力多层膜间的界面对位错 滑移具有阻碍作用，增大了膜层的强度，防止裂纹的形成和扩展以及抗冲击能力等。

类金刚石薄膜(DLC)结构和成分的多样性使得其机械性能的范围很广，其杨氏 模量从几十到几百GPa都有。增加氢的含量可以同时减小硬度和杨氏模量。换言之， 增加sp3的比例可以提高硬度和弹性模量，大多数DLC薄膜都比金属材料硬度高， 特别是比钢高。DLC薄膜中sp3键、sp2键的含量是非常重要的参数。薄膜的性质受 这两种键含量的影响较大。根据两相结构模型理论，DLC膜中的sp3键影响着DLC 膜的机械性能，sp2键控制着DLC膜的电学和光学性能。sp3键的含量越多，薄膜的 性能越接近于金刚石。沉积方法和工艺对薄膜的结构有着重要的影响，从而影响薄膜 的性能。

DLC膜具有高的内应力，通常是压应力，应力值在-0.5～-12.5GPa。高的内应 力的存在限制了DLC膜的厚度和附着力。DLC膜在生长过程中产生较高的内应力以 及膜基的物理性质不匹配造成的应力，使DLC膜与基体(特别是金属材料)的附着 力差，限制了DLC膜的应用；DLC膜的热稳定性差，当温度高于250℃时易于发生 石墨化，限制了其使用范围。其中膜基附着性能的问题是DLC膜实用化所面临的急 待解决的关键问题，膜基附着性能主要取决于膜基的附着力和薄膜的内应力。当内应 力过大时，膜基界面无法承受过大内应力所带来的影响，往往会造成薄膜脱离基体。