[发明专利]轻合金基复合防护多功能涂层

说明书

技术领域

本发明可被用于工程、电子、医药以及其他使用非铁金属及其合金的领域的各个部门。本发明涉及一种把防护涂层应用于上述金属及其合金以及由它们制造的部件和物品的技术。

背景技术

使用具有硬化陶瓷涂层的非铁合金部件而不是传统材料(陶瓷、高合金钢和铸铁)制成的部件可以大大增加高载荷快速磨损部件的耐久性和可靠性，并且还可以减轻重量以及改善部件的动力特性。

目前，已制造出相当数量的硬瓷涂层，但是能在润滑不足或根本就没有润滑作用的极端条件下使用的硬瓷涂层却相当缺乏。象TiN、TiCN这样的薄耐磨涂层，由于其润湿性能不足，经常会破坏润滑油膜，这样就会造成更大程度的磨损。相对较厚的陶瓷涂层在其磨损性能方面接近于烧结陶瓷。它们的主要缺点在于摩擦系数高，在润滑剂不足之处摩擦接触面的发热，微切削效应造成的对应物体的深度磨损，陶瓷颗粒的剥落及其微屑加入对磨损的进一步加速。把表面进一步精加工到粗糙度为Ra0.04-0.06μm只能部分解决这个问题。

近来在制造非铁合金部件的通用防护涂层方面又进行了更多的尝试，使其能够在极端条件下工作并且仍然具有低的摩擦系数，高的耐磨性能以及良好的耐侵蚀介质的性能。

制造这种涂层的一个方法是在要防护的部件上形成多孔的陶瓷涂层，然后在孔隙中注入各种填料。

这里有一种已知的处理方法(美国专利5,487,826A)：在Al、Mg和Ti的合金上形成一个复合层，它包括一个多孔的防护性氧化层，在孔中注入的是含氟聚合物的颗粒。

另一种已知的处理方法(WO 97/05302)是在Al、Mg和Ti的合金上形成一个多孔的氧化膜，再利用溶胶凝胶技术把SiO₂颗粒注入孔隙中。

还有一种已知的处理方法(RU 2073752)是在铝合金部件上形成的氧化层中引入硅有机低聚物，然后在300-500℃进行热处理。

上述处理方法的一个共同缺点在于：部件在极端条件下使用时会出现高温，它们在这种高温的情况下应用存在局限性，并且涂层的导热性和导电性的等级也很低。

摩擦生电因子和热辐射因子会极大地影响磨损的特性以及相互摩擦的物体间形成的磨损产物。因此可以通过在涂层中使用金属或有金属特性的成分来增加复合涂层的导热性和导电性。

有一种已知的用于螺旋泵的转子的表面处理的方法(美国专利5,645,896A)：首先通过气热撒粉过程在转子的表面形成一层厚度为50-125μm的粗粒碳化钨，然后形成一层厚度为75-150μm的镍铬合金层一直到把碳化物层完全覆盖住。最终的抛光把转子减小至其所要求的尺寸，并露出碳化物层的防护顶点，在转子工作时由它承担主要载荷。

在上面所描述的方法中，转子由钢制成。但是可把气热撒粉过程用于向任意背衬敷涂任意成分的涂层。但是，用这种方法很难在具有复杂形状的部件上形成均匀的涂层。另外，利用气热撒粉过程所形成的涂层与基底结合的也不足够牢。如果基底是非铁金属形成的话，上述缺点就会更加严重，因为它们散热很快并且在等离子流的影响下会集中形成薄的氧化物薄膜。同样，非铁合金会对撒粉过程的高温产生临界反应，因为铝合金和镁合金的表面在这种高温下会熔化，而且钛合金的过热会造成其抗疲劳性降低。

有一种已知的处理方法(美国专利5,364,522A)是应用多功能复合涂层，这种多功能复合涂层由富含硼化物、碳化物、氮化物、氮氧化合物和硅化物的陶瓷薄膜组成。在这种处理方法的第一个阶段，先用电化学方法把氢氧化物陶瓷层敷涂在背衬上，在第二个阶段，在450-800℃的温度下利用气流或汽流把难熔化合物渗入陶瓷层。

利用这种处理方法制成的涂层在高温下坚固，耐磨并且耐腐蚀。但是，这种技术中所使用的高温不可能把这种涂层应用于由非铁合金制成的部件上。

有一种已知的处理方法(WO 91/13625)是把耐磨、减摩涂层应用于铝及铝的合金。首先把铝的背衬在15％的硫酸溶液中进行阳极氧化。然后把一层软金属即铟、锡、镓或其组合物敷涂于多孔的阳极氧化物表面。阳极氧化物涂层的厚度为1-500μm，金属层的厚度为10-100μm。在该处理方法中，阳极金属至少80％的孔应填充金属。

上述方法的主要问题在于低的机械强度和碱性的阳极氧化物涂层的不稳定性。