潤滑與硬質(zhì)薄膜技術(shù)

510所潤滑與硬質(zhì)薄膜技術(shù)中國航天科技集團公司五院510所

2013年10月

一、概述510所隸屬于中國航天科技集團公司，是國內(nèi)開展空間機械潤滑技術(shù)研究與空間工程應(yīng)用的主要承擔(dān)單位，負責(zé)我國絕大多數(shù)空間飛行器上各類活動零部件的潤滑方案設(shè)計、潤滑工藝實施以及模擬在軌工況的地面驗證試驗工作。自“六五”開始從事摩擦學(xué)與潤滑技術(shù)研究，承擔(dān)了多項國家級重點預(yù)研課題，開發(fā)了一系列適用于軍民兩用的減摩耐磨薄膜技術(shù)，解決了空間飛行器上各種活動零部件如滾動軸承、滑動軸承、直線軸承、蝸輪-蝸桿、滾珠-絲杠、直線導(dǎo)軌、齒輪傳動、諧波傳動等摩擦副間的、低摩擦、耐磨損應(yīng)用需求，廣泛的應(yīng)用于我國導(dǎo)航、通信、載人航天（神舟系列飛船）、探月（嫦娥系列）、高分等項目空間飛行器，目前空間活動機構(gòu)部組件的年生產(chǎn)能力在萬件以上，研制的各類活動件產(chǎn)品在軌飛行成功率100%。減摩耐磨薄膜技術(shù)除可以應(yīng)用于航天特殊領(lǐng)域外，由于具有低摩擦、耐磨損等性能還可用于其它如航空、汽車、兵器、紡織、機械加工、礦產(chǎn)開采等各種領(lǐng)域里需要減摩耐磨的零件表面改性。

多年來，510所以軍民需求為牽引，在潤滑與硬質(zhì)薄膜技術(shù)方面形成了三個主要研究方向。結(jié)合承擔(dān)的多項預(yù)先研究課題以及具體工程應(yīng)用，突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，形成了一系列面向應(yīng)用工況的潤滑與硬質(zhì)薄膜產(chǎn)品，為實現(xiàn)在軍民領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。1.低摩擦自潤滑材料技術(shù)PVD潤滑薄膜（濺射MoS2-Ti/Sb2O3）2.新型硬質(zhì)DLC基潤滑薄膜技術(shù)

a-C:H，W-C:H，Si-C:H，CrN+W-C:H，CrN+W-C:H+DLC，AlTiN+W-C:H3.耐磨損TiN、CrN基涂層技術(shù)

TiN，TiAlN，TiN/TiAlN，TiCN，AlTiN，AlCrN，

CrN，Cr2N

二、主要研究方向類金剛石涂層（DLC）是一系列非晶碳膜的總稱，具有低摩擦、低內(nèi)應(yīng)力、高硬度等特點。在新型硬質(zhì)DLC基薄膜技術(shù)研究中，通過PVD、PECVD等各種沉積技術(shù)的優(yōu)化及組合，結(jié)合納米復(fù)合、多層及梯度薄膜設(shè)計思想，突破和掌握了金屬基體中間過渡層沉積技術(shù)、DLC金屬摻雜量與氫含量優(yōu)化及控制技術(shù)、復(fù)雜曲面硬質(zhì)DLC薄膜沉積技術(shù)、面向工況的DLC薄膜性能控制技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了DLC薄膜高結(jié)合強度、低內(nèi)應(yīng)力、高硬度、低摩擦系數(shù)的統(tǒng)一，獲得了一系列可針對不同應(yīng)用工況的DLC基薄膜。三、新型硬質(zhì)DLC基薄膜技術(shù)序號名稱主要性能指標(biāo)采用的技術(shù)厚度/μm硬度/GPa附著力/Lc摩擦系數(shù)耐磨壽命/r1a-C:H1-31500-3500＞800.05-0.15＞5×105PACVD2W-C:H1-10800-2200＞1000.1-0.2＞5×105UBM/PACVD3Si-C:H1-31500-2500＞800.05-0.1＞5×105PACVD4CrN+W-C:H1-62000-2500＞1000.1-0.2＞5×105HYBRID/UBM5CrN+W-C:H+DLC1-32000-4000＞1000.05-0.15＞5×105UBM/PACVD6AlTiN+W-C:H1-62000-2500＞1000.1-0.2＞5×105HYBRID

1.DLC基薄膜膜系及其技術(shù)指標(biāo)三、新型硬質(zhì)DLC基薄膜技術(shù)1）應(yīng)用領(lǐng)域航天空間活動部件如軸承、諧波減速器、齒輪傳動副等表面改性，顯著提高其耐磨損性能，特別適用于長壽命、高精度天線諧波驅(qū)動機構(gòu)活動部件。三、新型硬質(zhì)DLC基薄膜技術(shù)

2.DLC基薄膜應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用情況

軸承齒輪1）應(yīng)用領(lǐng)域b）汽車

廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機部件（燃料噴射系統(tǒng)，氣閥機構(gòu)，活塞等）；滑動和滾動部件（軸承套圈，滾柱）；泵和壓縮機（活塞、氣缸等），提高汽車零部件的工作壽命，對節(jié)能減排、特別是二氧化碳排放指標(biāo)的實現(xiàn)具有重要意義。三、新型硬質(zhì)DLC基薄膜技術(shù)

2.DLC基薄膜應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用情況1）應(yīng)用領(lǐng)域c）機械加工

應(yīng)用在鉆頭、銑刀、絲錐、刀片及各種成型刀，用于石墨切削，各種有色金屬切削（如鋁合金、銅合金等）以及非金屬硬質(zhì)材料（如亞克力、玻璃纖維、PCB材料）切削等。三、新型硬質(zhì)DLC基薄膜技術(shù)

2.DLC基薄膜應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用情況

2）應(yīng)用典型實例

應(yīng)用于光學(xué)設(shè)備某傳動軸，薄膜性能及應(yīng)用效果通過德國satislohGmbH公司的測試評價：在軸上成膜均勻，膜基結(jié)合力好，硬度高、且膜厚能實現(xiàn)精確控制，完全能滿足使用要求。目前子公司薩特隆光學(xué)設(shè)備（中山）有限公司某傳動軸的表面處理均由我所完成，不再從德國總公司生產(chǎn)，成功的實現(xiàn)了替代。三、新型DLC基潤滑薄膜技術(shù)

2.DLC基薄膜應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用情況

以TiN、CrN等二元氮化物以及由此發(fā)展起來的三元或者多元氮化物，具有高硬度、耐磨損、耐高溫等特點，但其具有內(nèi)應(yīng)力大、表面粗糙等缺點限制了其應(yīng)用。在耐磨損氮化物涂層技術(shù)研究中，通過采用先進磁控陰極電弧沉積技術(shù)（ACA）、高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（HIPIMS），突破和掌握了金屬基體表面刻蝕清洗技術(shù)、內(nèi)應(yīng)力控制技術(shù)、復(fù)雜曲面均勻沉積技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，顯著降低了其內(nèi)應(yīng)力、提高了其耐高溫性能，減少了表面液滴的產(chǎn)生，獲得了低內(nèi)應(yīng)力、耐高溫、耐磨損的氮化物涂層制備工藝，開發(fā)了一系列包含TiN、TiAlN、AlCrN、CrN在內(nèi)的耐磨損氮化物涂層。四、硬質(zhì)耐磨損涂層技術(shù)序號名稱主要性能指標(biāo)采用的技術(shù)厚度/

μm硬度/GPa摩擦系數(shù)沉積溫度范圍(℃)最高工作溫度(℃)1TiN1-622-250.5＜450600ACA2TiAlN1-625-350.4＜450800ACA3TiN/TiAlN1-625-350.4＜450800ACA4TiCN1-430-320.4＜450600ACA5AlTiN1-625-350.4＜450900HIPIMS+6AlCrN1-1030-320.35＜4501100HIPIMS+7CrN1-3015-250.3150-450700HIPIMS+8Cr2N1-515-300.3200-600700HIPIMS+四、耐磨損氮化物涂層技術(shù)

1.硬質(zhì)耐磨損涂層及其技術(shù)指標(biāo)四、耐磨損氮化物涂層技術(shù)

2.應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用情況1）應(yīng)用領(lǐng)域

主要應(yīng)用于刀具行業(yè)，通過提高刀具表面硬度，熱穩(wěn)定性，降低摩擦系數(shù)等方法來提升切削速度，提高進給速度，從而提高切削效率，并大幅提升刀具壽命。四、耐磨損氮化物涂層技術(shù)

2.應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用情況1）應(yīng)用實例應(yīng)用于擠壓絲錐與立銑刀。經(jīng)用戶評價：擠壓絲錐鍍膜后其壽命由6m提高到了17.886m，立銑刀鍍膜后壽命由8m提高到了20.38m。目前該廠生產(chǎn)的全部擠壓絲錐、立銑刀均由我所進行表面鍍膜，后續(xù)還將推廣至該廠其他刀具。

510所技術(shù)力量雄厚，工藝裝備先進，具有國際尖端的多弧/磁控復(fù)合沉積技術(shù)及高功率脈沖磁控濺射技術(shù)等，具有沉積速率快、涂層性能優(yōu)異、工藝重復(fù)性好等優(yōu)點，可實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。五、生產(chǎn)能力序號所屬名

稱主要性能指標(biāo)1減摩耐磨薄膜生產(chǎn)設(shè)備復(fù)合功能梯度薄膜鍍膜機可實現(xiàn)高功率脈沖磁控濺射、多弧鍍、非平衡磁控濺射技術(shù)以及相結(jié)合的復(fù)合鍍膜技術(shù)。5個靶位，有效鍍膜空間為：φ650mm×650mm，極限壓力優(yōu)于5×10-5Pa.2高能脈沖磁控濺射鍍膜機可實現(xiàn)先進磁控陰極電弧沉積技術(shù)、非平衡磁控濺射技術(shù)、以及兩者復(fù)合技術(shù)。5個靶位，有效鍍膜空間為：φ650mm×800mm，極限壓力優(yōu)于5×10-5Pa.3非平衡／多弧鍍膜系統(tǒng)可實現(xiàn)非平衡磁控濺射、多弧鍍及等離子體化學(xué)氣相沉積等鍍膜技術(shù)。3個靶位，有效鍍膜空間為：φ350mm×500mm，極限壓力優(yōu)于5×10-5Pa。

團隊人員長期從事潤滑技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，工程經(jīng)驗豐富。

研發(fā)、生產(chǎn)與檢驗人員結(jié)構(gòu)完整，含研究員2名，高級工程師5人，工程師10人以及各類生產(chǎn)試驗人員12人。研發(fā)人員具有研究生學(xué)歷的占90%。該團隊具備根據(jù)客戶需求進行潤滑技術(shù)及工藝定制的能力，特別是針對復(fù)雜極端工況的潤滑方案制定與實施。在硬件設(shè)施與技術(shù)方面，具備國際先進的薄膜沉積設(shè)備，所有涂層沉積工藝參數(shù)實時監(jiān)控，工藝穩(wěn)定，批次重復(fù)性好，薄膜技術(shù)指標(biāo)達到國際先進水平。

具備完善的薄膜性能測試評價設(shè)備，能完成薄膜各種性能的檢測與評價。六、人才隊伍及硬件設(shè)施

510所通過了軍工產(chǎn)品質(zhì)量體系和ISO9001質(zhì)量認證體系，建立了嚴格的質(zhì)量控制體系。針對減摩耐磨薄膜技術(shù)民用應(yīng)用，建立了涂層生產(chǎn)線，通過零件表面檢查、清洗檢查、涂層外觀檢查及一系列性能測試，確保每一批次涂層產(chǎn)品質(zhì)量，可以為用戶提供高性能和高可靠的減摩耐磨涂層產(chǎn)品。七、質(zhì)量控制及產(chǎn)品保證八、采礦裝備機械部件潤滑技術(shù)初步建議

根據(jù)中銅集團初步技術(shù)需求，我們對采礦裝備典型零部件進行了調(diào)研。

采礦裝備的工作條件與要求決定了其零部件必須具有長壽命與高可靠的要求，機械潤滑技術(shù)是保證零部件乃至整個裝備長壽命高可靠的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。采礦裝備典型零部件有軸承、齒輪等，其中軸承肩負著機器的整個負載，需要軸承處于良好的潤滑狀態(tài)，可選擇基于硬質(zhì)涂層結(jié)合潤滑油的復(fù)合潤滑技術(shù)。510所憑借多年從事潤滑技術(shù)研究與工程應(yīng)用的能力與經(jīng)驗，完全具備根據(jù)采礦裝備機械部件具體工況提供合適可靠的潤滑技術(shù)的能力。510所可以根據(jù)用戶的需求提供技術(shù)方案、零部件潤滑處理，如有必要，510所也可以與用戶聯(lián)合成立相關(guān)實體進行更為深遠的合