润滑与硬质薄膜技术

510所润滑与硬质薄膜技术中国航天科技集团公司五院510所

2013年10月

一、概述510所隶属于中国航天科技集团公司，是国内开展空间机械润滑技术研究与空间工程应用的主要承担单位，负责我国绝大多数空间飞行器上各类活动零部件的润滑方案设计、润滑工艺实施以及模拟在轨工况的地面验证试验工作。自“六五”开始从事摩擦学与润滑技术研究，承担了多项国家级重点预研课题，开发了一系列适用于军民两用的减摩耐磨薄膜技术，解决了空间飞行器上各种活动零部件如滚动轴承、滑动轴承、直线轴承、蜗轮-蜗杆、滚珠-丝杠、直线导轨、齿轮传动、谐波传动等摩擦副间的、低摩擦、耐磨损应用需求，广泛的应用于我国导航、通信、载人航天（神舟系列飞船）、探月（嫦娥系列）、高分等项目空间飞行器，目前空间活动机构部组件的年生产能力在万件以上，研制的各类活动件产品在轨飞行成功率100%。减摩耐磨薄膜技术除可以应用于航天特殊领域外，由于具有低摩擦、耐磨损等性能还可用于其它如航空、汽车、兵器、纺织、机械加工、矿产开采等各种领域里需要减摩耐磨的零件表面改性。

多年来，510所以军民需求为牵引，在润滑与硬质薄膜技术方面形成了三个主要研究方向。结合承担的多项预先研究课题以及具体工程应用，突破了多项关键技术，形成了一系列面向应用工况的润滑与硬质薄膜产品，为实现在军民领域的应用奠定了基础。1.低摩擦自润滑材料技术PVD润滑薄膜（溅射MoS2-Ti/Sb2O3）2.新型硬质DLC基润滑薄膜技术

a-C:H，W-C:H，Si-C:H，CrN+W-C:H，CrN+W-C:H+DLC，AlTiN+W-C:H3.耐磨损TiN、CrN基涂层技术

TiN，TiAlN，TiN/TiAlN，TiCN，AlTiN，AlCrN，

CrN，Cr2N

二、主要研究方向类金刚石涂层（DLC）是一系列非晶碳膜的总称，具有低摩擦、低内应力、高硬度等特点。在新型硬质DLC基薄膜技术研究中，通过PVD、PECVD等各种沉积技术的优化及组合，结合纳米复合、多层及梯度薄膜设计思想，突破和掌握了金属基体中间过渡层沉积技术、DLC金属掺杂量与氢含量优化及控制技术、复杂曲面硬质DLC薄膜沉积技术、面向工况的DLC薄膜性能控制技术等多项关键技术，实现了DLC薄膜高结合强度、低内应力、高硬度、低摩擦系数的统一，获得了一系列可针对不同应用工况的DLC基薄膜。三、新型硬质DLC基薄膜技术序号名称主要性能指标采用的技术厚度/μm硬度/GPa附着力/Lc摩擦系数耐磨寿命/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基薄膜膜系及其技术指标三、新型硬质DLC基薄膜技术1）应用领域航天空间活动部件如轴承、谐波减速器、齿轮传动副等表面改性，显著提高其耐磨损性能，特别适用于长寿命、高精度天线谐波驱动机构活动部件。三、新型硬质DLC基薄膜技术

2.DLC基薄膜应用领域及应用情况

轴承齿轮1）应用领域b）汽车

广泛应用于汽车发动机部件（燃料喷射系统，气阀机构，活塞等）；滑动和滚动部件（轴承套圈，滚柱）；泵和压缩机（活塞、气缸等），提高汽车零部件的工作寿命，对节能减排、特别是二氧化碳排放指标的实现具有重要意义。三、新型硬质DLC基薄膜技术

2.DLC基薄膜应用领域及应用情况1）应用领域c）机械加工

应用在钻头、铣刀、丝锥、刀片及各种成型刀，用于石墨切削，各种有色金属切削（如铝合金、铜合金等）以及非金属硬质材料（如亚克力、玻璃纤维、PCB材料）切削等。三、新型硬质DLC基薄膜技术

2.DLC基薄膜应用领域及应用情况

2）应用典型实例

应用于光学设备某传动轴，薄膜性能及应用效果通过德国satislohGmbH公司的测试评价：在轴上成膜均匀，膜基结合力好，硬度高、且膜厚能实现精确控制，完全能满足使用要求。目前子公司萨特隆光学设备（中山）有限公司某传动轴的表面处理均由我所完成，不再从德国总公司生产，成功的实现了替代。三、新型DLC基润滑薄膜技术

2.DLC基薄膜应用领域及应用情况

以TiN、CrN等二元氮化物以及由此发展起来的三元或者多元氮化物，具有高硬度、耐磨损、耐高温等特点，但其具有内应力大、表面粗糙等缺点限制了其应用。在耐磨损氮化物涂层技术研究中，通过采用先进磁控阴极电弧沉积技术（ACA）、高功率脉冲磁控溅射技术（HIPIMS），突破和掌握了金属基体表面刻蚀清洗技术、内应力控制技术、复杂曲面均匀沉积技术等关键技术，显著降低了其内应力、提高了其耐高温性能，减少了表面液滴的产生，获得了低内应力、耐高温、耐磨损的氮化物涂层制备工艺，开发了一系列包含TiN、TiAlN、AlCrN、CrN在内的耐磨损氮化物涂层。四、硬质耐磨损涂层技术序号名称主要性能指标采用的技术厚度/

μm硬度/GPa摩擦系数沉积温度范围(℃)最高工作温度(℃)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、耐磨损氮化物涂层技术

1.硬质耐磨损涂层及其技术指标四、耐磨损氮化物涂层技术

2.应用领域及应用情况1）应用领域

主要应用于刀具行业，通过提高刀具表面硬度，热稳定性，降低摩擦系数等方法来提升切削速度，提高进给速度，从而提高切削效率，并大幅提升刀具寿命。四、耐磨损氮化物涂层技术

2.应用领域及应用情况1）应用实例应用于挤压丝锥与立铣刀。经用户评价：挤压丝锥镀膜后其寿命由6m提高到了17.886m，立铣刀镀膜后寿命由8m提高到了20.38m。目前该厂生产的全部挤压丝锥、立铣刀均由我所进行表面镀膜，后续还将推广至该厂其他刀具。

510所技术力量雄厚，工艺装备先进，具有国际尖端的多弧/磁控复合沉积技术及高功率脉冲磁控溅射技术等，具有沉积速率快、涂层性能优异、工艺重复性好等优点，可实现大批量生产。五、生产能力序号所属名

称主要性能指标1减摩耐磨薄膜生产设备复合功能梯度薄膜镀膜机可实现高功率脉冲磁控溅射、多弧镀、非平衡磁控溅射技术以及相结合的复合镀膜技术。5个靶位，有效镀膜空间为：φ650mm×650mm，极限压力优于5×10-5Pa.2高能脉冲磁控溅射镀膜机可实现先进磁控阴极电弧沉积技术、非平衡磁控溅射技术、以及两者复合技术。5个靶位，有效镀膜空间为：φ650mm×800mm，极限压力优于5×10-5Pa.3非平衡／多弧镀膜系统可实现非平衡磁控溅射、多弧镀及等离子体化学气相沉积等镀膜技术。3个靶位，有效镀膜空间为：φ350mm×500mm，极限压力优于5×10-5Pa。

团队人员长期从事润滑技术的研发与应用，工程经验丰富。

研发、生产与检验人员结构完整，含研究员2名，高级工程师5人，工程师10人以及各类生产试验人员12人。研发人员具有研究生学历的占90%。该团队具备根据客户需求进行润滑技术及工艺定制的能力，特别是针对复杂极端工况的润滑方案制定与实施。在硬件设施与技术方面，具备国际先进的薄膜沉积设备，所有涂层沉积工艺参数实时监控，工艺稳定，批次重复性好，薄膜技术指标达到国际先进水平。

具备完善的薄膜性能测试评价设备，能完成薄膜各种性能的检测与评价。六、人才队伍及硬件设施

510所通过了军工产品质量体系和ISO9001质量认证体系，建立了严格的质量控制体系。针对减摩耐磨薄膜技术民用应用，建立了涂层生产线，通过零件表面检查、清洗检查、涂层外观检查及一系列性能测试，确保每一批次涂层产品质量，可以为用户提供高性能和高可靠的减摩耐磨涂层产品。七、质量控制及产品保证八、采矿装备机械部件润滑技术初步建议

根据中铜集团初步技术需求，我们对采矿装备典型零部件进行了调研。

采矿装备的工作条件与要求决定了其零部件必须具有长寿命与高可靠的要求，机械润滑技术是保证零部件乃至整个装备长寿命高可靠的关键基础技术。采矿装备典型零部件有轴承、齿轮等，其中轴承肩负着机器的整个负载，需要轴承处于良好的润滑状态，可选择基于硬质涂层结合润滑油的复合润滑技术。510所凭借多年从事润滑技术研究与工程应用的能力与经验，完全具备根据采矿装备机械部件具体工况提供合适可靠的润滑技术的能力。510所可以根据用户的需求提供技术方案、零部件润滑处理，如有必要，510所也可以与用户联合成立相关实体进行更为深远的合