耐磨防護涂層、其制備方法及應用技術

本發明專利技術公開了一種耐磨防護涂層、其制備方法及應用。所述耐磨防護涂層包括：覆蓋于基底表面的硬質V過渡層、以及覆蓋于所述硬質V過渡層上的VCN涂層。所述基底優選自不銹鋼質機械運動基礎件。所述制備方法包括：采用電弧離子鍍技術，在基底表面沉積硬質V過渡層；采用電弧離子鍍技術，在硬質V過渡層上繼續沉積VCN涂層。本發明專利技術中VCN涂層主要是由VC及VN相組成，表現為一種典型的非晶鑲嵌納米晶結構，在大氣和海水環境均表現出較低的摩擦系數及磨損率；硬質V過渡層能夠改善不銹鋼質機械運動基礎件等基底與VCN涂層兩者成分迥異材料間的結合性能，同時釋放VCN涂層中的部分應力，從而有效的提高了VCN涂層與不銹鋼質機械運動基礎件的綜合性能及使用壽命。

【技術實現步驟摘要】
耐磨防護涂層、其制備方法及應用
本專利技術具體涉及一種耐磨防護涂層、其制備方法及應用，屬于表面工程防護

技術介紹
開發海洋對各類機械零件的基材硬度、強度與抗疲勞能力有較高要求，裝備的零部件能否在較長時間內安全穩定的工作很大程度上取決于直接經受摩擦磨損和介質侵蝕的表面，塑性形變、裂紋擴展、沖蝕、氣蝕、氧化、材料剝除等表面狀態的改變將導致零件服役壽命與安全性的顯著降低，即使是整體失效的零部件，其失效過程也多是從承受外部作用的表面開始逐漸向材料芯部擴展的。在很多機械設備的使役工況條件下(如鉆探開采、航空航天、燃氣動力系統等)一般無法找到一種能夠同時滿足結構支撐與表面強韌雙重要求的材料，因此研究和發展表面防護與強化技術對于改善裝備的性能質量，延長關鍵零部件服役壽命，降低能源消耗等方面有著重要的意義。統計結果顯示全世界每90s就有近1噸鋼材腐蝕生銹，同時，海洋材料因摩擦磨損造成的損失在急劇增加，僅從提供表面防護的功用方面考慮，表面處理就有廣泛應用的基礎。也正因為表面處理的技術內涵契合21世紀以優質高效、安全可靠、節能節材為目標的先進制造理念，可以為再制造工程提供有力的技術支撐，為低碳循環經濟做出貢獻。表面處理在物理與化學的基礎上綜合了機械、電子、自動控制等多種學科門類的新型技術，不斷提高研究與實用價值。薄膜技術作為表面處理的典型代表，被廣泛運用于材料防護領域。不銹鋼質機械運動基礎件(如齒輪、軸承、機械關節、密封環等)作為與海水直接接觸的泵閥管路、液壓及動力傳輸等系統關鍵零部件之一，其使役壽命與安全性很大程度上取決于體系各部件的摩擦學行為穩定性。不銹鋼質機械運動基礎件表面涂覆技術可在不改變零件基體成型加工性能的基礎上賦予其更為優異的特性，是提高零部件使役壽命與安全性的有效技術手段。較之于大氣環境，海水是一種較強腐蝕性的介質，高濃度的Cl-使得多數金屬在海水中均會發生腐蝕且無法通過陽極阻滯的方法減輕腐蝕反應程度，此外，點蝕、縫隙腐蝕以及湍流腐蝕和空泡腐蝕也廣泛存在。為這種苛刻條件下服役的零部件表面提供防護的涂層，需兼具優良的摩擦磨損性能與耐腐蝕性能。如何提高不銹鋼質機械運動基礎件的實用壽命，將對提高整個海洋開發工程的效率及質量，節約成本起到關鍵性的作用。目前國內自主研發的不銹鋼質機械運動基礎件服役壽命遠遠低于國外同類產品。主要原因有二：一是應用于機械零部件表面的這類高性能涂層核心技術基本上被德國、日本等西方發達國家所掌握。二是關于VCN涂層在極端惡劣的環境下的研究相對缺乏。因此，在不銹鋼質機械運動基礎件表面獲得性能優異的耐磨防護涂層是迫切需要解決的難點問題。針對上面所述國產機械零部件表面新型耐磨涂層研究的不足，以及在不銹鋼質機械運動基礎件表面獲得性能優異的VCN耐磨防護涂層，正是本專利技術所解決的技術問題。
技術實現思路
本專利技術的主要目的在于提供一種耐磨防護涂層、其制備方法及應用，以克服現有技術中的不足。為實現前述專利技術目的，本專利技術采用的技術方案包括：本專利技術的一個實施例提供了一種耐磨防護涂層，所述耐磨防護涂層包括：基底、覆蓋于基底表面的硬質V過渡層、以及覆蓋于所述硬質V過渡層上的VCN涂層。其中，所述基底尤其優選為不銹鋼質機械運動基礎件。優選地，所述涂層具有非晶包裹納米晶的納米復合結構，所述納米晶為VC及VN相結構，所述非晶為無定形碳。本專利技術的一個實施例提供了一種制備耐磨防護涂層的方法，其包括：采用電弧離子鍍技術，在基底表面沉積硬質V過渡層；采用電弧離子鍍技術，在所述硬質V過渡層上繼續沉積VCN涂層。其中，所述基底尤其優選為不銹鋼質機械運動基礎件。在一較為優選的實施方案中，所述制備方法包括：采用電弧離子鍍系統在不銹鋼質機械運動基礎件表面預先沉積所述硬質V過渡層；所用靶材為金屬V靶，反應室基底真空度為(3～6)×10-3Pa，工作氣氛為Ar，流量為350～450sccm，工作真空度為0.2～0.5Pa；沉積偏壓為-30～-50V之間可調，V靶弧電流為45～65A，沉積溫度保持為300～400℃，沉積時間為10～15分鐘。在一更為具體的實施方案中，在沉積所述硬質V過渡層的過程中，所述電弧離子鍍系統中設置有兩組V靶，每組包括上中下垂直安置的三個V靶。其中，Ar的純度優選為不低于99.99％。在一較為優選的實施方案中，所述制備方法包括：采用電弧離子鍍系統在具有所述硬質V過渡層的不銹鋼質機械運動基礎件表面繼續沉積所述VCN涂層，其中所用靶材為金屬V靶，在不間斷真空鍍膜狀態下，反應室基底真空低于4×10-3Pa，切斷Ar流入，向腔室內通入C2H2和高純N2作為反應氣體，其中C2H2流量為10～80sccm，N2流量為600～800sccm，維持真空度在2.0～4.0Pa之間，V靶電流在45～65A之間可調，沉積溫度保持為300～400℃。在一更為具體的實施方案中，在沉積所述VCN涂層過程中，所述電弧離子鍍系統中設置有兩組V靶，每組包括上中下垂直安置的三個V靶。進一步的，C2H2的純度不低于99.99％。進一步的，N2的純度不低于99.99％。本專利技術的一個實施例提供了一種裝置，所述裝置包括：不銹鋼質機械運動基礎件；以及，形成于所述基礎件表面的耐磨防護涂層。與現有技術相比，本專利技術至少具有以下有益效果：(1)本專利技術的耐磨防護涂層中VCN涂層主要是由VC及VN相組成，表現出一種典型的非晶鑲嵌納米晶結構；較之于基體材料，VCN涂層在大氣和海水環境均表現出較低的摩擦系數及磨損率。在大氣環境下，VCN涂層的摩擦系數及磨損率為0.26及3.416*10-15m3/N·m；在海水環境下，VCN涂層的摩擦系數及磨損率為0.21及7.532*10-16m3/N·m。(2)本專利技術的耐磨防護涂層包括硬質V過渡層，能夠改善不銹鋼質機械運動基礎件與VCN涂層兩者成分迥異材料間的結合性能，同時釋放VCN涂層中的部分應力，從而有效的提高VCN涂層與不銹鋼質機械運動基礎件的綜合性能及使用壽命，能夠滿足海洋開發戰略對新型耐磨防護涂層的迫切需求，具有很好的應用價值。附圖說明圖1是本專利技術一實施方式中耐磨防護涂層的制備工藝流程圖；圖2是本專利技術另一實施方式中耐磨防護涂層的制備工藝流程圖；圖3是本專利技術實施例1中VCN涂層的XRD圖；圖4a-圖4b是本專利技術實施例1中VCN涂層的TEM圖；圖5是本專利技術實施例1中VCN涂層的硬度曲線圖；圖6a、圖6b分別是本專利技術實施例1中基體及VCN涂層的摩擦系數及磨損率圖(大氣環境)；圖7a、圖7b分別是本專利技術實施例1中基體及VCN涂層的摩擦系數及磨損率圖(海水環境)。具體實施方式鑒于現有技術中的不足，本案專利技術人經長期研究和大量實踐，得以提出本專利技術的技術方案，其主要通過采用物理氣相沉積技術中的多弧離子鍍技術，在不銹鋼質機械運動基礎件(如齒輪、軸承、機械關節、密封環等)表面均勻沉積耐磨防護涂層。如下將對該技術方案、其實施過程及原理等作進一步的解釋說明。本專利技術的一個方面提供了一種耐磨防護涂層，所述涂層形成于不銹鋼質機械運動基礎件等基底表面，所述涂層包括位于所述基底表面的硬質V過渡層、以及位于所述硬質V過渡層上的VCN涂層。其中V為釩，C為碳，N為氮。在一些實施方式之中，所述硬質V過渡層的厚度為200～600nm。在一些實施方式之中本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種耐磨防護涂層，其特征在于所述耐磨防護涂層包括：基底、覆蓋于基底表面的硬質V過渡層、以及覆蓋于所述硬質V過渡層上的VCN涂層；所述基底包括不銹鋼質機械運動基礎件。

【技術特征摘要】
1.一種耐磨防護涂層，其特征在于所述耐磨防護涂層包括：基底、覆蓋于基底表面的硬質V過渡層、以及覆蓋于所述硬質V過渡層上的VCN涂層；所述基底包括不銹鋼質機械運動基礎件。2.根據權利要求1所述的耐磨防護涂層，其特征在于：所述硬質V過渡層的厚度為200～600nm；和/或，所述VCN涂層的厚度為2μm～8μm；和/或，所述涂層具有非晶包裹納米晶的納米復合結構，所述納米晶為VC及VN相結構，所述非晶為無定形碳；和/或，所述納米晶的晶粒尺寸為5～30nm；和/或，所述涂層的硬度為30～40GPa。3.根據權利要求1所述的耐磨防護涂層，其特征在于：所述不銹鋼質機械運動基礎件包括齒輪、軸承、機械關節、密封環中的任意一種。4.一種耐磨防護涂層的制備方法，其特征在于包括：采用電弧離子鍍技術，在基底表面沉積硬質V過渡層；以及，采用電弧離子鍍技術，在所述硬質V過渡層上繼續沉積VCN涂層；其中，所述基底包括不銹鋼質機械運動基礎件。5.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于包括：采用電弧離子鍍系統在不銹鋼質機械運動基礎件表面預先沉積所述硬質V過渡層；其中所用靶材為金屬V靶，反應室基底真空度為(3～6)×10-3Pa，工作氣氛為Ar，流量為350～450sccm，工作真空度為0.2～0.5Pa；沉積偏壓為-30～-50V之間可調，V靶弧電流為45～65A，沉積溫度保持為300～400℃，沉積時間為10～15分鐘。6.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于包括：在沉積所述硬質V過渡層的過程中，所述電弧離子鍍系統中設置有兩組V靶，每組包括上、中、下垂直安置...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王永欣，葉育偉，慕永濤，姚懿容，王立平，
申請(專利權)人：中國科學院寧波材料技術與工程研究所，
類型：發明
國別省市：浙江,33