水環境耐磨涂層、其制備方法及應用技術

本發明專利技術公開了一種水潤滑環境耐磨涂層、其制備方法及應用。所述制備方法包括：采用非平衡磁控濺射系統，在經預處理后的基體表面沉積復合梯度過渡層，其包括在基體表面依次形成的Cr過渡層、Cr/WC過渡層和WC/C過渡層；采用非平衡磁控濺射系統，通過同時濺射石墨靶并離化乙炔氣體而在所述復合梯度過渡層共沉積形成氫化非晶碳基薄膜層。本發明專利技術采用復合梯度過渡層與表面氫化非晶碳基固體潤滑薄膜有機結合的設計，大幅提升了表面非晶碳基薄膜的硬度、耐磨損性能，有效克服了非晶碳基薄膜的水分子敏感性，使之在水環境表現出優異摩擦磨損性能，可顯著降低工作于水基流體介質中機械運動基礎件的摩擦系數和磨損速度，廣泛適用于各類水力流體機械系統。

Abrasion resistant coating for water environment, preparation method and application thereof

The invention discloses a water lubrication environmental abrasion resistant coating, a preparation method and an application thereof. The preparation method comprises the following steps: using unbalanced magnetron sputtering system on the pretreated substrate surface composite gradient transition layer, which comprises sequentially formed on the substrate surface, Cr layer, Cr/WC layer and WC/C transition layer; using unbalanced magnetron sputtering system by simultaneously sputtering graphite target and ionization of acetylene the gas in the composite gradient transition layer was deposited hydrogenated amorphous carbon film layer. The invention adopts the composite gradient transition layer and surface non hydrogenated amorphous carbon based organic combination design of solid lubricant film, greatly improves the wear resistance and hardness of the surface of amorphous carbon film, effectively overcome the water sensitivity of amorphous carbon film, so that the water environment exhibits excellent tribological properties, can be to significantly reduce the friction coefficient of mechanical motion based water-based fluid medium and wear speed, widely applicable to all types of hydraulic fluid mechanical system.

【技術實現步驟摘要】
水環境耐磨涂層、其制備方法及應用
本專利技術具體涉及一種基于高硬度、低摩擦磨損氫化非晶碳基固體潤滑薄膜的水潤滑環境耐磨涂層、其制備方法及應用，屬于機械零部件表面強化處理

技術介紹
由于環保和節能的需求，水潤滑代替油潤滑技術的研究和開發備受關注。水潤滑具有無污染、來源廣泛、節省能源、安全性、難燃性等特點，在水泵、艦艇、液壓系統、核電冷卻等領域已被廣泛應用。然而，由于水粘度較低，潤滑不足容易造成摩擦副表面材料的嚴重磨損，進而影響零部件有效運行。水潤滑摩擦副的摩擦磨損問題成為整個水利系統長壽命穩定的關鍵問題。非晶碳基薄膜由于優異的減摩耐磨作用，在眾多摩擦學應用
均顯示出巨大潛力。特別是在水潤滑領域，摩擦副表面構筑的非晶碳膜保證了摩擦副在啟?；蛩矔r過載等潤滑不足情況下的低摩擦運轉，而且其良好的耐磨特性又可對摩擦副表面起到有效的防護作用，為解決在潤滑條件較差的水介質中機械摩擦副部件的摩擦磨損問題提供了有效途徑。據研究表明，非晶碳膜材料還可減少水潤滑摩擦副的跑合期，提高水潤滑部件的整體工作性能。因此，在不銹鋼質機械運動零部件(如齒輪、葉片、閥門、柱塞、軸承、密封環等)表面沉積非晶碳基固體潤滑薄膜對基底材料具有明顯的保護作用。但是，由于制備方法和微觀結構的不同，大多數非晶碳基薄膜的摩擦性能對水環境比較敏感，尤其含氫的非晶碳基薄膜具有強烈的濕度敏感性，在水環境表現出明顯升高的摩擦系數與磨損率，部分含氫碳膜甚至在水環境迅速磨穿失效。相較而言，雖然無氫碳膜可以在水環境保持較低的摩擦系數及磨損率，但其硬度、彈性模量通常較低，不能滿足高強度、高載荷的應用場合。因此，制備應用于水環境的高硬度、摩擦性能優異的非晶碳基固體潤滑薄膜材料是迫切需要解決的問題，也是滿足不銹鋼質機械運動基礎件在水環境長期穩定服役的有效保障。
技術實現思路
本專利技術的主要目的在于提供一種水潤滑環境耐磨涂層、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：本專利技術的實施例提供了一種水潤滑環境耐磨涂層，其包括依次形成于基體表面的復合梯度過渡層和氫化非晶碳基薄膜層，所述復合梯度過渡層包括在基體表面依次形成的Cr過渡層、Cr/WC過渡層和WC/C過渡層。在一些較佳實施方案中，沿逐漸遠離所述基體的方向，所述Cr/WC過渡層中的Cr含量呈降低趨勢，WC含量呈升高趨勢，而所述WC/C過渡層中的WC含量呈降低趨勢，C含量呈升高趨勢。在一些較佳實施方案中，所述氫化非晶碳基薄膜層是通過濺射石墨靶且同時離化乙炔氣體而在所述復合梯度過渡層上沉積形成。進一步的，所述基體包括不銹鋼基體。本專利技術的實施例提供了一種制備所述水潤滑環境耐磨涂層的方法，其包括：采用非平衡磁控濺射系統，在經預處理后的基體表面沉積復合梯度過渡層，所述復合梯度過渡層包括在基體表面依次形成的Cr過渡層、Cr/WC過渡層和WC/C過渡層，沿逐漸遠離所述基體的方向，所述Cr/WC過渡層中的Cr含量呈降低趨勢，WC含量呈升高趨勢，而所述WC/C過渡層中的WC含量呈降低趨勢，C含量呈升高趨勢；采用非平衡磁控濺射系統，通過同時濺射石墨靶并離化乙炔氣體而在所述復合梯度過渡層共沉積形成氫化非晶碳基薄膜層。與現有技術相比，本專利技術的有益效果包括：(1)本專利技術工藝通過應用非平衡磁控濺射方法，可以在不銹鋼運動基礎件等基體表面沉積性能優異的涂層(亦可認為是鍍層)，在沉積過程(亦可認為是鍍膜過程)中離子轟擊傾向于從膜層上剝離結合較松散的和凸出部位的粒子，切斷膜層結晶態、凝聚態的優勢生長，從而得到致密均勻，膜基結合力高的鍍層，保證非晶碳基固體潤滑薄膜在水環境具有良好的使用性能。(2)本專利技術工藝通過引入乙炔氣體氫化非晶碳基固體潤滑薄膜，能明顯提高表層非晶碳膜的硬度。同時采用金屬/金屬化合物多梯度層構筑方法，有效提高了基底與鍍層之間的膜基結合力，增強了頂層薄膜的韌性和承載能力，緩解了非晶碳基固體潤滑薄膜的水分子敏感性，在摩擦過程中起到緩沖應力，阻止界面裂紋萌生的作用，使非晶碳基固體潤滑薄膜的摩擦系數和磨損率顯著降低，綜合磨損性能大幅度提高。(3)本專利技術的水潤滑環境耐磨涂層實現了不銹鋼質機械運動基礎件等基體表面鍍層結構與功能協調統一，有效提高涂層與基體的綜合性能及服役壽命，能夠滿足水潤滑環境耐磨涂層的迫切需求。附圖說明圖1是本專利技術實施例1中鍍層的截面示意圖；圖2是本專利技術實施例1中鍍層的納米硬度圖；圖3是本專利技術實施例1中鍍層在去離子水環境和海水環境的摩擦系數圖；圖4是本專利技術實施例2中鍍層的截面示意圖；圖5是本專利技術實施例2中鍍層的納米硬度圖；圖6是本專利技術實施例2中鍍層在去離子水環境、海水環境的摩擦系數圖。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。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的一些實施例中提供了一種水潤滑環境耐磨涂層，其包括依次形成于基體表面的復合梯度過渡層和氫化非晶碳基薄膜層，所述復合梯度過渡層包括在基體表面依次形成的Cr過渡層、Cr/WC過渡層和WC/C過渡層。進一步的，所述涂層的厚度為2～2.5μm。進一步的，所述復合梯度過渡層的厚度為1～1.4μm。進一步的，所述Cr過渡層的厚度為0.4～0.6μm。進一步的，所述Cr/WC過渡層的厚度為0.1～0.2μm。進一步的，所述WC/C過渡層的厚度為0.4～0.6μm。進一步的，沿逐漸遠離所述基體的方向，所述Cr/WC過渡層中的Cr含量呈降低趨勢，WC含量呈升高趨勢，而所述WC/C過渡層中的WC含量呈降低趨勢，C含量呈升高趨勢。進一步的，所述氫化非晶碳基薄膜層是通過濺射石墨靶且同時離化乙炔氣體而在所述復合梯度過渡層上沉積形成。進一步的，所述氫化非晶碳基薄膜層內sp3鍵與sp2鍵含量比介于1.1～1.3，硬度介于25～35GPa，在水環境與不同摩擦副對磨摩擦系數均小于0.12，磨損率低至10-16m3/N.m。進一步的，所述基體可優選為但不限于不銹鋼基體。在一些較為具體的實施方案中，一種水潤滑環境耐磨涂層是以不銹鋼質機械運動零部件(如齒輪、葉片、閥門、柱塞、軸承、密封環等)為基體，采用非平衡磁控濺射技術，首先在不銹鋼質零部件表面沉積Cr過渡層、Cr/WC過渡層和WC/C過渡層，之后通過濺射石墨靶并同時離化乙炔氣體，在復合梯度過渡層表面共沉積形成高硬度、耐磨損的氫化非晶碳基薄膜層(亦稱為水環境用氫化非晶碳基固體潤滑薄膜)。本專利技術的另一個方面的一些實施例中還提供了一種水潤滑環境耐磨涂層的制備方法，其主要是基于物理氣相沉積技術中的非平衡磁控濺射方法實現的。在一些實施方案之中，所述制備方法可以包括預處理，復合梯度過渡層沉積以及氫化非晶碳基薄膜層沉積等步驟。較為優選的，所述預處理可以包括依次進行的鍍前清洗處理、等離子體刻蝕處理等過程。在一些較為典型的實施方案中，所述制備方法包括：采用非平衡磁控濺射系統，在經預處理后的基體表面沉積復合梯度過渡層，所述復合梯度過渡層包括在基體表面依次形成的Cr過渡層、Cr/WC過渡層和WC/C過渡層，沿逐漸遠離所述基體的方向，所述Cr/WC過渡層中的Cr含量呈降低趨勢，WC含量呈升高趨勢，而所述WC/C過渡層中的WC含量呈降低趨勢，C含本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種水潤滑環境耐磨涂層，其特征在于包括依次形成于基體表面的復合梯度過渡層和氫化非晶碳基薄膜層，所述復合梯度過渡層包括在基體表面依次形成的Cr過渡層、Cr/WC過渡層和WC/C過渡層。

【技術特征摘要】
1.一種水潤滑環境耐磨涂層，其特征在于包括依次形成于基體表面的復合梯度過渡層和氫化非晶碳基薄膜層，所述復合梯度過渡層包括在基體表面依次形成的Cr過渡層、Cr/WC過渡層和WC/C過渡層。2.根據權利要求1所述的涂層，其特征在于：所述涂層的厚度為2～2.5μm；和/或，所述復合梯度過渡層的厚度為1～1.4μm；和/或，所述Cr過渡層的厚度為0.4～0.6μm；和/或，所述Cr/WC過渡層的厚度為0.1～0.2μm；和/或，所述WC/C過渡層的厚度為0.4～0.6μm；和/或，沿逐漸遠離所述基體的方向，所述Cr/WC過渡層中的Cr含量呈降低趨勢，WC含量呈升高趨勢，而所述WC/C過渡層中的WC含量呈降低趨勢，C含量呈升高趨勢；和/或，所述氫化非晶碳基薄膜層是通過濺射石墨靶且同時離化乙炔氣體而在所述復合梯度過渡層上沉積形成；和/或，所述氫化非晶碳基薄膜層內sp3鍵與sp2鍵含量比介于1.1～1.3，硬度為25～35GPa，在水環境與摩擦副對的磨摩擦系數小于0.12，磨損率低至10-16m3/N.m；和/或，所述基體包括不銹鋼基體。3.一種水潤滑環境耐磨涂層的制備方法，其特征在于包括：采用非平衡磁控濺射系統，在經預處理后的基體表面沉積復合梯度過渡層，所述復合梯度過渡層包括在基體表面依次形成的Cr過渡層、Cr/WC過渡層和WC/C過渡層，沿逐漸遠離所述基體的方向，所述Cr/WC過渡層中的Cr含量呈降低趨勢，WC含量呈升高趨勢，而所述WC/C過渡層中的WC含量呈降低趨勢，C含量呈升高趨勢；采用非平衡磁控濺射系統，通過同時濺射石墨靶并離化乙炔氣體而在所述復合梯度過渡層共沉積形成氫化非晶碳基薄膜層。4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于所述復合梯度過渡層的沉積過程包括：第一周期，以Cr靶在所述基體表面濺射形成Cr過渡層；第二周期，逐漸將Cr靶功率減小至0kw，同時開啟WC靶，從而在所述Cr過渡層上沉積形成Cr/WC過渡層；第三周期，逐步將WC靶功率減小至0kw，同時開啟石墨靶，從而在所述Cr/WC過渡層...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王永欣，馬新莉，關曉艷，周揚，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