水环境耐磨涂层、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种水润滑环境耐磨涂层、其制备方法及应用。所述制备方法包括：采用非平衡磁控溅射系统，在经预处理后的基体表面沉积复合梯度过渡层，其包括在基体表面依次形成的Cr过渡层、Cr/WC过渡层和WC/C过渡层；采用非平衡磁控溅射系统，通过同时溅射石墨靶并离化乙炔气体而在所述复合梯度过渡层共沉积形成氢化非晶碳基薄膜层。本发明专利技术采用复合梯度过渡层与表面氢化非晶碳基固体润滑薄膜有机结合的设计，大幅提升了表面非晶碳基薄膜的硬度、耐磨损性能，有效克服了非晶碳基薄膜的水分子敏感性，使之在水环境表现出优异摩擦磨损性能，可显著降低工作于水基流体介质中机械运动基础件的摩擦系数和磨损速度，广泛适用于各类水力流体机械系统。

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.

【技术实现步骤摘要】
水环境耐磨涂层、其制备方法及应用
本专利技术具体涉及一种基于高硬度、低摩擦磨损氢化非晶碳基固体润滑薄膜的水润滑环境耐磨涂层、其制备方法及应用，属于机械零部件表面强化处理

技术介绍
由于环保和节能的需求，水润滑代替油润滑技术的研究和开发备受关注。水润滑具有无污染、来源广泛、节省能源、安全性、难燃性等特点，在水泵、舰艇、液压系统、核电冷却等领域已被广泛应用。然而，由于水粘度较低，润滑不足容易造成摩擦副表面材料的严重磨损，进而影响零部件有效运行。水润滑摩擦副的摩擦磨损问题成为整个水利系统长寿命稳定的关键问题。非晶碳基薄膜由于优异的减摩耐磨作用，在众多摩擦学应用
均显示出巨大潜力。特别是在水润滑领域，摩擦副表面构筑的非晶碳膜保证了摩擦副在启停或瞬时过载等润滑不足情况下的低摩擦运转，而且其良好的耐磨特性又可对摩擦副表面起到有效的防护作用，为解决在润滑条件较差的水介质中机械摩擦副部件的摩擦磨损问题提供了有效途径。据研究表明，非晶碳膜材料还可减少水润滑摩擦副的跑合期，提高水润滑部件的整体工作性能。因此，在不锈钢质机械运动零部件(如齿轮、叶片、阀门、柱塞、轴承、密封环等)表面沉积非晶碳基固体润滑薄膜对基底材料具有明显的保护作用。但是，由于制备方法和微观结构的不同，大多数非晶碳基薄膜的摩擦性能对水环境比较敏感，尤其含氢的非晶碳基薄膜具有强烈的湿度敏感性，在水环境表现出明显升高的摩擦系数与磨损率，部分含氢碳膜甚至在水环境迅速磨穿失效。相较而言，虽然无氢碳膜可以在水环境保持较低的摩擦系数及磨损率，但其硬度、弹性模量通常较低，不能满足高强度、高载荷的应用场合。因此，制备应用于水环境的高硬度、摩擦性能优异的非晶碳基固体润滑薄膜材料是迫切需要解决的问题，也是满足不锈钢质机械运动基础件在水环境长期稳定服役的有效保障。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种水润滑环境耐磨涂层、其制备方法及应用，以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术的实施例提供了一种水润滑环境耐磨涂层，其包括依次形成于基体表面的复合梯度过渡层和氢化非晶碳基薄膜层，所述复合梯度过渡层包括在基体表面依次形成的Cr过渡层、Cr/WC过渡层和WC/C过渡层。在一些较佳实施方案中，沿逐渐远离所述基体的方向，所述Cr/WC过渡层中的Cr含量呈降低趋势，WC含量呈升高趋势，而所述WC/C过渡层中的WC含量呈降低趋势，C含量呈升高趋势。在一些较佳实施方案中，所述氢化非晶碳基薄膜层是通过溅射石墨靶且同时离化乙炔气体而在所述复合梯度过渡层上沉积形成。进一步的，所述基体包括不锈钢基体。本专利技术的实施例提供了一种制备所述水润滑环境耐磨涂层的方法，其包括：采用非平衡磁控溅射系统，在经预处理后的基体表面沉积复合梯度过渡层，所述复合梯度过渡层包括在基体表面依次形成的Cr过渡层、Cr/WC过渡层和WC/C过渡层，沿逐渐远离所述基体的方向，所述Cr/WC过渡层中的Cr含量呈降低趋势，WC含量呈升高趋势，而所述WC/C过渡层中的WC含量呈降低趋势，C含量呈升高趋势；采用非平衡磁控溅射系统，通过同时溅射石墨靶并离化乙炔气体而在所述复合梯度过渡层共沉积形成氢化非晶碳基薄膜层。与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括：(1)本专利技术工艺通过应用非平衡磁控溅射方法，可以在不锈钢运动基础件等基体表面沉积性能优异的涂层(亦可认为是镀层)，在沉积过程(亦可认为是镀膜过程)中离子轰击倾向于从膜层上剥离结合较松散的和凸出部位的粒子，切断膜层结晶态、凝聚态的优势生长，从而得到致密均匀，膜基结合力高的镀层，保证非晶碳基固体润滑薄膜在水环境具有良好的使用性能。(2)本专利技术工艺通过引入乙炔气体氢化非晶碳基固体润滑薄膜，能明显提高表层非晶碳膜的硬度。同时采用金属/金属化合物多梯度层构筑方法，有效提高了基底与镀层之间的膜基结合力，增强了顶层薄膜的韧性和承载能力，缓解了非晶碳基固体润滑薄膜的水分子敏感性，在摩擦过程中起到缓冲应力，阻止界面裂纹萌生的作用，使非晶碳基固体润滑薄膜的摩擦系数和磨损率显著降低，综合磨损性能大幅度提高。(3)本专利技术的水润滑环境耐磨涂层实现了不锈钢质机械运动基础件等基体表面镀层结构与功能协调统一，有效提高涂层与基体的综合性能及服役寿命，能够满足水润滑环境耐磨涂层的迫切需求。附图说明图1是本专利技术实施例1中镀层的截面示意图；图2是本专利技术实施例1中镀层的纳米硬度图；图3是本专利技术实施例1中镀层在去离子水环境和海水环境的摩擦系数图；图4是本专利技术实施例2中镀层的截面示意图；图5是本专利技术实施例2中镀层的纳米硬度图；图6是本专利技术实施例2中镀层在去离子水环境、海水环境的摩擦系数图。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本专利技术的一个方面的一些实施例中提供了一种水润滑环境耐磨涂层，其包括依次形成于基体表面的复合梯度过渡层和氢化非晶碳基薄膜层，所述复合梯度过渡层包括在基体表面依次形成的Cr过渡层、Cr/WC过渡层和WC/C过渡层。进一步的，所述涂层的厚度为2～2.5μm。进一步的，所述复合梯度过渡层的厚度为1～1.4μm。进一步的，所述Cr过渡层的厚度为0.4～0.6μm。进一步的，所述Cr/WC过渡层的厚度为0.1～0.2μm。进一步的，所述WC/C过渡层的厚度为0.4～0.6μm。进一步的，沿逐渐远离所述基体的方向，所述Cr/WC过渡层中的Cr含量呈降低趋势，WC含量呈升高趋势，而所述WC/C过渡层中的WC含量呈降低趋势，C含量呈升高趋势。进一步的，所述氢化非晶碳基薄膜层是通过溅射石墨靶且同时离化乙炔气体而在所述复合梯度过渡层上沉积形成。进一步的，所述氢化非晶碳基薄膜层内sp3键与sp2键含量比介于1.1～1.3，硬度介于25～35GPa，在水环境与不同摩擦副对磨摩擦系数均小于0.12，磨损率低至10-16m3/N.m。进一步的，所述基体可优选为但不限于不锈钢基体。在一些较为具体的实施方案中，一种水润滑环境耐磨涂层是以不锈钢质机械运动零部件(如齿轮、叶片、阀门、柱塞、轴承、密封环等)为基体，采用非平衡磁控溅射技术，首先在不锈钢质零部件表面沉积Cr过渡层、Cr/WC过渡层和WC/C过渡层，之后通过溅射石墨靶并同时离化乙炔气体，在复合梯度过渡层表面共沉积形成高硬度、耐磨损的氢化非晶碳基薄膜层(亦称为水环境用氢化非晶碳基固体润滑薄膜)。本专利技术的另一个方面的一些实施例中还提供了一种水润滑环境耐磨涂层的制备方法，其主要是基于物理气相沉积技术中的非平衡磁控溅射方法实现的。在一些实施方案之中，所述制备方法可以包括预处理，复合梯度过渡层沉积以及氢化非晶碳基薄膜层沉积等步骤。较为优选的，所述预处理可以包括依次进行的镀前清洗处理、等离子体刻蚀处理等过程。在一些较为典型的实施方案中，所述制备方法包括：采用非平衡磁控溅射系统，在经预处理后的基体表面沉积复合梯度过渡层，所述复合梯度过渡层包括在基体表面依次形成的Cr过渡层、Cr/WC过渡层和WC/C过渡层，沿逐渐远离所述基体的方向，所述Cr/WC过渡层中的Cr含量呈降低趋势，WC含量呈升高趋势，而所述WC/C过渡层中的WC含量呈降低趋势，C含本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水润滑环境耐磨涂层，其特征在于包括依次形成于基体表面的复合梯度过渡层和氢化非晶碳基薄膜层，所述复合梯度过渡层包括在基体表面依次形成的Cr过渡层、Cr/WC过渡层和WC/C过渡层。

【技术特征摘要】
1.一种水润滑环境耐磨涂层，其特征在于包括依次形成于基体表面的复合梯度过渡层和氢化非晶碳基薄膜层，所述复合梯度过渡层包括在基体表面依次形成的Cr过渡层、Cr/WC过渡层和WC/C过渡层。2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述涂层的厚度为2～2.5μm；和/或，所述复合梯度过渡层的厚度为1～1.4μm；和/或，所述Cr过渡层的厚度为0.4～0.6μm；和/或，所述Cr/WC过渡层的厚度为0.1～0.2μm；和/或，所述WC/C过渡层的厚度为0.4～0.6μm；和/或，沿逐渐远离所述基体的方向，所述Cr/WC过渡层中的Cr含量呈降低趋势，WC含量呈升高趋势，而所述WC/C过渡层中的WC含量呈降低趋势，C含量呈升高趋势；和/或，所述氢化非晶碳基薄膜层是通过溅射石墨靶且同时离化乙炔气体而在所述复合梯度过渡层上沉积形成；和/或，所述氢化非晶碳基薄膜层内sp3键与sp2键含量比介于1.1～1.3，硬度为25～35GPa，在水环境与摩擦副对的磨摩擦系数小于0.12，磨损率低至10-16m3/N.m；和/或，所述基体包括不锈钢基体。3.一种水润滑环境耐磨涂层的制备方法，其特征在于包括：采用非平衡磁控溅射系统，在经预处理后的基体表面沉积复合梯度过渡层，所述复合梯度过渡层包括在基体表面依次形成的Cr过渡层、Cr/WC过渡层和WC/C过渡层，沿逐渐远离所述基体的方向，所述Cr/WC过渡层中的Cr含量呈降低趋势，WC含量呈升高趋势，而所述WC/C过渡层中的WC含量呈降低趋势，C含量呈升高趋势；采用非平衡磁控溅射系统，通过同时溅射石墨靶并离化乙炔气体而在所述复合梯度过渡层共沉积形成氢化非晶碳基薄膜层。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述复合梯度过渡层的沉积过程包括：第一周期，以Cr靶在所述基体表面溅射形成Cr过渡层；第二周期，逐渐将Cr靶功率减小至0kw，同时开启WC靶，从而在所述Cr过渡层上沉积形成Cr/WC过渡层；第三周期，逐步将WC靶功率减小至0kw，同时开启石墨靶，从而在所述Cr/WC过渡层...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永欣，马新莉，关晓艳，周扬，王立平，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33