碳基减摩耐磨涂层及工件制造技术

本实用新型专利技术提供了一种碳基减摩耐磨涂层及工件。该碳基减摩耐磨涂层为由粘结层与工作层交替沉积而成的多层膜结构；所述粘结层为Ti、Cr、W元素中的一种的单质或氮化物或碳化物的薄膜，或者为Si元素的薄膜；所述工作层为类石墨非晶碳薄膜，所述类石墨非晶碳薄膜中石墨结构的原子百分含量大于70%。该碳基减摩耐磨涂层，通过粘结层和工作层的交替沉积，实现了类石墨非晶碳涂层的大厚度制备，使类石墨非晶碳涂层优异的水环境摩擦学性能得以长寿命稳定发挥；且交替沉积的多界面设计，进一步提高了类石墨非晶碳涂层在各种水基流体环境中的耐腐蚀/侵蚀能力。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术提供了一种碳基减摩耐磨涂层及工件。该碳基减摩耐磨涂层为由粘结层与工作层交替沉积而成的多层膜结构；所述粘结层为Ti、Cr、W元素中的一种的单质或氮化物或碳化物的薄膜，或者为Si元素的薄膜；所述工作层为类石墨非晶碳薄膜，所述类石墨非晶碳薄膜中石墨结构的原子百分含量大于70%。该碳基减摩耐磨涂层，通过粘结层和工作层的交替沉积，实现了类石墨非晶碳涂层的大厚度制备，使类石墨非晶碳涂层优异的水环境摩擦学性能得以长寿命稳定发挥；且交替沉积的多界面设计，进一步提高了类石墨非晶碳涂层在各种水基流体环境中的耐腐蚀/侵蚀能力。【专利说明】碳基减摩耐磨涂层及工件
本技术涉及表面工程
，特别是涉及一种碳基减摩耐磨涂层及工件。
技术介绍
对于硬密封阀门、水润滑轴承以及水环境齿轮类传动件等摩擦副零部件，水介质 的低润滑特性使其在频繁开启/关闭（或启动/停止）及瞬时过载时往往处于半干摩擦状 态，摩擦接触面间的摩擦系数将急剧升高，伴随而来的磨损损伤也将急剧增大。当水基流体 中存在酸、碱、盐时，其化学或电化学腐蚀特性又将进一步加剧此类摩擦副工作面的摩擦和 磨损。因此，摩擦磨损是制约硬密封阀门、水润滑轴承以及水环境齿轮类传动件等摩擦副 零部件工作稳定性和服役寿命的关键问题，同时也是制约整个水力机械系统高效运转的瓶 颈。涂层防护技术可在不改变基体物理化学性能和加工成型性能的同时赋予零部件的工作 面更加优异的服役性能，是解决此类水环境用摩擦副零部件摩擦磨损问题最为方便快捷且 富有成效的技术途径。 类石墨非晶碳具有优异的环境自适应摩擦学特性，在润滑缺失的干摩擦、润滑不 足的半干摩擦及润滑充分的边界润滑或流体润滑条件下均能表现出稳定的低摩擦和低磨 损特性，特别是其低摩擦、低磨损及对水分子不敏感的特性，使其适用于各种有水气氛或环 境。 然而，传统类石墨非晶碳涂层的制备厚度多小于5 μ m，致使其优异的减摩耐磨特 性难以长寿命发挥，且承载能力有限。同时，传统类石墨非晶碳涂层的界面结构单一，其单 层（基底直接沉积类石墨非晶碳层）或双层（过渡层+类石墨非晶碳层）结构难以打断连 续生长缺陷，为水分子或腐蚀性分子的侵蚀/腐蚀提供了潜在的通道，故而也就难以在水 环境中表现出足够的耐侵蚀/腐蚀特性，导致使用寿命较短。
技术实现思路
本技术提供了一种碳基减摩耐磨涂层，该碳基减摩耐磨涂层可在水基流体中 保持较低的摩擦和磨损，可使沉积有该碳基减摩耐磨涂层的水环境用摩擦副零部件实现长 寿命稳定运转。 为达到技术目的，本技术采用的技术方案如下： -种碳基减摩耐磨涂层，为由粘结层与工作层交替沉积而成的多层膜结构； 所述粘结层为Ti、Cr、W元素中的一种的单质或氮化物或碳化物的薄膜，或者为Si 元素的薄膜； 所述工作层为类石墨非晶碳薄膜，所述类石墨非晶碳薄膜中石墨结构的原子百分 含量大于70%。 在其中一个实施例中,所述的碳基减摩耐磨涂层的厚度为ΙΟμπι?50μηι,硬度为 lOGPa?20GPa，划痕结合力大于50Ν，水环境中的摩擦系数小于0. 1，水环境中的磨损率小 于K^mfnT1数量级。 在其中一个实施例中，每一层所述粘结层的厚度为lOOnm?400nm，每一层所述工 作层的厚度为l〇〇〇nm?2000nm，且所述粘结层与相邻的所述工作层的厚度比为1 : 5? 1 : 10。 在其中一个实施例中，所述粘结层与所述工作层交替沉积的循环次数为10?30 次。 一种工件，包括基体，所述基体表面沉积有所述的碳基减摩耐磨涂层。 本技术的碳基减摩耐磨涂层，通过粘结层和工作层的交替沉积，实现了类石 墨非晶碳涂层的大厚度制备，使类石墨非晶碳涂层优异的水环境摩擦学性能得以长寿命稳 定发挥；且交替沉积的多界面设计，进一步提高了类石墨非晶碳涂层在各种水基流体环境 中的耐腐蚀/侵蚀能力。 【专利附图】【附图说明】 图1为沉积有本技术碳基减摩耐磨涂层的工件一实施例的结构示意图。 【具体实施方式】 下面将结合实施例来详细说明本技术。需要说明的是，在不冲突的情况下，本 申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 参见图1，本技术提供了一种碳基减摩耐磨涂层，该碳基减摩耐磨涂层为由粘 结层200与工作层300交替沉积而成的多层膜结构；粘结层200为Ti、Cr、W元素中的一 种的单质或氮化物或碳化物的薄膜，或者为Si元素的薄膜；工作层300为类石墨非晶碳薄 膜，类石墨非晶碳薄膜中石墨结构的原子百分含量大于70%。其中，类石墨非晶碳薄膜又称 GLC(Graphite-like carbon)薄膜，其主要成分为石墨结构（即sp2键）。粘结层200与工 作层300交替沉积的循环次数没有严格的限制，视具体情况而定，优选地，粘结层200与工 作层300交替沉积的循环次数为10?30次。 需要说明的是，在本专利技术的碳基减摩耐磨涂层中，不同粘结层200的材质可以可 以相同，也可以不同。 作为一种可实施方式，碳基减摩耐磨涂层的厚度为10 μπι?50 μ m,硬度为 lOGPa?20GPa，划痕结合力大于50N，水环境中的摩擦系数小于0. 1，水环境中的磨损率小 于IO^iiW1数量级。需要说明的是，此处测量摩擦系数和磨损率的水环境均为蒸馏水环 境。 要制备出性能优异的碳基减摩耐磨涂层，每一层粘结层200和每一层工作层300 的厚度都有严格的规定，才能使涂层的粘结性、减摩耐磨特性及耐腐蚀特性得到最大的发 挥，结合所使用的粘结层200与工作层300的物理、化学性能和大量实验得出：每一层粘结 层200的厚度为100nm?400nm，每一层工作层300的厚度为lOOOnrn?2000nm，且所述粘 结层200与相邻的所述工作层300的厚度比为1 : 5?1 : 10。 本技术还提供了一种工件，包括基体100,基体100的表面沉积有上述的碳基 减摩耐磨涂层。一般地，本技术中的基体100为水环境用摩擦副零部件，如硬密封阀 门、水润滑轴承以及水环境齿轮类传动件等。利用本技术的碳基减摩耐磨涂层，可显著 提高硬密封阀门、水润滑轴承以及水环境齿轮类传动件等水环境用摩擦副零部件的稳定性 和使用寿命，在核电装备、流体传输装备、石油化工装备以及海洋工程装备等水环境机械 系统中具有良好的应用前景。 本使用新型的碳基减摩耐磨涂层，可采用如下方法制备：将基体100进行前处理； 对前处理完毕的基体100表面进行等离子体清洗；在经过等离子清洗后的基体100表面沉 积上述碳基减摩耐磨涂层。 在上述制备方法中，前处理和等离子体清洗的目的是让基体100暴露出新鲜的表 面，使后续的沉积能够顺利进行，同时也能增加基体100与涂层间的粘结性，提高产品的品 质，增强使用寿命。 作为一种可实施方式，基体100的前处理包括以下步骤：首先选用普通洗涤剂对 基体100进行初步处理，以除去基体100表面的油污及在加工、运输或长时间放置过程中 所吸附的杂物；然后对经过初步处理的基体100表面进行喷砂处理，以除去其表面的锈迹、 氧化层和机加工毛刺，在该处理步骤中，喷砂压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳基减摩耐磨涂层，其特征在于，为由粘结层与工作层交替沉积而成的多层膜结构； 所述粘结层为Ti、Cr、W元素中的一种的单质或氮化物或碳化物的薄膜，或者为Si元素的薄膜； 所述工作层为类石墨非晶碳薄膜，所述类石墨非晶碳薄膜中石墨结构的原子百分含量大于70％； 所述粘结层与所述工作层交替沉积的循环次数任意。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王永欣，王立平，李金龙，薛群基，
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：新型
国别省市：浙江;33