一种基体表面的VC/a-C:H纳米复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种VC/a‑C:H纳米复合涂层，由硬质相纳米晶VC与润滑相非晶a‑C:H组成，并且以a‑C:H为基质，纳米晶VC弥散于该基质中，不仅保持了传统VC硬质涂层高硬度、低磨损的特点，同时具有a‑C:H材料优异的自润滑特性，对在高磨损、高摩擦环境下作业的基体能起到良好的防护作用，具有很好的应用价值。本发明专利技术还提供采用采用多弧离子镀技术，以金属V为靶材，C2H2为反应气体，通过控制V靶电流和/或碳源C2H2的气体流量可调控涂层中V元素与C元素含量，进而调控涂层中VC相与a‑C:H相的含量。

A VC/a C:H nano composite coating substrate and preparation method thereof

The invention provides a VC/a C:H nano composite coatings by hard phase nanocrystalline VC and amorphous a lubricating phase composition of C:H, and with a C:H as matrix, VC nanocrystals dispersed in the matrix, not only keeps the characteristics of traditional VC hard coatings with high hardness, low wear, and has self lubrication a C:H material with excellent characteristics, the matrix operation in high wear, high friction environment can play a good protective effect, it has good application value. The invention also adopts the multi arc ion plating technology and takes the metal V as the target material and C

【技术实现步骤摘要】
一种基体表面的VC/a-C:H纳米复合涂层及其制备方法
本专利技术涉及表面
，尤其涉及一种基体表面的VC/a-C:H纳米复合涂层及其制备方法。
技术介绍
碳化钒(VC)是过渡金属碳化物中最重要的功能材料之一，具有一系列优异的性能，如高强度、高硬度、耐高温、耐酸碱、耐磨损、比重小、稳定性好以及良好的导电、导热性。VC硬度高、耐磨性好，常作为表面强化层材料被广泛应用于工模具领域。作为刀具涂层，VC还具有低摩擦系数，低导热率和高耐蚀性等优异性能，并且使用过程中因其表面形成的V2O5具有自润滑作用，可以显著降低刀具的切削阻力。在基材表面制备VC涂层的常用方法有TD处理(热扩散法碳化物覆层处理)、电子束蒸发、磁控溅射等。TD处理的原理是将工件基体置于熔融硼砂混合物中，通过高温扩散作用在工件基体表面形成金属碳化物覆层。在TD处理中，应用最为广泛的是熔盐浸镀法在模具表面形成VC超硬覆层，以提高其耐磨、抗咬合(抗粘结)、耐蚀等性能，从而大幅度提高模具的使用寿命。但是TD处理存在其固有的缺点：①处理温度高，对基材的耐热性要求很高；②高温使基材尺寸变化和形变严重，故不适用于精密度高的工件；③难以实现工件局部镀膜；④覆层的厚度较厚，影响工件精度；⑤覆层后表面状况较差，一般须作后处理(如抛光等)才可使用。与TD法相比，PVD(物理气相沉积技术)可以实现低温沉积；通过装夹具的设计可以实现局部镀膜；膜厚通常在3-5μm，不影响工件精度；且沉积的涂层表面粗糙度较小，无需后处理。因此采用PVD法制备的VC涂层更适用于精密机械零部件的表面防护。但是，目前关于PVD法制备VC涂层的研究较少，且不够系统，对VC涂层的制备、结构和性能的研究尚不充分，尤其是VC涂层的成分、结构对其力学、摩擦学性能的影响，以及PVD方法制备VC涂层的应用研究非常缺乏。
技术实现思路
针对上述技术现状，本专利技术提供了一种基体表面的VC/a-C:H纳米复合涂层，该复合涂层由硬质相纳米晶VC与润滑相非晶碳(简称a-C:H)组成，并且以a-C:H为基质，纳米晶VC弥散于该非晶碳基质中，形成VC/a-C:H复合涂层，不仅保持了传统VC硬质涂层高硬度、低磨损的特点，同时具有a-C:H材料优异的自润滑特性，其硬度可达25GPa以上，在大气环境中的平均摩擦系数可达0.25以下。作为优选，基体表面与所述的VC/a-C:H复合涂层之间存在软质V过渡层，以改善基体与成分迥异的VC/a-C:H复合涂层间的结合性能，同时释放VC/a-C:H复合涂层中的部分应力。作为优选，所述的V过渡层的厚度为0.1um～0.5um。作为优选，所述的VC/a-C:H复合涂层中V与C的元素含量之比为1:1～1:5，进一步优选为1:1.2～1:4。本专利技术还提供了一种制备上述基体表面的VC/a-C:H纳米复合涂层的方法，该方法采用多弧离子镀技术，以金属V为靶材，以高纯Ar为工作气体，C2H2为反应气体，对表面清洗处理后的基体施加负偏压，对V靶施加靶电流，在基体表面沉积该VC/a-C:H复合涂层。作为优选，沉积VC/a-C:H复合涂层之前腔体抽真空至3×10-3Pa～5×10-3Pa。作为优选，所述的Ar流量为300～400sccm，气压保持为0.7～1.5Pa。作为优选，所述的C2H2流量为50～200sccm，C2H2分压保持为0.1～0.4Pa。作为优选，所述的V靶电流为40～80A。作为优选，所述的基体负偏压为-50～-300V。所述的V靶数目不限，作为优选，2≤V靶数目≤8，并且以基体为中心，V靶优选为对称分布。作为优选，所述的V靶纯度为99.5％以上。作为优选，所述的C2H2及氩气纯度选用99.9％以上。作为优选，待VC/a-C:H复合涂层沉积完毕后，在真空环境下冷却至250℃以下，然后在氮气保护气氛下冷却至100℃以下，最后放气开腔出炉，即在基体表面获得耐磨减摩的VC/a-C:H复合涂层。所述的基体不限，包括304不锈钢基体、钛合金基体等。所述的基体表面的清洗处理包括超声清洗、多弧离子镀反溅射清洗等中的一种或几种。其中，多弧离子镀反溅射清洗是指将基体放入多弧离子镀设备腔体，腔体通入高纯Ar，以金属V为靶材，对V靶施加直流电流，在基体负偏压下轰击基体进行的偏压反溅射清洗，在该过程中，优选措施如下：作为优选，所述的腔体温度为300～400℃；作为优选，清洗之前腔体本底真空抽至3×10-3Pa～5×10-3Pa；作为优选，所述的Ar流量为100～300sccm；作为优选，所述的靶电流为50～70A；作为优选，所述的基体负偏压为-800～-1300V。作为优选，在沉积VC/a-C:H复合固体润滑涂层之前，首先在基体表面利用多弧离子镀技术沉积软质V过渡层，以改善基体与成分迥异的VC/a-C:H复合涂层间的结合性能，同时释放VC/a-C:H复合涂层中的部分应力。即，将基体放入多弧离子镀设备腔体，腔体通入高纯Ar，以金属V为靶材，对V靶施加电流，基体施加负偏压，在基体表面沉积V过渡层，在该过程中，优选措施如下：作为优选，所述的腔体温度为300～400℃；作为优选，沉积之前腔体本底真空抽至3×10-3Pa～5×10-3Pa；作为优选，所述的Ar流量为300～400sccm，工作气压为0.7～0.8Pa；作为优选，所述的V靶弧电流为50～70A；作为优选，所述的基体负偏压为-20V～-50V；作为优选，所述的沉积时间为10～30分钟。上述制备方法中，当其他条件不变时可以通过控制V靶电流和/或反应气体C2H2流量(分压)来调控复合涂层中VC相与a-C:H相的含量。本专利技术提供的利用多弧离子镀技术在基体表面沉积该VC/a-C:H复合涂层的方法具有如下有益效果：(1)在沉积过程中，过量碳源引入会使VC涂层呈富碳成分，富碳成分在涂层中以a-C:H相形式存在，使涂层呈VC/a-C:H两相复合结构。通常多弧离子镀制备的碳化物硬质涂层会沿择优方向生长而在垂直涂层方向呈柱状晶结构，粗大的柱状结构会降低涂层致密性。而非晶碳相能够有效填充VC晶界，阻碍VC择优生长，破坏柱状结构，从而形成致密的涂层结构，有利于提高涂层硬度与耐磨性。另一方面，a-C:H相具有优异的自润滑特性，其sp2C-C片层状结构具有较低的剪切应力，在摩擦过程中容易在对偶表面形成a-C:H转移膜，从而能够有效降低复合涂层的摩擦系数。(2)沉积过程中，能够通过控制V靶电流和/或碳源C2H2的气体流量来调控涂层中V元素与C元素含量，进而调控涂层中VC相与a-C:H相的含量。(3)另外，该复合涂层中的VC相在摩擦过程中，能与空气中的氧发生反应，在涂层表面生成一层极薄的具有自润滑效应的V2O5薄膜，有一定的减摩作用。(4)制备方法简单易行，制得的涂层兼具高硬度与良好的自润滑性，其硬度可高达25GPa以上，磨损率达10-16m3/N·m量级，在大气环境中的平均摩擦系数可低至0.25以下，对在高磨损、高摩擦环境下作业的基体，如阀门、轴承、齿轮等，能起到良好的防护作用，具有很好的应用价值。附图说明图1是本专利技术实施例1、2、3中以GCr15轴承钢为基体的VC/a-C:H复合涂层的XRD测试谱图；图2是本专利技术实施例1中以GCr15轴承钢为基体的VC/a-C:H复合涂层的截面SE本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基体表面的VC/a‑C:H纳米复合涂层，其特征是：由硬质相纳米晶VC与润滑相非晶a‑C:H组成，并且以a‑C:H为基质，纳米晶VC弥散于该基质中。

【技术特征摘要】
2016.10.25 CN 20161093921251.一种基体表面的VC/a-C:H纳米复合涂层，其特征是：由硬质相纳米晶VC与润滑相非晶a-C:H组成，并且以a-C:H为基质，纳米晶VC弥散于该基质中。2.如权利要求1所述的基体表面的VC/a-C:H纳米复合涂层，其特征是：基体表面与所述的VC/a-C:H复合涂层之间存在软质V过渡层。3.如权利要求1所述的基体表面的VC/a-C:H纳米复合涂层，其特征是：所述的VC/a-C:H复合涂层的厚度为2um～5um；作为优选，所述的V过渡层的厚度为0.1um～0.5um。4.如权利要求1所述的基体表面的VC/a-C:H纳米复合涂层，其特征是：作为优选，所述的VC/a-C:H复合涂层中，V与C的元素含量之比为1:1～1:5，进一步优选为1:1.2～1:4。5.如权利要求1所述的基体表面的VC/a-C:H纳米复合涂层，其特征是：硬度在25GPa以上，磨损率达10-16m3/N·m量级；作为优选，在大气环境中的平均摩擦系数在0.25以下。6.如权利要求1至5中任一权...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜欣，王永欣，鲁侠，李金龙，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