基体表面的高硬度、耐磨损，且在乳化液环境中耐腐蚀的碳基涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种基体表面的高硬度、耐磨损，且在乳化液环境中耐腐蚀的碳基涂层，自基体表面向上依次为Cr基层、Cr/WC梯度化过渡层、功能层、润滑层；功能层由第一功能层与第二功能层组成，均为碳化钨掺杂的类金刚石薄膜，并且第一功能层中的钨含量高于第二功能层中的钨含量；润滑层是由气相沉积法制备的类金刚石薄膜层。该碳基涂层在保证硬度及耐磨性的前提下，能够使膜基结合力提升1‑3倍，并且在乳化液环境中具有优异的耐腐蚀性，能够对基体起到有效防护作用，例如可用于乳化液马达，为乳化液马达零部件的延寿与增效提供了潜在可能。

Carbon base coating with high hardness and wear resistance on substrate surface and corrosion resistant in emulsion environment and preparation method thereof

High hardness and wear resistance of the invention discloses a substrate, carbon coating and corrosion resistance in the emulsion in the environment, from the surface to the matrix in sequence on Cr base Cr/WC gradient transition layer, function layer, function layer is composed of a lubricating layer; the first layer and the second layer function function, are class diamond thin film doped with tungsten carbide and tungsten content, the first functional layer is higher than the second tungsten content in the functional layer; the lubricating layer is prepared by vapor deposition of diamond-like carbon film layer. The carbon based coating under the premise of ensuring the hardness and wear resistance of the coating adhesion, can make up to 1 3 times, and has excellent corrosion resistance in the emulsion environment, can effective protective effect on the matrix, for example, can be used for emulsion motor, provides the potential for life extension and emulsification efficiency hydraulic parts.

【技术实现步骤摘要】
基体表面的高硬度、耐磨损，且在乳化液环境中耐腐蚀的碳基涂层及其制备方法
本专利技术涉及基体表面处理
，尤其涉及一种基体表面的高硬度、耐磨损，且在乳化液环境中耐腐蚀的碳基涂层及其制备方法。
技术介绍
有些基体以乳化液作为工作介质，同时需要高硬度、耐磨损性，例如传统液压马达采用乳化液作为工作介质，其中含有多种化学元素。但是，乳化液介质环境中金属材料摩擦、磨损与腐蚀性能的先天不足以及不可调和，致使基体的使用寿命缩减，例如乳化液液压马达仅有几个月甚至几周的使用寿命，远远低于传统液压油马达二至五年的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术提供一种基体表面的高硬度、耐磨损，且在乳化液环境中耐腐蚀的碳基涂层，如图1所示，自基体表面向上依次为基层2、过渡层3、功能层4、润滑层5，即，基层2位于基体1的表面、过渡层3位于基层2的表面，功能层由第一功能层41与第二功能层42组成，第一功能层41位于过渡层3的表面，第二功能层42位于第一功能层41的表面，润滑层5位于第二功能层42的表面；其中，基层2为Cr层，以Cr层为基层2的目的在于：Cr为高硬度金属，能够与C生成稳定结构。使用Cr做过渡，能够与基体进行良好化学键结合，充分缓解DLC薄膜与基体间因热膨胀因数不匹配而引起的内应力，提高膜基结合力。过渡层3由金属Cr与WC组成，并且沿着基体表面向上的方向，金属Cr含量逐渐降低而WC含量逐渐增高，形成Cr/WC梯度化过渡层，以Cr/WC梯度化过渡层为过渡层的目的如下：通过金属到碳化物的梯度设计，逐渐增加硬度，可以提升薄膜与基体的结合力，碳化物可以有效提高薄膜的承载力。因此梯度化过渡层既保持了高硬度、低摩擦，又降低了脆性，而且提高了薄膜承载能力、膜基结合力及磨损抗力。第一功能层41和第二功能层42为碳化钨掺杂的类金刚石薄膜，并且其中碳化钨的掺杂量不同，相比而言，第一功能层41中的钨含量高于第二功能层42中的钨含量，即第一功能层41为高钨含量的掺杂类金刚石薄膜，第二功能层42是低钨含量的掺杂类金刚石薄膜。以第一功能层41和第二功能层42作为功能层的目的如下：碳化钨掺杂类金刚石薄膜具有高承载能力，在油与水环境中摩擦学性能优异。高钨含量具有较好的摩擦学性能，但是薄膜结构相对疏松，柱状晶粗大；低钨含量薄膜结构相对致密，柱状晶细小，韧性好。第一功能层41可以提升耐磨性，但是疏松结构将导致高钨含量具有较好的乳化液渗入薄膜内。第二功能层42结构致密，柱状晶细小，在第一功能层41表面可有效封盖第一功能层41的疏孔，阻断润滑液的继续渗入，提升耐腐蚀性能，且具有较好韧性的第二功能层42可以对摩擦过程中在第一功能层41上产生的接触应力进行缓解。因此，第一功能层41和第二功能层42组合可有效提升薄膜体系的承载能力和耐磨耐腐蚀性能，延长使用寿命。润滑层5是由气相沉积法制备的类金刚石(DLC)薄膜层，研究发现，采用气相沉积技术制备的非晶碳基涂层材料可兼具自润滑、耐磨损、耐腐蚀特性，尤其是以等离子体增强化学气相沉积法制备的类金刚石薄膜具有高sp2含量，在摩擦剪切力作用下，能够快速形成石墨化转移膜，使基体在乳化液环境中迅速达到稳定摩擦，降低摩擦系数，减少在磨合期对功能层4的损伤。本专利技术提供的基体表面的碳基涂层的有益效果为：在保证碳基涂层体系的硬度及耐磨性的前提下，使膜基结合力提升1-3倍，不易失效，并且在乳化液环境中能够提升耐腐蚀性，是一种高硬度、耐磨损，且在乳化液环境中具有耐腐蚀性的碳基涂层，能够对基体起到有效防护作用，例如，该涂层可用于乳化液马达，为乳化液马达零部件的延寿与增效提供了潜在可能。本专利技术还提供了一种制备上述基体表面的高硬度、耐磨损，且在乳化液环境中耐腐蚀的碳基涂层的方法，包括如下步骤：(1)采用磁控溅射技术，在基体表面制备基层；(2)采用磁控溅射技术，在基层表面制备Cr/WC梯度化过渡层；即，磁控溅射铬靶与碳化钨靶，基体加偏压，在溅射过程中，铬靶功率逐渐降低至0，碳化钨靶功率由0逐渐上升；(3)采用等离子体增强化学气相沉积法，在Cr/WC梯度化过渡层表面制备功能层；即，磁控溅射碳化钨靶，基体加偏压，同时通入乙炔气体，控制乙炔气体的流量，得到第一功能层41，然后提高乙炔气体的流量继续沉积，得到第二功能层41。(4)采用等离子体增强化学气相沉积法，在功能层表面制备润滑层；即，磁控靶关闭，通入乙炔气体，基体加偏压，沉积得到润滑层。附图说明图1为本专利技术基体表面的高硬度、耐磨损，且在乳化液环境中耐腐蚀的碳基涂层的结果示意图；图2为本专利技术实施例1制得的碳基涂层的形貌图；图3为本专利技术实施例1制得的碳基涂层的硬度及弹性模量测试结果图；图4为本专利技术实施例1制得的碳基涂层的极化曲线图；图5为本专利技术实施例1制得的碳基涂层的在乳化液环境中的摩擦系数测试结果图。具体实施方式下面结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述，需要说明的是，以下所述实施例和术语旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。本实施例中，基体为液压马达零部件，该基体表面为碳基涂层，如图1所示，自基体表面为基层2，基层2表面为过渡层3、过渡层3表面为第一功能层41、第一功能层41表面为第二功能层42、第二功能层42表面为润滑层6。基层2为Cr层。过渡层3由金属Cr与WC组成，并且沿着基体表面向上的方向，金属Cr含量逐渐降低而WC含量逐渐增高，形成Cr/WC梯度化过渡层。第一功能层41和第二功能层42为碳化钨掺杂的类金刚石薄膜，并且第一功能层41中的钨含量高于第二功能层42中的钨含量，即第一功能层41为高碳钨含量的掺杂类金刚石薄膜，第二功能层42是低钨含量的掺杂类金刚石薄膜。以第一功能层41和第二功能层42作为功能层的目的如下：润滑层5是由气相沉积法制备的类金刚石(DLC)薄膜层。该基体表面的碳基涂层的制备方法如下：(1)将基体进行丙酮、酒精和去离子水超声清洗后，放在磁控溅射腔体内部的样品台上，基体与磁控溅射靶的距离为100mm，对腔体抽真空，抽至4.0×10-5mbar以下；样品台旋转速度为3r/min，在通入纯Ar气0.2Pa的条件下，基体在250V负偏压下刻蚀30min。(2)制备基层2和过渡层3对腔体通Ar气的流量为150sccm，沉积温度105℃以下，首先，溅射铬靶，铬靶功率为4KW，沉积时间为15min；然后，同时溅射铬靶与碳化钨靶，铬靶功率由4KW逐渐降低至0，碳化钨靶功率由0逐渐上升至4KW，沉积时间为30min。(3)制备功能层41和42采用离子体增强化学气相沉积法制备，腔体真空度与步骤(2)中一致，溅射碳化钨靶。碳化钨靶功率稳定在4KW，同时加偏压30V。通入乙炔气体，经45min乙炔气体由0上升到45sccm，在45sccm下保持30分钟，沉积得到第一功能层41。然后，经35min乙炔气体由45sccm上升到80sccm，在80sccm下保持30min，沉积得到第二功能层42。(4)制备润滑层5采用离子体增强化学气相沉积法制备润滑层5，腔体真空度与步骤(2)中一致，磁控靶关闭，乙炔流量升高至300sccm，基体偏压加700V，沉积时间25分钟。上述制得的碳基涂层的形貌如图2所示，显示薄膜体系厚度约为2.91μm，上下层结构致密度差别明显，以柱状晶为主，界面无黏附。对上述制得的碳基本文档来自技高网...

【技术保护点】
基体表面的高硬度、耐磨损，且在乳化液环境中耐腐蚀的碳基涂层，其特征是：自基体(1)表面向上依次为基层(2)、过渡层(3)、功能层(4)、润滑层(5)；基层(2)为Cr层；过渡层(3)由金属Cr与WC组成，并且沿着基体表面向上的方向，金属Cr含量逐渐降低而WC含量逐渐增高，形成Cr/WC梯度化过渡层；功能层(4)由第一功能层41与第二功能层42组成，第一功能层(41)和第二功能层(42)均为碳化钨掺杂的类金刚石薄膜，并且第一功能层41中的钨含量高于第二功能层(42)中的钨含量；润滑层(5)是由气相沉积法制备的类金刚石薄膜层。

【技术特征摘要】
2017.07.27 CN 201720922162X1.基体表面的高硬度、耐磨损，且在乳化液环境中耐腐蚀的碳基涂层，其特征是：自基体(1)表面向上依次为基层(2)、过渡层(3)、功能层(4)、润滑层(5)；基层(2)为Cr层；过渡层(3)由金属Cr与WC组成，并且沿着基体表面向上的方向，金属Cr含量逐渐降低而WC含量逐渐增高，形成Cr/WC梯度化过渡层；功能层(4)由第一功能层41与第二功能层42组成，第一功能层(41)和第二功能层(42)均为碳化钨掺杂的类金刚石薄膜，并且第一功能层41中的钨含量高于第二功能层(42)中的钨含量；润滑层(5)是由气相沉积法制备的类金刚石薄膜层。2.如权利要求1所述的基体表面的高硬度、耐磨损，且在乳化液环境中耐腐蚀的碳基涂层...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永欣，孙尚琪，鲁侠，李金龙，王立平，路小江，蔡国定，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，宁波中意液压马达有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33