一种改善E690钢摩擦学性能的结构及方法技术

本发明专利技术公开了一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能的结构及方法，属于表面改性技术领域，该结构以E690钢为基体，基体上沉积有多层复合薄膜，多层复合薄膜包括从内到外设置的打底层、梯度层、支承层和耐磨防腐层，打底层、梯度层和支承层的微硬度从内之外逐层增加，支承层的微硬度大于打底层的微硬度，且支承层与耐磨防腐层的微硬度相同。该方法包括以下过程：将基体材料经过热处理以及粗、精加工后，采用等离子增强磁控溅射技术沉积多层膜，然后经过磁控溅射技术沉积表面膜，最后在真空退火炉中对镀膜后E690钢进行退火。本发明专利技术的方法所制得的多层复合薄膜与E690钢基体结合良好，具有较低的摩擦系数及良好的抗磨耐腐蚀性能。

【技术实现步骤摘要】
一种改善E690钢摩擦学性能的结构及方法
本专利技术属于表面改性
，具体涉及一种改善E690钢摩擦学性能的结构及方法。
技术介绍
作为重要的海工用钢，E690钢服役条件苛刻，在重载抬升机构中极易发生摩擦、磨损与应力腐蚀，影响机构安全和服役寿命，在海工平台装备中有许多运转件，如在海洋环境中服役的齿轮、阀门、泵及重载抬升中的关键零部件，在使用过程中极易发生摩擦磨损。因此，运用技术手段提高E690钢整体性能十分重要。多弧离子镀薄膜因其具有高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性等许多优点受到人们的广泛关注，已经广泛应用于电子业、机械业及材料成型模具及装饰等领域中。研究表明，应用多弧离子镀涂覆硬质涂层，虽然一定程度上可以改善零部件耐磨性，延长使用寿命，但是由于多弧离子镀技术本身的特点，薄膜之中会出现液滴和大颗粒。而液滴和大颗粒的形成，会影响薄膜的耐磨性能及抗腐蚀性能。这种硬质膜能否适配E690钢，进而提高其摩擦学性能及腐蚀性能，国内外对此鲜有报道。因此，研究硬质薄膜对E690钢性能的影响具有十分积极的意义。E690钢的基体为铁素体和渗碳体叠加的复相组织，基体相为片状珠光体，具有良好的塑性和韧性，但硬度不高，容易磨损，表面加工缺陷如裂纹、孔隙更是会加剧基体腐蚀，造成构件失效。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在问题或不足，本专利技术提供一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构及方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术的实施例提供一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，E690钢为基体，其创新点在于，所述基体上沉积有多层复合薄膜，所述多层复合薄膜包括从内到外设置的打底层、梯度层、支承层和耐磨防腐层，其中，所述打底层、梯度层和支承层的微硬度从内之外逐层增加，所述支承层的微硬度大于打底层的微硬度，且所述支承层与耐磨防腐层的微硬度相同。进一步的，所述打底层、梯度层和支承层的微硬度等间距的变化，所述打底层的微硬度为1200HV，所述梯度层的微硬度为2300HV，所述支承层的微硬度为3400HV。进一步的，所述梯度层与支承层之间设置有第一过渡层，所述支承层与耐磨防腐层设置有第二过渡层。优选的，所述打底层、第一过渡层或第二过渡层均设置为Ti+层或Cr+层；所述梯度层设置为TiN层或CrN层；所述支承层均设置为TiCN层或TiAlN层；所述耐磨防腐层均设置为TiCrAlN层。进一步的，所述打底层的沉积厚度均为0.3～0.6um；所述支承层的沉积厚度为0.8～1.2um；所述耐磨防腐层的沉积厚度为1.2～1.8um。进一步的，所述基体设置为经一次或多次深冷处理后的E690钢。优选的，所述第一过渡层或第二过渡层的沉积厚度均为0.3～0.6um。进一步的，所述梯度层设置为TiN或CrN层，所述所述TiN层具体设置为TiaNb，其中，a＝45～60，b＝45～60，a+b＝100；所述CrN层具体设置为CraNb，其中，a＝45～60，b＝45～60，a+b＝100。进一步的，所述支承层均设置为TiCN或TiAlN层；所述TiAlN层具体设置为TiaAlbNc，其中，a＝50～70，b＝30～50，c＝30～50，a+b+c＝100；TiCN具体设置为TiaCbNc，其中，a＝50～70，b＝30～50，b＝30～50，a+b+c＝100。进一步的，所述耐磨防腐层设置为TiAlCrN层，所述TiAlCrN层具体设置为TiaAlbCrcNd，其中，a＝50～70，b＝30～50，c＝30～50，d＝30～50，a+b+c+d＝100。本专利技术的实施例还提供一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、零件基体加工过程：对E690钢毛坯依次进行正火、粗加工、时效处理、半精加工、表面淬火、精加工；S2、零件预处理过程：对步骤S1所制备的E690钢零件基体进行除油、喷砂处理，去除表面油污、氧化物及毛刺，采用无水乙醇和酒精在超声波清洗中各清洗15-20min，最后吹风干燥；S3、表面活化Ar+清洗过程：将真空度降至5.0×10-3Pa以下，工作气压为0.3～0.5Pa，直流偏压150V，脉冲偏压500～700V，占空比50％，开启热阴极离子柱弧，电流为150～190A，Ar+清洗30～40min；S4、沉积打底层过程，即Ti+或Cr+层：Ar+清洗之后，开精抽阀5min，打开Ti靶挡板或Cr+靶挡板，压强调至0.4～0.8Pa，轰击5mins～10min，直流偏压150V，脉冲偏压250～320V，占空比12％～30％，弧电流90-140A；沉积厚度为0.3～0.6um；S5、TiN或CrN镀梯度层过程：通入N2，流量0～30sccm，控制N2气流量阶梯式上升，保持工作压强0.5～1.5Pa，沉积时间40min，沉积厚度约为0.3～0.6um；S6、在S5基础上镀Ti+或Cr+层，即第一过渡层：工艺参数同S4；S7、TiCN或TiAlN镀支承层过程：沉积TiCN时，打开Ti靶，弧电流80-110A，控制N2流量为50～100sccm，沉积TiAlN时，控制N2流量为60～100sccm，打开Ti靶、Al靶，弧电流120-170A，沉积时间1～1.5h；沉积厚度为0.8～1.6um；S8、在S7基础上镀Ti+或Cr+层，即第二过渡层：工艺参数同S4；S9、镀耐磨防腐层：磁控溅射镀膜以磁控溅射TiAlCrN薄膜，使用3靶共溅射：Ti靶、Al靶、Cr靶，其中Ti靶、铝靶使用直流电源，每个试样的钛靶溅射功率(240V、0.8A，)铝靶溅射功率(270V，0.8A)，Cr靶使用射频电源，本底真空＜8.0×10-4Pa，工作气压1Pa，氩气分压和氮气分压均为0.3Pa和0.5Pa，基体负偏压为100V，基体温度为300℃，沉积时间120min；铬靶功率电压为460V，电流为0.22A，沉积厚度为1.2～1.8um，镀膜结束后关闭各靶电源、离子源及气体源，涂层结束；S10：真空退火：对箱式气氛炉进行氩气冲洗，退火时保持炉内氩气压力为0.05Mpa，退火升温速度为15℃/min，保温3-4h，最后随炉冷却。进一步的，所述步骤S1中基体在淬火后进行一次或多次深冷处理过程，以达到不同程度性能的提高。优选的，所述步骤S1中的基体在淬火后进行三次深冷处理过程，以获得最优耐磨、抗腐蚀性能。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：(1)本专利技术将基体材料经过热处理以及粗、精加工后，采用等离子增强磁控溅射技术(PEMS)沉积多层膜(打底层、梯度层和支承层)，然后经过磁控溅射PVD技术沉积表面膜(耐磨防腐层)，最后在真空退火炉中对镀膜后E690钢进行退火；将离子镀膜技术与磁控溅射技术及真空热处理技术相结合，制得的多层复合薄膜与E690钢基体结合良好，E690基体表面尺寸和形状精度不受影响，多层复合薄膜具有良好的韧性及表面硬度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，E690钢为基体，其特征在于，所述基体上沉积有多层复合薄膜，所述多层复合薄膜包括从内到外设置的打底层、梯度层、支承层和耐磨防腐层，其中，所述打底层、梯度层和支承层的微硬度从内之外逐层增加，所述支承层的微硬度大于打底层的微硬度，且所述支承层与耐磨防腐层的微硬度相同。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，E690钢为基体，其特征在于，所述基体上沉积有多层复合薄膜，所述多层复合薄膜包括从内到外设置的打底层、梯度层、支承层和耐磨防腐层，其中，所述打底层、梯度层和支承层的微硬度从内之外逐层增加，所述支承层的微硬度大于打底层的微硬度，且所述支承层与耐磨防腐层的微硬度相同。


2.根据权利要求1所述的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，其特征在于，所述打底层、梯度层和支承层的微硬度等间距的变化，所述打底层的微硬度为1200HV，所述梯度层的微硬度为2300HV，所述支承层的微硬度为3400HV。


3.根据权利要求1所述的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，其特征在于，所述梯度层与支承层之间设置有第一过渡层，所述支承层与耐磨防腐层设置有第二过渡层。


4.根据权利要求3所述的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，其特征在于，所述打底层、第一过渡层或第二过渡层均设置为Ti+层或Cr+层；所述梯度层设置为TiN层或CrN层；所述支承层均设置为TiCN层或TiAlN层；所述耐磨防腐层均设置为TiCrAlN层。


5.根据权利要求1所述的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，其特征在于，所述打底层的沉积厚度均为0.3～0.6um；所述支承层的沉积厚度为0.8～1.2um；所述耐磨防腐层的沉积厚度为1.2～1.8um。


6.根据权利要求1所述的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，其特征在于，所述基体设置为经一次或多次深冷处理后的E690钢。


7.根据权利要求3所述的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，其特征在于，所述第一过渡层或第二过渡层的沉积厚度均为0.3～0.6um。


8.一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、零件基体加工过程：对E690钢毛坯依次进行正火、粗加工、时效处理、半精加工、表面淬火、精加工；
S2、零件预处理过程：对步骤S1所制备的E690钢零件基体进行除油、喷砂处理，去除表面油污、氧化物及毛刺，采用无水乙醇和酒精在超声波清洗中各清洗15-20min，最后吹风干燥；
S3、表面活化Ar+清洗过程：将真空度降至5.0×1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建波，苏波泳，李天乐，徐影，郭东军，张森，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32