用于与聚合物配副的摩擦结构件、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种用于与聚合物配副的摩擦结构件、其制备方法及应用。所述摩擦结构件包括基体以及设置于基体的摩擦面上的复合涂层，复合涂层包括沿远离所述基体的方向依次层叠设置的过渡层和非晶碳层，非晶碳层掺杂有Cr元素。本发明专利技术通过掺杂金属元素Cr调控涂层与聚合物的摩擦界面，保持碳基涂层优异润滑性，不影响非晶碳石墨化摩擦膜形成进程，同时能够抑制粘着化学反应，形成优良的金属与非晶碳润滑界面，缩短配副摩擦跑合期，降低摩擦系数，增加配副的应用潜力；所提供的制备方法结合高功率脉冲磁控溅射和直流磁控溅射技术，可在低基体温度下沉积无空隙、致密度高的复合涂层，操作环境安全且过程简单易控，有利于产业化生产应用。用。用。

【技术实现步骤摘要】
用于与聚合物配副的摩擦结构件、其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及表面防护
，尤其涉及一种用于与聚合物配副的摩擦结构件、其制备方法及应用，具体涉及一种缩短碳基涂层与聚合物配副摩擦跑合期的低磨损控制结构与方法。

技术介绍

[0002]机械密封，又称端面密封，在泵、反应釜、压缩机、液压传动等设备中普遍使用，是这些机械设备的重要构件，对其正常运转、安全生产影响极大。而密封材料的摩擦磨损是导致机械密封失效、泄露等事故的主要诱因。
[0003]在机械密封中常采用的软质密封聚合物材料，如聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亚胺(PI)和聚苯硫醚(PPS)等，因其良好的减磨润滑作用和密封性能，经常作为常用固体润滑剂用于不锈钢
‑
不锈钢摩擦体系中，以获得低摩擦系数。
[0004]研究者普遍认为，聚合物提高润滑性能的重要作用之一是在钢表面形成了转移膜。非晶碳涂层是一类由碳的sp2和sp3杂化形成的一种亚稳态材料，兼具高硬度、耐磨、化学惰性等性能。通常，在摩擦过程中非晶碳涂层可转移至对磨金属表面形成石墨化摩擦膜，实现减摩润滑特性。因此，采用非晶碳涂层改性金属部件和聚合物配副可实现多工况下尤其具有高密封要求的减摩润滑。
[0005]然而，已有研究证实，这两种具有固体自润滑性能的材料配副摩擦时，会产生严重的粘着化学反应，如PEEK摩擦后，表面醚、二苯醚等键断裂，形成ROC
·
，RO
·
，RC
·
自由基，并与非晶碳表面C重新键合，上述粘着化学反应显著影响摩擦配副的摩擦学性能。
[0006]典型的，例如在缺少液体润滑的干摩擦条件下，粘着化学反应使的摩擦跑合期可能会高达5小时，摩擦系数最高达到0.55，这极大限制了非晶碳涂层和聚合物配副的实际应用。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种用于与聚合物配副的摩擦结构件、其制备方法及应用。
[0008]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：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种用于与聚合物配副的摩擦结构件，包括基体以及设置于所述基体的摩擦面上的复合涂层，所述复合涂层包括沿远离所述基体的方向依次层叠设置的过渡层和非晶碳层，所述非晶碳层掺杂有Cr元素。
[0010]第二方面，本专利技术还提供一种上述摩擦结构件的制备方法，其包括：
[0011]提供基体；
[0012]在所述基体的摩擦面上形成过渡层；
[0013]在所述过渡层表面形成非晶碳层，所述非晶碳层掺杂有Cr元素。
[0014]第三方面，本专利技术还提供一种摩擦配副，包括上述摩擦结构件以及与所述摩擦结
构件摩擦配合的摩擦体；
[0015]所述摩擦体在摩擦面上的材质包括聚合物。
[0016]第四方面，本专利技术还提供上述摩擦配副在机械密封中的应用。
[0017]基于上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：
[0018]本专利技术通过掺杂金属元素Cr调控涂层与聚合物的摩擦界面，可保持碳基涂层优异润滑性，不影响非晶碳石墨化摩擦膜形成进程，同时能够抑制聚合物表面摩擦后形成的自由基与非晶碳表面C发生的粘着化学反应，形成优良的金属与非晶碳润滑界面，缩短配副摩擦跑合期，降低摩擦系数，增加配副应用于其他领域的潜力。
[0019]本专利技术所提供的制备方法结合高功率脉冲磁控溅射和直流磁控溅射技术，可在低基体温度下沉积无空隙、致密度高的复合涂层，操作环境安全且过程简单易控，有利于产业化生产应用。
[0020]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
[0021]图1是本专利技术一些典型实施案例提供的复合涂层的XPS全谱图；
[0022]图2是本专利技术一些典型实施案例以及对比案例提供的复合涂层的摩擦系数测试图；
[0023]图3是本专利技术另一些典型实施案例以及对比案例提供的复合涂层的摩擦系数测试图；
[0024]图4a是本专利技术一典型对比案例提供的复合涂层的表面SEM图；
[0025]图4b是本专利技术一典型实施案例提供的复合涂层的表面SEM图；
[0026]图5是本专利技术一些典型实施案例以及对比案例提供的复合涂层的结合力测试图。
具体实施方式
[0027]现有技术中，非晶碳涂层是由碳的sp2与sp3杂化键复合组成的一类材料，具有高硬度与高弹性模量，摩擦系数可低至0.03，是精密配副防护涂层的优选材料之一。但据经验可知，从非晶碳涂层到金属对应表面的石墨转移层的形成是降低滑动过程中COF的关键因素。然而，已有研究发现这两种具有固体自润滑性能的材料配副摩擦时，会产生严重的粘着化学反应，这极大限制了非晶碳涂层和聚合物配副的实际应用。
[0028]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发现，适量Cr含量掺杂能够在聚合物表面形成金属转移膜，使非晶碳与聚合物摩擦界面转变为金属与非晶碳摩擦界面，还能够显著抑制粘着化学反应，缩短配副摩擦跑合期，降低摩擦系数，由此得以提出本专利技术的技术方案。
[0029]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。
[0030]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本专利技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0031]本专利技术实施例一方面提供的一种用于与聚合物配副的摩擦结构件，包括基体以及设置于所述基体的摩擦面上的复合涂层，所述复合涂层包括沿远离所述基体的方向依次层叠设置的过渡层和非晶碳层，所述非晶碳层掺杂有Cr元素。
[0032]在上述技术方案中，本专利技术涉及一种缩短碳基涂层与聚合物配副摩擦跑合期的低磨损控制方法，通过金属掺杂设计改善碳基涂层与聚醚醚酮摩擦界面润滑行为，所述金属掺杂设计为Cr掺杂不含氢碳基复合涂层，在非常具体的实施案例中，所述复合涂层包括依次形成于不锈钢基体表面的Cr/CrN过渡层和Cr掺杂不含氢非晶碳层。
[0033]并且，优选的采用多靶磁控溅射技术在不锈钢表面制备金属掺杂碳基复合涂层，具体如下文中所示例的。
[0034]其中，所述基体例如可以是金属基体，优选为不锈钢基体，更加优选的，所述基体可以选择316、304、17
‑
4PH不锈钢，最优选择为17
‑
4PH不锈钢，且不限于此。本专利技术所提供的技术方案的主要技术手段在于Cr掺杂组分与高sp2碳含量的非晶碳层的结合，进而带来的与聚合物材料表面优异的磨合性能，置于基体的材料选择，满足一定的强度标准的基体材质均可，例如陶瓷材质或其他金属材质等等。
[0035]而基于不同的材质，上述过渡层的材质选择有可能不同，这可由本领域技术人员在常见现有技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于与聚合物配副的摩擦结构件，其特征在于，包括基体以及设置于所述基体的摩擦面上的复合涂层，所述复合涂层包括沿远离所述基体的方向依次层叠设置的过渡层和非晶碳层，所述非晶碳层掺杂有Cr。2.根据权利要求1所述的摩擦结构件，其特征在于，所述非晶碳层由金刚石相和石墨相混合形成的不含氢非晶碳材料形成的；优选的，所述非晶碳层中金刚石相和石墨相的摩尔比为1∶2
‑
1∶5；和/或，所述非晶碳层中Cr的原子百分比为2.15
‑
15.52％。3.根据权利要求1所述的摩擦结构件，其特征在于，所述复合涂层的厚度为300
‑
500nm；和/或，所述过渡层的厚度为150
‑
240nm；优选的，所述过渡层包括沿远离所述基体的方向依次层叠设置Cr层和CrN层；优选的，所述Cr层的厚度为80
‑
120nm，所述CrN层的厚度为80
‑
120nm；和/或，所述非晶碳层的厚度为150
‑
300nm。4.权利要求1
‑
3中任意一项所述的摩擦结构件的制备方法，其特征在于，包括：提供基体；在所述基体的摩擦面上形成过渡层；在所述过渡层的表面形成非晶碳层，所述非晶碳层掺杂有Cr元素。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，具体包括：采用磁控溅射，在所述基体表面依次沉积Cr层和CrN层；采用直流磁控溅射C靶材，同时采用脉冲磁控溅射Cr靶材，在所述CrN层表面共沉积形成所述非晶碳层；优选的，所述Cr层和CrN层的溅射方式选自直流磁控溅射；优选的，在进行磁控溅射前，所述基体经过清...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯培玲，周小卉，汪爱英，王丽，郭鹏，崔丽，
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：