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与流程

本发明涉及基体表面处理技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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。

本发明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为本发明基体表面的高硬度、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为本发明实施例1制得的碳基涂层的形貌图；

图3为本发明实施例1制得的碳基涂层的硬度及弹性模量测试结果图；

图4为本发明实施例1制得的碳基涂层的极化曲线图；

图5为本发明实施例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发明作进一步详细描述，需要说明的是，以下所述实施例和术语旨在便于对本发明的理解，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。

对上述制得的碳基涂层进行如下性能测试：

采用纳米压痕仪测试涂层硬度，结果如图3所示，其硬度及弹性模量为12gpa和146gpa。

采用电化学工作站测试其耐腐蚀性能，结果如图4所示，显示其自腐蚀电流密度约为1e-10/cm²。

图5为上述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，显示摩擦系数为0.06。

以上所述仅为本发明的说明实施例，在上述说明书的描述中提到的数值及数值范围并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。