碳基减摩耐磨涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及表面工程技术领域，特别是涉及一种碳基减摩耐磨涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]对于硬密封阀门、水润滑轴承以及水环境齿轮类传动件等摩擦副零部件，水介质的低润滑特性使其在频繁开启/关闭(或启动/停止)及瞬时过载时往往处于半干摩擦状态，摩擦接触面间的摩擦系数将急剧升高，伴随而来的磨损损伤也将急剧增大。当水基流体中存在酸、碱、盐时，其化学或电化学腐蚀特性又将进一步加剧此类摩擦副工作面的摩擦和磨损。因此，摩擦磨损是制约硬密封阀门、水润滑轴承以及水环境齿轮类传动件等摩擦副零部件工作稳定性和服役寿命的关键问题，同时也是制约整个水力机械系统高效运转的瓶颈。涂层防护技术可在不改变基体物理化学性能和加工成型性能的同时赋予零部件的工作面更加优异的服役性能，是解决此类水环境用摩擦副零部件摩擦磨损问题最为方便快捷且富有成效的技术途径。
[0003]类石墨非晶碳具有优异的环境自适应摩擦学特性，在润滑缺失的干摩擦、润滑不足的半干摩擦及润滑充分的边界润滑或流体润滑条件下均能表现出稳定的低摩擦和低磨损特性，特别是其低摩擦、低磨损及对水分子不敏感的特性，使其适用于各种有水气氛或环境。
[0004]然而，传统类石墨非晶碳涂层的制备厚度多小于5 μ m，致使其优异的减摩耐磨特性难以长寿命发挥，且承载能力有限。同时，传统类石墨非晶碳涂层的界面结构单一，其单层(基底直接沉积类石墨非晶碳层)或双层(过渡层+类石墨非晶碳层)结构难以打断连续生长缺陷，为水分子或腐蚀性分子的侵蚀/腐蚀提供了潜在的通道，故而也就难以在水环境中表现出足够的耐侵蚀/腐蚀特性，导致使用寿命较短。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种碳基减摩耐磨涂层及其制备方法，该碳基减摩耐磨涂层可在水基流体中保持较低的摩擦和磨损，可使沉积有该碳基减摩耐磨涂层的水环境用摩擦副零部件实现长寿命稳定运转。
[0006]为达到技术目的，本发明采用的技术方案如下:
[0007]—种碳基减摩耐磨涂层，为由粘结层与工作层交替沉积而成的多层膜结构；
[0008]所述粘结层为T1、Cr、W元素中的一种的单质或氮化物或碳化物的薄膜，或者为Si元素的薄膜；
[0009]所述工作层为类石墨非晶碳薄膜，所述类石墨非晶碳薄膜中石墨结构的原子百分含量大于70%。
[0010]在其中一个实施例中，所述的碳基减摩耐磨涂层的厚度为ΙΟμπι?50μηι,硬度为1GPa?20GPa，划痕结合力大于50N，水环境中的摩擦系数小于0.1，水环境中的磨损率小于数量级。
[0011]在其中一个实施例中，每一层所述粘结层的厚度为10nm?400nm,每一层所述工作层的厚度为100nm?2000nm，且所述粘结层与相邻的所述工作层的厚度比为1:5?1:10。
[0012]在其中一个实施例中，所述粘结层与所述工作层交替沉积的循环次数为10?30次。
[0013]一种所述的碳基减摩耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤:
[0014]将基体进行前处理；对前处理完毕的基体表面进行等离子体清洗；在经过等离子清洗后的基体表面沉积所述的碳基减摩耐磨涂层。
[0015]在其中一个实施例中，所述基体的前处理包括以下步骤:
[0016]①选用普通洗涤剂处理所述基体；
[0017]②对步骤①得到的基体表面进行喷砂处理；
[0018]③采用工业清洗剂对步骤②得到的基体进行超声波清洗；
[0019]④将步骤③得到的基体经去离子水漂洗后置于烘箱，加热烘干表面水溃。
[0020]在其中一个实施例中，所述等离子体清洗包括以下步骤:
[0021]将前处理完毕的基体置于磁控溅射系统真空腔内的样品架上，抽真空；待真空腔室内气压抽至5X10_3Pa以下时，通入Ar气并调节气压至IPa?1Pa ;打开偏压电源，调节偏压电压为500V?1000V，偏压占空比为40%?60% ；Ar气在电场作用下被激发为等离子体，对所述前处理完毕的基体表面进行刻蚀，刻蚀时间为5min?50min。
[0022]在其中一个实施例中，所述碳基减摩耐磨涂层采用磁控溅射技术沉积；
[0023]其中，T1、Cr、W的单质的薄膜采用中频或直流磁控溅射技术在Ar气氛下溅射沉积获得；非金属Si的薄膜采用射频或直流磁控溅射技术在Ar气氛下溅射沉积获得；T1、Cr、W的氮化物的薄膜采用中频或直流反应磁控溅射技术在N2气氛下溅射沉积获得；T1、Cr、W的碳化物的薄膜采用中频或直流反应磁控溅射技术在C2H2气氛下溅射沉积获得；类石墨非晶碳薄膜采用直流磁控溅射技术在Ar气氛下溅射沉积获得。
[0024]在其中一个实施例中，所述碳基减摩耐磨涂层的沉积过程中，具体工艺参数如下:
[0025]磁控溅射设备的真空腔内气体压力为0.5Pa?1.5Pa ;中频磁控溅射电源的电流为1.5A?2.5A，直流磁控溅射电源的电流为1.0A?2.0A,射频磁控溅射电源的功率为300W?500W ;电源偏压为400V?600V的脉冲偏压，偏压占空比为40%?60%。
[0026]本发明的碳基减摩耐磨涂层，通过粘结层和工作层的交替沉积，实现了类石墨非晶碳涂层的大厚度制备，使类石墨非晶碳涂层优异的水环境摩擦学性能得以长寿命稳定发挥；且交替沉积的多界面设计，进一步提高了类石墨非晶碳涂层在各种水基流体环境中的耐腐蚀/侵蚀能力。利用本发明的制备方法，可成功制备出上述碳基减摩耐磨涂层。
【附图说明】
[0027]图1为沉积有本发明碳基减摩耐磨涂层的工件一实施例的结构示意图；
[0028]图2为本发明碳基减摩耐磨涂层一实施例在显微镜下的横截面图。
【具体实施方式】
[0029]下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0030]参见图1和图2，本发明提供了一种碳基减摩耐磨涂层，该碳基减摩耐磨涂层为由粘结层200与工作层300交替沉积而成的多层膜结构；粘结层200为T1、Cr、W元素中的一种的单质或氮化物或碳化物的薄膜，或者为Si元素的薄膜；工作层300为类石墨非晶碳薄膜，类石墨非晶碳薄膜中石墨结构的原子百分含量大于70%。其中，类石墨非晶碳薄膜又称GLC (Graphite-like carbon)薄膜,其主要成分为石墨结构(即sp2键)。粘结层200与工作层300交替沉积的循环次数没有严格的限制，视具体情况而定，优选地，粘结层200与工作层300交替沉积的循环次数为10?30次。
[0031]需要说明的是，在本发明的碳基减摩耐磨涂层中，不同粘结层200的材质可以可以相同，也可以不同。
[0032]作为一种可实施方式，碳基减摩耐磨涂层的厚度为ΙΟμπι?50μηι,硬度为1GPa?20GPa，划痕结合力大于50N，水环境中的摩擦系数小于0.1，水环境中的磨损率小于ΙΟ—16!!!3-!!!-1数量级。需要说明的是，此处测量摩擦系数和磨损率的水环境均为蒸馏水环境。
[0033]要制备出性能优异的碳基减摩耐磨涂层，每一层粘结层200和每一层工作层300的厚度都有严格的规定，才能使涂层的粘结性、减摩耐磨特性及耐腐蚀特性得到最大的发挥，结合所使用的粘结层200与工作层300的物理、化学性能和大量实验得出:每一层粘结层200的厚度为10nm?400nm，每一层工作层300的厚度为100nm?2000nm，且所述粘结层200与相邻的所述工作层300的厚度比为1:5?1:10。
[0034]本发明还提供了一种上述碳基减摩耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤:将基体100进行前处理；对前处理完毕的基体100表面进行等离子体清洗；在经过等离子清洗后的基体100表面沉积上述碳基减摩耐磨涂层。一般地，本发明中的基体