基體表面的高硬度、耐磨損，且在乳化液環(huán)境中耐腐蝕的碳基涂層及其制備方法與流程

本發(fā)明涉及基體表面處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基體表面的高硬度、耐磨損，且在乳化液環(huán)境中耐腐蝕的碳基涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

有些基體以乳化液作為工作介質(zhì)，同時需要高硬度、耐磨損性，例如傳統(tǒng)液壓馬達采用乳化液作為工作介質(zhì)，其中含有多種化學(xué)元素。但是，乳化液介質(zhì)環(huán)境中金屬材料摩擦、磨損與腐蝕性能的先天不足以及不可調(diào)和，致使基體的使用壽命縮減，例如乳化液液壓馬達僅有幾個月甚至幾周的使用壽命，遠遠低于傳統(tǒng)液壓油馬達二至五年的使用壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基體表面的高硬度、耐磨損，且在乳化液環(huán)境中耐腐蝕的碳基涂層，如圖1所示，自基體表面向上依次為基層2、過渡層3、功能層4、潤滑層5，即，基層2位于基體1的表面、過渡層3位于基層2的表面，功能層由第一功能層41與第二功能層42組成，第一功能層41位于過渡層3的表面，第二功能層42位于第一功能層41的表面，潤滑層5位于第二功能層42的表面；

其中，基層2為cr層，以cr層為基層2的目的在于：cr為高硬度金屬，能夠與c生成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。使用cr做過渡，能夠與基體進行良好化學(xué)鍵結(jié)合，充分緩解dlc薄膜與基體間因熱膨脹因數(shù)不匹配而引起的內(nèi)應(yīng)力，提高膜基結(jié)合力。

過渡層3由金屬cr與wc組成，并且沿著基體表面向上的方向，金屬cr含量逐漸降低而wc含量逐漸增高，形成cr/wc梯度化過渡層，以cr/wc梯度化過渡層為過渡層的目的如下：

通過金屬到碳化物的梯度設(shè)計，逐漸增加硬度，可以提升薄膜與基體的結(jié)合力，碳化物可以有效提高薄膜的承載力。因此梯度化過渡層既保持了高硬度、低摩擦，又降低了脆性，而且提高了薄膜承載能力、膜基結(jié)合力及磨損抗力。

第一功能層41和第二功能層42為碳化鎢摻雜的類金剛石薄膜，并且其中碳化鎢的摻雜量不同，相比而言，第一功能層41中的鎢含量高于第二功能層42中的鎢含量，即第一功能層41為高鎢含量的摻雜類金剛石薄膜，第二功能層42是低鎢含量的摻雜類金剛石薄膜。以第一功能層41和第二功能層42作為功能層的目的如下：

碳化鎢摻雜類金剛石薄膜具有高承載能力，在油與水環(huán)境中摩擦學(xué)性能優(yōu)異。高鎢含量具有較好的摩擦學(xué)性能，但是薄膜結(jié)構(gòu)相對疏松，柱狀晶粗大；低鎢含量薄膜結(jié)構(gòu)相對致密，柱狀晶細小，韌性好。第一功能層41可以提升耐磨性，但是疏松結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致高鎢含量具有較好的乳化液滲入薄膜內(nèi)。第二功能層42結(jié)構(gòu)致密，柱狀晶細小，在第一功能層41表面可有效封蓋第一功能層41的疏孔，阻斷潤滑液的繼續(xù)滲入，提升耐腐蝕性能，且具有較好韌性的第二功能層42可以對摩擦過程中在第一功能層41上產(chǎn)生的接觸應(yīng)力進行緩解。因此，第一功能層41和第二功能層42組合可有效提升薄膜體系的承載能力和耐磨耐腐蝕性能，延長使用壽命。

潤滑層5是由氣相沉積法制備的類金剛石(dlc)薄膜層，研究發(fā)現(xiàn)，采用氣相沉積技術(shù)制備的非晶碳基涂層材料可兼具自潤滑、耐磨損、耐腐蝕特性，尤其是以等離子體增強化學(xué)氣相沉積法制備的類金剛石薄膜具有高sp2含量，在摩擦剪切力作用下，能夠快速形成石墨化轉(zhuǎn)移膜，使基體在乳化液環(huán)境中迅速達到穩(wěn)定摩擦，降低摩擦系數(shù)，減少在磨合期對功能層4的損傷。

本發(fā)明提供的基體表面的碳基涂層的有益效果為：在保證碳基涂層體系的硬度及耐磨性的前提下，使膜基結(jié)合力提升1-3倍，不易失效，并且在乳化液環(huán)境中能夠提升耐腐蝕性，是一種高硬度、耐磨損，且在乳化液環(huán)境中具有耐腐蝕性的碳基涂層，能夠?qū)w起到有效防護作用，例如，該涂層可用于乳化液馬達，為乳化液馬達零部件的延壽與增效提供了潛在可能。

本發(fā)明還提供了一種制備上述基體表面的高硬度、耐磨損，且在乳化液環(huán)境中耐腐蝕的碳基涂層的方法，包括如下步驟：

(1)采用磁控濺射技術(shù)，在基體表面制備基層；

(2)采用磁控濺射技術(shù)，在基層表面制備cr/wc梯度化過渡層；即，磁控濺射鉻靶與碳化鎢靶，基體加偏壓，在濺射過程中，鉻靶功率逐漸降低至0，碳化鎢靶功率由0逐漸上升；

(3)采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法，在cr/wc梯度化過渡層表面制備功能層；即，磁控濺射碳化鎢靶，基體加偏壓，同時通入乙炔氣體，控制乙炔氣體的流量，得到第一功能層41，然后提高乙炔氣體的流量繼續(xù)沉積，得到第二功能層41。

(4)采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法，在功能層表面制備潤滑層；即，磁控靶關(guān)閉，通入乙炔氣體，基體加偏壓，沉積得到潤滑層。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基體表面的高硬度、耐磨損，且在乳化液環(huán)境中耐腐蝕的碳基涂層的結(jié)果示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例1制得的碳基涂層的形貌圖；

圖3為本發(fā)明實施例1制得的碳基涂層的硬度及彈性模量測試結(jié)果圖；

圖4為本發(fā)明實施例1制得的碳基涂層的極化曲線圖；

圖5為本發(fā)明實施例1制得的碳基涂層的在乳化液環(huán)境中的摩擦系數(shù)測試結(jié)果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，需要說明的是，以下所述實施例和術(shù)語旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。

本實施例中，基體為液壓馬達零部件，該基體表面為碳基涂層，如圖1所示，自基體表面為基層2，基層2表面為過渡層3、過渡層3表面為第一功能層41、第一功能層41表面為第二功能層42、第二功能層42表面為潤滑層6。

基層2為cr層。

過渡層3由金屬cr與wc組成，并且沿著基體表面向上的方向，金屬cr含量逐漸降低而wc含量逐漸增高，形成cr/wc梯度化過渡層。

第一功能層41和第二功能層42為碳化鎢摻雜的類金剛石薄膜，并且第一功能層41中的鎢含量高于第二功能層42中的鎢含量，即第一功能層41為高碳鎢含量的摻雜類金剛石薄膜，第二功能層42是低鎢含量的摻雜類金剛石薄膜。以第一功能層41和第二功能層42作為功能層的目的如下：

潤滑層5是由氣相沉積法制備的類金剛石(dlc)薄膜層。

該基體表面的碳基涂層的制備方法如下：

(1)將基體進行丙酮、酒精和去離子水超聲清洗后，放在磁控濺射腔體內(nèi)部的樣品臺上，基體與磁控濺射靶的距離為100mm，對腔體抽真空，抽至4.0×10^-5mbar以下；樣品臺旋轉(zhuǎn)速度為3r/min，在通入純ar氣0.2pa的條件下，基體在250v負偏壓下刻蝕30min。

(2)制備基層2和過渡層3

對腔體通ar氣的流量為150sccm，沉積溫度105℃以下，首先，濺射鉻靶，鉻靶功率為4kw，沉積時間為15min；然后，同時濺射鉻靶與碳化鎢靶，鉻靶功率由4kw逐漸降低至0，碳化鎢靶功率由0逐漸上升至4kw，沉積時間為30min。

(3)制備功能層41和42

采用離子體增強化學(xué)氣相沉積法制備，腔體真空度與步驟(2)中一致，濺射碳化鎢靶。碳化鎢靶功率穩(wěn)定在4kw，同時加偏壓30v。通入乙炔氣體，經(jīng)45min乙炔氣體由0上升到45sccm，在45sccm下保持30分鐘，沉積得到第一功能層41。然后，經(jīng)35min乙炔氣體由45sccm上升到80sccm，在80sccm下保持30min，沉積得到第二功能層42。

(4)制備潤滑層5

采用離子體增強化學(xué)氣相沉積法制備潤滑層5，腔體真空度與步驟(2)中一致，磁控靶關(guān)閉，乙炔流量升高至300sccm，基體偏壓加700v，沉積時間25分鐘。

上述制得的碳基涂層的形貌如圖2所示，顯示薄膜體系厚度約為2.91μm，上下層結(jié)構(gòu)致密度差別明顯，以柱狀晶為主，界面無黏附。

對上述制得的碳基涂層進行如下性能測試：

采用納米壓痕儀測試涂層硬度，結(jié)果如圖3所示，其硬度及彈性模量為12gpa和146gpa。

采用電化學(xué)工作站測試其耐腐蝕性能，結(jié)果如圖4所示，顯示其自腐蝕電流密度約為1e-10/cm²。

圖5為上述制得的碳基涂層的在乳化液環(huán)境中的摩擦系數(shù)測試結(jié)果圖，顯示摩擦系數(shù)為0.06。

以上所述僅為本發(fā)明的說明實施例，在上述說明書的描述中提到的數(shù)值及數(shù)值范圍并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。