[发明专利]一种基体表面的固体润滑复合涂层及其制备方法有效

专利信息
申请号: 201510519542.4 申请日: 2015-08-21
公开(公告)号: CN106467959B 公开(公告)日: 2019-09-13
发明(设计)人: 王永欣;姜欣;李金龙;鲁侠;陈建敏;薛群基 申请(专利权)人: 中国科学院宁波材料技术与工程研究所
主分类号: C23C14/32 分类号: C23C14/32;C23C14/06
代理公司: 宁波元为知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 33291 代理人: 单英
地址: 315201 浙江*** 国省代码: 浙江;33
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摘要:
搜索关键词: 复合涂层 基体表面 反应气体 固体润滑 多弧离子镀 自润滑特性 大气环境 防护作用 工作气体 摩擦系数 硬质涂层 低磨损 高磨损 高摩擦 高硬度 磨损率 纳米晶 润滑相 硬质相 靶材 沉积 高纯 制备 体能 金属 调控 应用
【说明书】:

本发明提供一种基体表面的固体润滑复合涂层。该复合涂层是由硬质相纳米晶CrC与润滑相a‑C组成,形成CrC/a‑C复合涂层,不仅保持了CrC硬质涂层高硬度、低磨损的特点,同时具有a‑C材料优异的自润滑特性。本发明采用多弧离子镀技术,以金属Cr为靶材,以高纯Ar为工作气体,C2H2为反应气体,在基体表面沉积该CrC/a‑C复合涂层,能够通过控制Cr靶电流与反应气体C2H2流量而调控复合涂层中CrC相与a‑C相的含量。该复合涂层的硬度高达31GPa,磨损率达10‑16m3/N·m量级,在大气环境中的摩擦系数低至0.2以下,对在高磨损、高摩擦环境下作业的基体能起到良好的防护作用,具有很好的应用价值。

技术领域

本方法属于基体表面处理技术领域,尤其涉及一种基体表面的固体润滑复合涂层及其制备方法。

背景技术

碳化铬具有高硬度、高熔点、高弹性模量、耐化学腐蚀以及耐磨损等优良性能,是一种广泛应用的金属碳化物。碳化铬通常包括正交Cr3C2(Pnma)、正交Cr7C3(Pnma)和立方Cr23C6(Fm-3m)三种稳定晶型。由于它们具有优异的防护性能以及与钢材非常接近的热膨胀系数,因而通常作为表面涂层,在刀具、模具、叶片等领域发挥着重要作用。

在基材表面沉积碳化铬涂层的常用方法有热喷涂、激光熔覆、物理气相沉积、化学气相沉积、热扩散等。例如周权等在申请号为201410276019.9的中国发明专利文献中采用等离子体喷涂制备高硬度、低孔隙率的镍铬-碳化铬涂层。贺春林等在申请号为201010578903.X的中国发明专利文献中采用激光熔覆的方法,原位合成以Cr3C2为主要增强相的镍铬-碳化铬涂层。吴守军等在申请号为201310323593.0与201310703710.6的中国发明专利文献中采用化学气相沉积方法在碳钢表面制备碳化铬涂层,并通过控制化学气相沉积的温度和时间实现碳钢表面碳化铬涂层的晶型控制。Esteve J等人针对模具钢表面耐磨减摩需求,采用真空阴极弧物理蒸发技术在表面沉积碳化铬涂层。Su Y L等人针对硬质合金工具钢表面耐磨需求,采用磁控溅射制备CrxC耐磨涂层,对涂层与未涂层钻头通过在印刷电路板钻孔实验证实,具有Cr50%C涂层的钻头使用寿命比未涂层的提高15倍。

但是,这些制备涂层的方法存在一定的不足之处。热喷涂一般是喷涂高温的熔融物或者半熔融物,所以会在基体的表面引起较大的热残余应力,这对于涂层和界面的结合有不利影响;热喷涂涂层孔隙率比较高且热喷涂涂层表面粗糙,对于表面粗糙度有要求的表面往往需要二次加工,加工难度大、成本高;另外,热喷涂一般只能进行直线喷涂,所以并不适合复杂形状,特别是内腔的涂覆。激光熔覆法在激光辐照下形成的熔池区域会形成很高的温度梯度,使得涂层内有很大的残余热应力极易导致涂层的开裂。化学气相沉积需要在较高温度下进行,对基材有一定限制,对气氛要求严格,沉积速率慢。

相比而言,多弧离子镀技术沉积涂层有以下优势:(1)沉积温度较低,对基材限制少;(2)金属离化率高,粒子流密度大、能力高,涂层结合力好;(3)有较好的绕镀性,有利于复杂形状的表面镀膜。但是,目前基于多弧离子镀技术制备碳化铬涂层却鲜有报道。

此外,碳化铬是硬质相,其摩擦系数较高,单一相的碳化铬涂层很难满足一些有润滑需求的机械部件表面的防护,比如轴承、活塞环、齿轮等。已有研究表明,碳化铬耐磨涂层的摩擦系数可以通过引入其他元素优化,实现耐磨自润滑特点,如通过引入润滑剂银和BaF2-CaF2共晶等可以制备自润滑涂层,大幅降低等离子喷涂碳化铬涂层的磨损,提高耐磨性。例如,张佳平、王路等利用超音速喷涂技术,在航空发动机的刷封式严系统的表面喷涂含有氟化钙、氟化钡的碳化铬/镍铬自润滑耐磨涂层,检测得出封严系统耐风热震循环次数达到1000次以上,摩擦系数最大不超过0.15。

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