CN110373631B - 一种MeCN-催化金属复合涂层、其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MeCN‑催化金属复合涂层、其制备方法与应用。所述MeCN‑催化金属复合涂层包括纳米金属化合物涂层和催化自形成减摩层的催化金属层，所述纳米金属化合物涂层包括MeCN涂层，Me包括Ti、Cr、Mo、Ta、Hf等，所述催化金属层的材质包括Ru、Ni、Ir、Cu、Co、Pt、Ag、Mo等，其物相结构包括硬质纳米金属化合物相和催化元素金属相，所述催化元素金属相均匀分布于纳米金属化合物相表面。所述制备方法包括：在基体表面依次沉积形成纳米金属化合物涂层和催化金属层，之后退火处理。本发明的MeCN‑催化金属复合涂层具有高耐磨性和低摩擦系数等优异性能，且制备工艺简单可控。

Description

一种MeCN-催化金属复合涂层、其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种耐磨润滑涂层，特别涉及一种催化自形成减摩层的MeCN-催化金属复合涂层及其制备方法与应用，属于基体表面防护技术领域。
背景技术
高速列车牵动着国民经济大动脉，要我国社会经济又好又快发展，必须大力发展高速列车。当前国家高速列车发展迅猛，经历六次大提速后，对车体各零部件材料性能要求也随之上升。特别是中国高铁特殊运行环境使其对各零部件材料的疲劳、断裂韧性、焊接接头等综合性能都提出了更高的要求，尤其是我国高温、高湿、沿海等多变的服役环境，材料容易被磨损。磨损是机械零件失效的主要原因之一，有关损失比例数据显示为：45％为磨损、23％为腐蚀、14％为热损坏、18％为其他。故在原基体材料上沉积一种涂层以改善合金材料的摩擦磨损显得尤为必要。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种催化自形成减摩层的MeCN-催化金属复合涂层及其制备方法，从而克服了现有技术中的不足。
本发明的另一目的还在于提供所述MeCN-催化金属复合涂层的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明实施例提供了一种MeCN-催化金属复合涂层，其包括纳米金属化合物涂层和作为减摩层的催化金属层，所述纳米金属化合物涂层包括MeCN涂层，其中Me包括Ti、Cr、Mo、Ta、Hf中的任意一种或两种以上的组合，所述催化金属层的材质包括Ru、Ni、Ir、Cu、Co、Pt、Ag、Mo中的任意一种或两种以上的组合，所述MeCN-催化金属复合涂层的物相结构包括硬质纳米金属化合物相和催化元素金属相，所述催化元素金属相均匀分布于所述纳米金属化合物相表面。
本发明实施例还提供了前述MeCN-催化金属复合涂层的制备方法，其包括：
提供基体；采用物理气相沉积技术在所述基体表面依次沉积形成纳米金属化合物涂层和催化金属层，之后进行退火处理，获得所述MeCN-催化金属复合涂层。
进一步地，所述制备方法包括：
采用多弧离子镀技术，分别以包含Me的靶材和催化金属靶为靶材，以保护性气体、氮气及烃类气体为工作气体，对基体施加负偏压，对包含Me的靶材和催化金属靶施加靶电流，在基体表面依次沉积形成纳米金属化合物涂层、催化金属层，之后进行退火处理，获得所述MeCN-催化金属复合涂层。
本发明实施例还提供了前述的MeCN-催化金属复合涂层在基体表面防护领域中的用途。
本发明实施例还提供了一种装置，包括基体，所述基体上还设置有前述的MeCN-催化金属复合涂层。
较之现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供的催化自形成减摩层的MeCN-催化金属复合涂层利用了MeCN涂层良好的摩擦磨损性能，以及催化金属在退火过程中的催化刻蚀生成类石墨结构，从而达到润滑减摩效果，所获MeCN-催化金属复合涂层具有高耐磨性和低摩擦系数等优异性能，且制备工艺简单可控，成本低廉，具有良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a和图1b分别是本发明实施例1中制备的TiCN-Ni复合涂层的表面形貌图和截面形貌图。
图2是本发明实施例1中制备的TiCN-Ni复合涂层在大气中对SiC球的摩擦系数曲线图。
图3是本发明实施例1中制备的TiCN-Ni复合涂层摩擦磨损轨迹的横截面轮廓图。
图4是本发明对照例1中制备的TiCN涂层在大气中对SiC球的摩擦系数曲线图。
图5是本发明对照例1中制备的TiCN涂层摩擦磨损轨迹的横截面轮廓图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，概括的讲，本申请的技术方案主要是：采用物理气相沉积技术制备含具有催化性能组份的MeCN-催化金属复合涂层，催化组份元素沉积在MeCN涂层表面，层厚度控制在几十纳米，通过改变MeCN沉积过程中的偏压和烃类气体流量等工艺参数得到不同相结构和碳含量的MeCN涂层，后期再对涂层进行退火处理。
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。
作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种MeCN-催化金属复合涂层，其包括纳米金属化合物涂层和作为减摩层的催化金属层，所述纳米金属化合物涂层包括MeCN涂层，其中Me包括Ti、Cr、Mo、Ta、Hf中的任意一种或两种以上的组合，所述催化金属层的材质包括Ru、Ni、Ir、Cu、Co、Pt、Ag、Mo中的任意一种或两种以上的组合，所述MeCN-催化金属复合涂层的物相结构包括硬质纳米金属化合物相和催化元素金属相，所述催化元素金属相均匀分布于所述纳米金属化合物相表面。
在一些优选实施例中，所述MeCN-催化金属复合涂层包括在所述MeCN-催化金属复合涂层厚度方向上交替层叠的纳米金属化合物涂层和催化自形成减摩层的催化金属层。
进一步地，所述MeCN涂层中Me包括Ti、Cr、Mo、Ta、Hf等，但不限于此。
进一步地，所述MeCN涂层的碳含量为2.91～13.55wt％。
进一步地，所述纳米金属化合物涂层总厚度为2.3～2.7μm。
在一些优选实施例中，所述纳米金属化合物涂层包括MeN过渡层和MeCN涂层，所述MeN过渡层形成于所述MeCN涂层和基体之间。
进一步地，所述MeCN涂层的厚度为2.1～2.3μm，所述MeN过渡层的厚度为200～400nm。
进一步地，所述催化金属层具有类石墨结构。
进一步地，所述催化金属层的厚度控制在几十纳米，优选为10～100nm。
进一步地，所述纳米金属化合物相的尺寸为10～30nm，所述催化元素金属相的尺寸为1～5nm。
进一步地，所述MeCN-催化金属复合涂层的摩擦系数范围为0.20～0.26，在空气环境中的磨损率在10-6mm3/Nm数量级。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系前述MeCN-催化金属复合涂层的制备方法，其包括：
提供基体；采用物理气相沉积技术在所述基体表面依次沉积形成纳米金属化合物涂层和催化金属层，之后进行退火处理，获得所述MeCN-催化金属复合涂层。
在一些实施方案中，所述制备方法包括：采用多弧离子镀技术，分别以包含Me的靶材和催化金属靶为靶材，以保护性气体、氮气及烃类气体为工作气体，对基体施加负偏压，对包含Me的靶材和催化金属靶施加靶电流，在基体表面依次沉积形成纳米金属化合物涂层、催化金属层，之后进行退火处理，获得所述MeCN-催化金属复合涂层。
在一些实施方案中，所述制备方法包括：在沉积形成所述催化自形成减摩层的MeCN-催化金属复合涂层的过程中，至少通过控制保护性气体、氮气与烃类气体的流量、转盘转速、温度及沉积时间，实现对所述MeCN-催化金属复合涂层结构的控制。
进一步地，于改变沉积过程中偏压和烃类气体的流量，通过调控偏压、调控氮气与烃类气体的流量控制涂层结构和碳含量。
在一些实施方案中，所述多弧离子镀技术采用的工艺条件包括：反应腔体内真空度为3×10-5～6×10-5mbar，基底盘转速为1～4r/min，施加于所述包含Me的靶材上的靶电流为60A～65A，施加于所述催化金属靶上的靶电流为50A～60A，沉积偏压为-40V～-160V，反应腔体的温度为430℃～450℃。
进一步地，所述包含Me的靶材中Me包括Ti、Cr、Mo、Ta、Hf等，但不仅限于此。
进一步地，所述催化金属靶的材质包括Ru、Ni、Ir、Cu、Co、Pt、Ag或Mo等，但不限于此。
进一步地，所述保护性气体包括惰性气体，尤其优选为氩气，但不限于此。
在一些实施方案中，沉积所述纳米金属化合物涂层的条件包括：保护性气体流量为200sccm～400sccm，氮气流量为300sccm～800sccm，烃类气体流量为50sccm～200sccm，总沉积时间为60min～105min。
在一些实施方案中，所述制备方法还包括：采用多弧离子镀技术，在所述基材上依次沉积MeN过渡层和MeCN涂层，形成所述纳米金属化合物涂层。
进一步地，沉积所述MeN过渡层的条件包括：氮气流量为300sccm～800sccm，沉积时间为15～20min，反应腔体的温度为430℃～450℃，沉积偏压为-40～-160V。
进一步地，沉积所述催化金属层的条件包括：保护性气体流量为200sccm～400sccm，沉积时间为1～4min，反应腔体的温度为430℃～450℃，沉积偏压为-20～-40V。
在一些实施方案中，所述制备方法还包括：先对基体表面进行预处理和活化处理，之后对包含Me的靶材和催化金属靶进行溅射清洗，以及预处理后的基体进行离子刻蚀，再在所述基体表面沉积所述的纳米金属化合物涂层和催化金属层。
其中，在一些更为具体的实施案例之中，所述MeCN-催化金属复合涂层的制备步骤包括：
(1)对待镀的零部件表面进行预处理；
(2)将预处理后的零部件置于真空镀膜设备腔体中，抽真空，真空度到3×10-5～6×10-5mbar，同时进行加热，加热温度为430℃～450℃，高纯Ar为工作气体；
(3)靶材溅射和零部件刻蚀。氩气溅射清洗靶材2～3min，对零部件进行离子刻蚀，刻蚀时间为6～9min；
(4)制备沉积纳米MeCN涂层。采用包含Me的靶材(纯度99.9at.％)，气体采用高纯氮气，通过调控偏压控制涂层结构，通过调控氮气与烃类气体的流量控制涂层碳含量；
(5)制备沉积催化金属层，采用高纯催化金属靶材，气体为氩气；
(6)后期退火处理。
进一步地，在所述镀膜设备中设有相对安置的两组纯Me靶，一组催化金属靶，一组靶材包含三个圆形靶。
进一步地，所述靶材的纯度在99.95％以上。
在一些实施方案中，所述的制备方法还可包括：在交替沉积MeCN层和催化金属层的过程中，MeCN总的沉积时间不变，目的是得到复合多层涂层。
进一步地，步骤(1)所述的预处理指对零部件表面清理或喷砂处理。其中表面清理是用砂纸对零部件表面进行打磨处理，以去除表面的油污、杂质和锈蚀。最终保证低的表面粗糙度。最后分别用丙酮和酒精等进行超声清洗2次以上，直到洗干净为止。
进一步地，待镀膜基体材料放置于腔体中后，设备开始抽加热和抽真空，待温度和真空度达到设定值430℃～450℃和3×10-5～6×10-5mbar，程序自动进行靶材清洗阶段。
进一步地，所述的活化处理包括：将合金基体材料材置于镀膜设备真空腔体中，将真空腔体内的温度升至430℃～450℃，并同时对所述镀膜设备真空腔体进行抽真空至3×10-5～6×10-5mbar，之后通入氩气等保护性气体，流量为50～100sccm，且对基体施加-900V～-1200V的偏压，从而引导氩离子对活塞环母材表面进行轰击活化，总时间为6～9min。
在一些实施例中，所述溅射清洗阶段需要使用挡板对反应腔体进行阻隔保护，清洗时间为2～3min。对零部件进行离子刻蚀时依次使用-900V、-1100V和-1200V的偏压，每次刻蚀时间为2～3min。清洗零部件和靶材时选用氩气等惰性气体作为工作气体。
进一步地，靶材清洗参数有：时间为2～3min，温度为430℃～450℃，偏压为-300～-500V，工作气体流量为200～300sccm。
进一步地，所述离子刻蚀采用的偏压为-900V～-1200V，刻蚀时间为6～9min。
进一步地，步骤(4)、(5)所述的沉积MeCN涂层和催化金属层，参数包含沉积时间、温度、偏压和气体流量等。
在一些实施例中，所述的制备方法还可包括：在沉积形成所述MeCN-催化金属复合涂层过程结束之后，设备程序自动终止，基板进入冷却阶段，冷却过程在氩气气氛中完成，将所述反应腔体内的温度降至200℃以下，随后充入氮气炉冷却至100℃以下，优选为室温～100℃，之后取出沉积有所述MeCN-催化金属复合涂层的基体，随后空冷至室温。
在一些实施例中，所述的制备方法包括：在保护性气氛下，将沉积有所述MeCN-催化金属复合涂层的基体于500～1000℃退火处理10～60min，以形成减摩层。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系由前述方法制备的MeCN-催化金属复合涂层。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系前述的MeCN-催化金属复合涂层在基体表面防护领域中的用途。
进一步地，所述基体包括高铁零部件、车身用铝合金、转向架用钢、钛合金或不锈钢等中的任意一种，但不限于此。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系一种装置，包括基体，所述基体上还设置有前述的MeCN-催化金属复合涂层。
进一步地，所述基体包括高铁零部件、车身用铝合金、转向架用钢、钛合金或不锈钢等中的任意一种，但不限于此。
综上，藉由上述技术方案，本发明提供的催化自形成减摩层的MeCN-催化金属复合涂层利用了MeCN涂层良好的摩擦磨损性能，以及催化金属在退火过程中的催化刻蚀生成类石墨结构，从而达到润滑减摩效果，所获MeCN-催化金属复合涂层具有高耐磨性和低摩擦系数等优异性能，且制备工艺简单可控，成本低廉，具有良好的应用前景。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件。
实施例1
本实施例中一种催化自形成减摩层的MeCN-催化金属复合涂层的制备方法，采用物理气相沉积技术，实验参数变量为偏压，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样、转向架用钢和不锈钢表面进行机械抛光处理至镜面，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，加热同时进行抽真空，待真空度达到6×10-5mbar，加热温度为450℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材2min，偏压为-400V，工作气体流量为250sccm，对样品进行离子刻蚀6min，离子刻蚀采用的偏压为-900V。
(4)制备催化自形成减摩层的TiCN-Ni复合涂层。采用Ti靶和Ni靶(纯度99.9at.％)，Ti靶电流为65A，Ni靶电流为55A，基底盘转速为1r/min，气体采用高纯氮气和乙炔，沉积TiCN涂层过程中氮气流量为800sccm，乙炔流量为50sccm，偏压为-100V，所对应总沉积时间为105min，温度为450℃；沉积Ni层氩气流量为400sccm，偏压为-20V，时间为1min，温度为450℃。
(5)后期热处理包括：在氩气气氛中，500℃下保持30min，以形成减摩层。
图1a和图1b分别是本实施例中制备的TiCN-Ni复合涂层的表面和截面形貌，可见涂层表面存在少量颗粒，涂层厚度在2.5μm左右。本实施例中制备的TiCN-Ni复合涂层在大气中对SiC球的摩擦系数如图2所示，摩擦系数稳定在较低值0.237。本实施例中制备的TiCN-Ni复合涂层摩擦磨损轨迹的横截面轮廓图如图3所示，可积分得到磨痕截面积，通过计算得到磨损率。涂层展现出较低的磨损率1.71×10-6mm3/Nm。
实施例2
本实施例中一种催化自形成减摩层的MeCN-催化金属复合涂层的制备方法，采用物理气相沉积技术，实验参数变量为气氛。Me选用Ti元素，催化金属选用Ni，涂层总厚度为2.5μm，本实施例中制备的TiCN-Cu复合涂层在大气中对SiC球的摩擦系数稳定在0.233。本实施例中制备的TiCN-Cu复合涂层展现出较低的磨损率1.99×10-6mm3/Nm。涂层制备主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样、转向架用钢和不锈钢表面进行机械抛光处理至镜面，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，加热同时进行抽真空，待真空度达到5×10-5mbar，加热温度为430℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材2min，偏压为-300V，工作气体流量为200sccm，对样品进行离子刻蚀8min，离子刻蚀采用的偏压为-1200V。
(4)制备催化自形成减摩层的TiCN-Ni复合涂层。采用Ti靶和Ni靶(纯度99.9at.％)，Ti靶电流为60A，Ni靶电流为50A，基底盘转速为2r/min，气体采用高纯氮气和乙炔，沉积TiCN涂层过程中氮气流量为700sccm，偏压为-40V，乙炔流量为200sccm，所对应总沉积时间为60min，温度为430℃；沉积Ni层氩气流量为300sccm，偏压为-30V，时间为2min，温度为430℃。
(5)后期热处理包括：在氩气气氛中，800℃下保持60min，以形成减摩层。
实施例3
本实施例中一种催化自形成减摩层的MeCN-催化金属复合涂层的制备方法，采用物理气相沉积技术，Me选用Ti元素，催化金属选用Cu，涂层总厚度为2.4μm，本实施例中制备的TiCN-Cu复合涂层在大气中对SiC球的摩擦系数稳定在0.211。本实施例中制备的TiCN-Cu复合涂层展现出较低的磨损率2.30×10-6mm3/Nm。涂层制备主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样、转向架用钢和不锈钢表面进行机械抛光处理至镜面，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，加热同时进行抽真空，待真空度达到3×10-5mbar，加热温度为440℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材3min，偏压为-500V，工作气体流量为300sccm，对样品进行离子刻蚀9min，离子刻蚀采用的偏压为-1000V。
(4)制备催化自形成减摩层的TiCN-Cu复合涂层。采用Ti靶和Cu靶(纯度99.9at.％)，Ti靶和Cu靶电流分别为63A和60A，基底盘转速为4r/min，气体采用高纯氮气和乙炔，沉积TiCN涂层过程中氮气流量为300sccm，乙炔流量为100sccm，偏压为-160V，所对应总沉积时间为90min，温度为440℃；沉积Cu层氩气流量为200sccm，偏压为-40V，时间为4min，温度为440℃。
(5)后期热处理包括：在氩气气氛中，1000℃下保持10min，以形成减摩层。
实施例4
本实施例中一种催化自形成减摩层的MeCN-催化金属复合涂层的制备方法，采用物理气相沉积技术，Me选用Mo元素，催化金属选用Ni，涂层总厚度为2.6μm，本实施例中制备的MoCN-Ni复合涂层在大气中对SiC球的摩擦系数稳定在0.256。本实施例中制备的MoCN-Ni复合涂层展现出较低的磨损率3.13×10-6mm3/Nm。涂层制备主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样、转向架用钢和不锈钢表面进行机械抛光处理至镜面，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，加热同时进行抽真空，待真空度达到3×10-5mbar，加热温度为440℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材3min，偏压为-500V，工作气体流量为300sccm，对样品进行离子刻蚀9min，离子刻蚀采用的偏压为-1000V。
(4)制备催化自形成减摩层的MoCN-Ni复合涂层。采用Mo靶和Ni靶(纯度99.9at.％)，Mo靶和Ni靶电流分别为64A和52A，基底盘转速为4r/min，气体采用高纯氮气和乙炔，沉积MoCN涂层过程中氮气流量为300sccm，乙炔流量为100sccm，偏压为-160V，所对应总沉积时间为90min，温度为430℃；沉积Ni层氩气流量为200sccm，偏压为-40V，时间为4min，温度为440℃。
(5)后期热处理包括：在氩气气氛中，1000℃下保持10min，以形成减摩层。
对照例1
本实施例中一种MeCN涂层的制备方法，采用物理气相沉积技术，Me选用Ti元素，涂层总厚度为2.5μm，本实施例中制备的TiCN涂层在大气中对SiC球的摩擦系数稳定在0.408。本实施例中制备的TiCN涂层展现出的磨损率11.3×10-6mm3/Nm。涂层制备主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样、转向架用钢和不锈钢表面进行机械抛光处理至镜面，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，加热同时进行抽真空，待真空度达到6×10-5mbar，加热温度为450℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材2min，对样品进行离子刻蚀6min。
(4)沉积TiCN涂层。采用Ti靶(纯度99.9at.％)，Ti靶电流为65A，气体采用高纯氮气和乙炔，沉积TiCN涂层过程中氮气流量为800sccm，乙炔流量为50sccm，偏压为-40V～-160V，所对应总沉积时间为60～105min，温度为450℃。
本对照例所获TiCN涂层在大气中对SiC球的摩擦系数曲线图可参见图4，TiCN涂层摩擦磨损轨迹的横截面轮廓图可参见图5。由图4-图5可知，对照例所获TiCN涂层的耐磨性及摩擦系数均不如本发明的上述实施例。
综上所述，本发明的MeCN-催化金属复合涂层具有高耐磨性和低摩擦系数等优异性能，且制备工艺简单可控，成本低廉，具有良好的应用前景。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。
除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。
应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (29)

1.一种MeCN-催化金属复合涂层，其特征在于包括纳米金属化合物涂层和催化自形成减摩层的催化金属层，所述纳米金属化合物涂层包括MeCN涂层，其中Me包括Ti、Cr、Mo、Ta、Hf中的任意一种或两种以上的组合，所述催化金属层的材质包括Ru、Ni、Ir、Cu、Co、Pt、Ag、Mo中的任意一种或两种以上的组合，所述MeCN-催化金属复合涂层的物相结构包括硬质纳米金属化合物相和催化元素金属相，所述催化元素金属相均匀分布于所述纳米金属化合物相表面，所述催化金属层在退火过程中催化刻蚀生成类石墨结构。
2.根据权利要求1所述的MeCN-催化金属复合涂层，其特征在于：所述MeCN-催化金属复合涂层包括在所述MeCN-催化金属复合涂层厚度方向上交替层叠的纳米金属化合物涂层和催化自形成减摩层的催化金属层。
3.根据权利要求1所述的MeCN-催化金属复合涂层，其特征在于：所述纳米金属化合物涂层总厚度为2.3~2.7μm。
4.根据权利要求1所述的MeCN-催化金属复合涂层，其特征在于：所述MeCN涂层的碳含量为2.91~13.55wt%。
5.根据权利要求1所述的MeCN-催化金属复合涂层，其特征在于：所述纳米金属化合物涂层包括MeN过渡层和MeCN涂层，所述MeN过渡层形成于所述MeCN涂层和基体之间。
6.根据权利要求5所述的MeCN-催化金属复合涂层，其特征在于：所述MeCN涂层的厚度为2.1~2.3μm，所述MeN过渡层的厚度为200~400 nm。
7.根据权利要求1所述的MeCN-催化金属复合涂层，其特征在于：所述催化金属层的厚度为10~100nm。
8.根据权利要求1所述的MeCN-催化金属复合涂层，其特征在于：所述纳米金属化合物相的尺寸为10 ~30nm，所述催化元素金属相的尺寸为1~5nm。
9.根据权利要求1所述的MeCN-催化金属复合涂层，其特征在于：所述MeCN-催化金属复合涂层的摩擦系数为0.20~0.26，在空气环境中的磨损率在10-6mm3/Nm数量级。
10.如权利要求1-9中任一项所述的MeCN-催化金属复合涂层的制备方法，其特征在于包括：提供基体；采用物理气相沉积技术在所述基体表面依次沉积形成纳米金属化合物涂层和催化金属层，之后进行退火处理，获得所述MeCN-催化金属复合涂层。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于包括：
采用多弧离子镀技术，分别以包含Me的靶材和催化金属靶为靶材，以保护性气体、氮气及烃类气体为工作气体，对基体施加负偏压，对包含Me的靶材和催化金属靶施加靶电流，在基体表面依次沉积形成纳米金属化合物涂层、催化金属层，之后进行退火处理，获得所述MeCN-催化金属复合涂层。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述多弧离子镀技术采用的工艺条件包括：反应腔体内真空度为3×10-5~6× 10-5 mbar，基底盘转速为1~4 r/min，施加于所述包含Me的靶材上的靶电流为60A~65A，施加于所述催化金属靶上的靶电流为50A~60A，沉积偏压为-40V~-160V，反应腔体的温度为430℃~450℃。
13.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：所述包含Me的靶材中Me包括Ti、Cr、Mo、Ta或Hf。
14.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：所述催化金属靶的材质包括Ru、Ni、Ir、Cu、Co、Pt、Ag或Mo。
15.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：所述保护性气体包括惰性气体。
16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于：所述保护性气体为氩气。
17.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：沉积所述纳米金属化合物涂层的条件包括：保护性气体流量为200sccm~400sccm，氮气流量为300sccm~800sccm，烃类气体流量为50sccm~200sccm，总沉积时间为60min~105min。
18.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于还包括：采用多弧离子镀技术，在所述基体上依次沉积MeN过渡层和MeCN涂层，形成所述纳米金属化合物涂层；
其中，沉积所述MeN过渡层的条件包括：氮气流量为300sccm~800sccm，沉积时间为15~20min，反应腔体的温度为430℃~450℃，沉积偏压为-40~ -160V。
19.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，沉积所述催化金属层的条件包括：保护性气体流量为200sccm~400sccm，沉积时间为1~4min，反应腔体的温度为430℃~450℃，沉积偏压为-20~ -40V。
20.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于还包括：先对基体表面进行预处理和活化处理，之后对包含Me的靶材和催化金属靶进行溅射清洗，以及预处理后的基体进行离子刻蚀，再在所述基体表面沉积所述的纳米金属化合物涂层和催化金属层。
21.根据权利要求20所述的制备方法，其特征在于：所述预处理包括表面清理处理和/或喷砂处理，所述表面清理处理包括以砂纸对所述基体表面进行打磨处理，之后进行超声清洗。
22.根据权利要求20所述的制备方法，其特征在于，所述活化处理包括：将预处理后的基体置于反应腔体中，将反应腔体内的温度升至430℃~450℃，并同时对所述反应腔体进行抽真空至3×10-5~6×10-5 mbar，以保护性气体作为工作气体，且对基体施加-900V～-1200V的偏压，从而对基体表面轰击活化6~9 min，所述保护性气体流量为50~100sccm。
23.根据权利要求20所述的制备方法，其特征在于：所述溅射清洗包括采用挡板对所述反应腔体进行阻隔，所述溅射清洗的时间为2~3 min，温度为430℃~450℃，偏压为-300~-500 V，工作气体流量为200~300 sccm，所述溅射清洗的工作气体为惰性气体。
24.根据权利要求20所述的制备方法，其特征在于：所述离子刻蚀采用的偏压为-900V～-1200V，刻蚀时间为6~9 min。
25.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于还包括：在沉积形成所述MeCN-催化金属复合涂层之后，将所述反应腔体内的温度降至200℃以下，随后冷却至100℃以下，之后取出沉积有所述MeCN-催化金属复合涂层的基体。
26.根据权利要求25所述的制备方法，其特征在于还包括：在沉积形成所述MeCN-催化金属复合涂层之后，将所述反应腔体内的温度降至200℃以下，随后冷却至室温～100℃，之后取出沉积有所述MeCN-催化金属复合涂层的基体。
27.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于包括：在保护性气氛下，将沉积有所述MeCN-催化金属复合涂层的基体于500~1000℃退火处理10~60min。
28.权利要求1-9中任一项所述的MeCN-催化金属复合涂层在基体表面防护领域中的用途。
29.根据权利要求28所述的用途，其特征在于：所述基体包括高铁零部件、车身用铝合金、转向架用钢、钛合金或不锈钢中的任意一种。
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