CN113073293A - 一种改善e690钢摩擦学性能的结构及方法 - Google Patents

一种改善e690钢摩擦学性能的结构及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113073293A
CN113073293A CN202110267134.XA CN202110267134A CN113073293A CN 113073293 A CN113073293 A CN 113073293A CN 202110267134 A CN202110267134 A CN 202110267134A CN 113073293 A CN113073293 A CN 113073293A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
target
steel
wear
corrosion resistance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110267134.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113073293B (zh
Inventor
王建波
苏波泳
李天乐
徐影
郭东军
张森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nantong University
Original Assignee
Nantong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nantong University filed Critical Nantong University
Priority to CN202110267134.XA priority Critical patent/CN113073293B/zh
Publication of CN113073293A publication Critical patent/CN113073293A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113073293B publication Critical patent/CN113073293B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/04—Hardening by cooling below 0 degrees Celsius
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036—Reactive sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0664—Carbonitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/18—Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C23C14/352—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering using more than one target
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5806—Thermal treatment

Abstract

本发明公开了一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能的结构及方法，属于表面改性技术领域，该结构以E690钢为基体，基体上沉积有多层复合薄膜，多层复合薄膜包括从内到外设置的打底层、梯度层、支承层和耐磨防腐层，打底层、梯度层和支承层的微硬度从内之外逐层增加，支承层的微硬度大于打底层的微硬度，且支承层与耐磨防腐层的微硬度相同。该方法包括以下过程：将基体材料经过热处理以及粗、精加工后，采用等离子增强磁控溅射技术沉积多层膜，然后经过磁控溅射技术沉积表面膜，最后在真空退火炉中对镀膜后E690钢进行退火。本发明的方法所制得的多层复合薄膜与E690钢基体结合良好，具有较低的摩擦系数及良好的抗磨耐腐蚀性能。

Description

一种改善E690钢摩擦学性能的结构及方法
技术领域
本发明属于表面改性技术领域，具体涉及一种改善E690钢摩擦学性能的结构及方法。
背景技术
作为重要的海工用钢，E690钢服役条件苛刻，在重载抬升机构中极易发生摩擦、磨损与应力腐蚀，影响机构安全和服役寿命，在海工平台装备中有许多运转件，如在海洋环境中服役的齿轮、阀门、泵及重载抬升中的关键零部件，在使用过程中极易发生摩擦磨损。因此，运用技术手段提高E690钢整体性能十分重要。
多弧离子镀薄膜因其具有高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性等许多优点受到人们的广泛关注，已经广泛应用于电子业、机械业及材料成型模具及装饰等领域中。研究表明，应用多弧离子镀涂覆硬质涂层，虽然一定程度上可以改善零部件耐磨性，延长使用寿命，但是由于多弧离子镀技术本身的特点，薄膜之中会出现液滴和大颗粒。而液滴和大颗粒的形成，会影响薄膜的耐磨性能及抗腐蚀性能。这种硬质膜能否适配E690钢，进而提高其摩擦学性能及腐蚀性能，国内外对此鲜有报道。因此，研究硬质薄膜对E690钢性能的影响具有十分积极的意义。
E690钢的基体为铁素体和渗碳体叠加的复相组织，基体相为片状珠光体，具有良好的塑性和韧性，但硬度不高，容易磨损，表面加工缺陷如裂纹、孔隙更是会加剧基体腐蚀，造成构件失效。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在问题或不足，本发明提供一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构及方法。
为实现上述发明目的，本发明的实施例提供一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，E690钢为基体，其创新点在于，所述基体上沉积有多层复合薄膜，所述多层复合薄膜包括从内到外设置的打底层、梯度层、支承层和耐磨防腐层，其中，所述打底层、梯度层和支承层的微硬度从内之外逐层增加，所述支承层的微硬度大于打底层的微硬度，且所述支承层与耐磨防腐层的微硬度相同。
进一步的，所述打底层、梯度层和支承层的微硬度等间距的变化，所述打底层的微硬度为1200HV，所述梯度层的微硬度为2300HV，所述支承层的微硬度为3400HV。
进一步的，所述梯度层与支承层之间设置有第一过渡层，所述支承层与耐磨防腐层设置有第二过渡层。
优选的，所述打底层、第一过渡层或第二过渡层均设置为Ti+层或Cr+层；所述梯度层设置为TiN层或CrN层；所述支承层均设置为TiCN层或TiAlN 层；所述耐磨防腐层均设置为TiCrAlN层。
进一步的，所述打底层的沉积厚度均为0.3～0.6um；所述支承层的沉积厚度为0.8～1.2um；所述耐磨防腐层的沉积厚度为1.2～1.8um。
进一步的，所述基体设置为经一次或多次深冷处理后的E690钢。
优选的，所述第一过渡层或第二过渡层的沉积厚度均为0.3～0.6um。
进一步的，所述梯度层设置为TiN或CrN层，所述所述TiN层具体设置为TiaNb，其中，a＝45～60，b＝45～60，a+b＝100；所述CrN层具体设置为CraNb，其中，a＝45～60，b＝45～60，a+b＝100。
进一步的，所述支承层均设置为TiCN或TiAlN层；所述TiAlN层具体设置为TiaAlbNc，其中，a＝50～70，b＝30～50，c＝30～50，a+b+c＝100；TiCN具体设置为TiaCbNc，其中，a＝50～70，b＝30～50，b＝30～50，a+b+c＝100。
进一步的，所述耐磨防腐层设置为TiAlCrN层，所述TiAlCrN层具体设置为TiaAlbCrcNd，其中，a＝50～70，b＝30～50，c＝30～50，d＝30～50， a+b+c+d＝100。
本发明的实施例还提供一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、零件基体加工过程：对E690钢毛坯依次进行正火、粗加工、时效处理、半精加工、表面淬火、精加工；
S2、零件预处理过程：对步骤S1所制备的E690钢零件基体进行除油、喷砂处理，去除表面油污、氧化物及毛刺，采用无水乙醇和酒精在超声波清洗中各清洗15-20min，最后吹风干燥；
S3、表面活化Ar+清洗过程：将真空度降至5.0×10-3Pa以下，工作气压为 0.3～0.5Pa，直流偏压150V，脉冲偏压500～700V，占空比50％，开启热阴极离子柱弧，电流为150～190A，Ar+清洗30～40min；
S4、沉积打底层过程，即Ti+或Cr+层：Ar+清洗之后，开精抽阀5min，打开Ti靶挡板或Cr+靶挡板，压强调至0.4～0.8Pa，轰击5mins～10min，直流偏压150V，脉冲偏压250～320V，占空比12％～30％，弧电流90-140A；沉积厚度为0.3～0.6um；
S5、TiN或CrN镀梯度层过程：通入N2，流量0～30sccm，控制N2气流量阶梯式上升，保持工作压强0.5～1.5Pa，沉积时间40min，沉积厚度约为0.3～ 0.6um；
S6、在S5基础上镀Ti+或Cr+层，即第一过渡层：工艺参数同S4；
S7、TiCN或TiAlN镀支承层过程：沉积TiCN时，打开Ti靶，弧电流 80-110A，控制N2流量为50～100sccm，沉积TiAlN时，控制N2流量为60～ 100sccm，打开Ti靶、Al靶，弧电流120-170A，沉积时间1～1.5h；沉积厚度为0.8～1.6um；
S8、在S7基础上镀Ti+或Cr+层，即第二过渡层：工艺参数同S4；
S9、镀耐磨防腐层：磁控溅射镀膜以磁控溅射TiAlCrN薄膜，使用3靶共溅射：Ti靶、Al靶、Cr靶，其中Ti靶、铝靶使用直流电源，每个试样的钛靶溅射功率(240V、0.8A，)铝靶溅射功率(270V，0.8A)，Cr靶使用射频电源，本底真空＜8.0×10-4Pa，工作气压1Pa，氩气分压和氮气分压均为0.3Pa和 0.5Pa，基体负偏压为100V，基体温度为300℃，沉积时间120min；铬靶功率电压为460V，电流为0.22A，沉积厚度为1.2～1.8um，镀膜结束后关闭各靶电源、离子源及气体源，涂层结束；
S10：真空退火：对箱式气氛炉进行氩气冲洗，退火时保持炉内氩气压力为0.05Mpa，退火升温速度为15℃/min，保温3-4h，最后随炉冷却。
进一步的，所述步骤S1中基体在淬火后进行一次或多次深冷处理过程，以达到不同程度性能的提高。
优选的，所述步骤S1中的基体在淬火后进行三次深冷处理过程，以获得最优耐磨、抗腐蚀性能。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)本发明将基体材料经过热处理以及粗、精加工后，采用等离子增强磁控溅射技术(PEMS)沉积多层膜(打底层、梯度层和支承层)，然后经过磁控溅射PVD技术沉积表面膜(耐磨防腐层)，最后在真空退火炉中对镀膜后 E690钢进行退火；将离子镀膜技术与磁控溅射技术及真空热处理技术相结合，制得的多层复合薄膜与E690钢基体结合良好，E690基体表面尺寸和形状精度不受影响，多层复合薄膜具有良好的韧性及表面硬度，较低的摩擦系数及良好的抗磨耐腐蚀性能，本发明的实施例通过摩擦磨损试验机验证了多层复合薄膜后的E690钢样块耐磨性能明显优于未覆膜的E690钢样块；同时，通过采用电化学工作站测量镀膜前后的极化曲线，测得镀膜前后腐蚀电流和腐蚀电位，验证了多层复合薄膜后的E690钢样块耐腐蚀性能明显优于未覆膜的E690钢样块。
(2)本发明的多层复合薄膜结构为(Ti、Cr)/(TIN、CrN)/(TiCN、 TiAlN)/TiCrAlN。多层复合薄膜的第一层为Ti或Cr，作为打底层，其弹性模量、热导率、线膨胀系数介于E690基体与复合膜系之间，可减小基体膜系界面应力，提高膜基结合力。在沉积过程中，真空室温度约为300-400℃，E690 钢中含有一定量游离状态的C，这部分C有利于与Ti+与N+结合生成碳氮化物，在较高镀膜温度与离子轰击下，打底层Ti或Cr元素有向基体扩散趋势，同样E690钢所含金属元素，如Ni、Mo等也向薄膜中扩散，并与E690钢基体发生相互熔渗，与基体呈冶金结合有利于复合膜/E690钢相互结合。多层复合薄膜的第二层结构为TiN或CrN，作为梯度层，其硬度比打底层略高，起到调和上下层界面应力作用。多层复合薄膜的第三层结构为TiAlN或TiCN，TiCN硬度与耐磨性较好，其硬度更高，支承层的目的是加硬底层，获得更加耐磨的膜层，为TiCrAlN膜层提供硬支承。多层复合薄膜的最后一层为耐腐蚀层 TiCrAlN，其硬度比第三层硬度略高，抗腐蚀能力更强，作为最外层，可以有效降低E690钢摩擦系数，提供其抗磨损抗腐蚀能力。
(3)本发明的多层复合薄膜的各膜层之间沉积Ti或Cr作为过渡层(即第一过渡层及第二过渡层)，有利于减小各膜层之间的界面应力。膜系逐层过渡较好，膜层内部没有明显的应力产生，这样在施加外力的情况下，所镀的膜层不会因为内部的应力缺陷导致失效。
(4)本发明的多层复合薄膜中支承层(约3400HV)硬度比梯度层(约 2300HV)硬度高40％-60％，耐磨防腐层(约3500HV)硬度比支承层(约 3400HV)硬度高5％以内。
(5)本发明的基底采用深冷处理后E690钢，这种深冷处理后的E690钢硬度得到提高。对于硬质薄膜来说，基体的硬度越高，在载荷的作用下越不容易发生塑性变形，从而对薄膜起到一个强的支撑作用，延缓了由于基体塑性变形所造成的薄膜过早撕裂和剥落，提高膜基结合力。
附图说明
图1为本发明的E690钢及多层复合薄膜的结构示意图；
图2为本发明的多层复合薄膜制备工艺流程图；
图3为本发明的实施例中镀膜前后E690钢摩擦因数随时间变化曲线图；
图4为本发明的实施例中镀膜前后E690钢与陶瓷球(Si3N4)磨损后形貌图，其中，图4(a)为镀膜前E690钢与陶瓷球(Si3N4)磨损后形貌图；图4(b) 为镀膜后E690钢与陶瓷球(Si3N4)磨损后形貌图。
附图标记说明：1、基体；12、打底层；2、梯度层；23、第一过渡层；3、支承层；34、第二过渡层；4、耐磨防腐层。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
本发明的基底为E690高强钢，E690高强钢材料参数如表1所示。
表1 E690高强钢化学成分(％)与部分力学性能
Figure RE-GDA0003088359340000051
本发明采用如图2流程图所示的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的方法，对E690钢表面进行沉积有多层复合薄膜，多层复合薄膜的具体结构包括设置在基体1上方的打底层12(Ti+层或Cr+层)，微硬度1200HV；梯度层2(TiN或CrN)，微硬度2300HV；第一过渡层23(Ti+层或Cr+层)，支承层3(TiCN或TiAlN)，微硬度3400HV，沉积厚度为0.8～ 1.2um；打底层12、梯度层2、支承层3的微硬度从内到外逐层增加，第二过渡层34(Ti+层或Cr+层)，耐磨防腐层4(TiCrAlN)，沉积厚度为1.2～1.8um，微硬度3400HV，其中，支承层3、耐磨防腐层4硬度相同。
实施例一
膜层结构为由内之外设置的Ti/TiN/TiCN/TiCrAlN，总沉积厚度为2.5um， Ti层：打开Ti靶，控制工作压强0.5Pa，脉冲偏压300V，占空比20％，弧电流100A；TiN层：控制工作总压强0.8Pa，Ti靶电流120A，N2流量30sccm； TiCN层：打开Ti靶，弧电流110A，控制N2流量为80sccm，C2H2流量为100sccm； TiCrAlN层：3靶共溅射：Ti靶、Al靶使用直流电源，Cr靶使用射频电源，本底真空5.0×10-4Pa，工作气压0.9Pa左右，氩气分压和氮气分压均为0.4Pa 和0.5Pa，基体负偏压为100V，基体温度为300℃，退火时保持炉内Ar压力为0.05Mpa，退火升温速度为15℃/min，保温2h，随炉冷却。
采用TBT-M5000摩擦磨损试验机进行测试，陶瓷球(Si3N4)直径10mm，磨损时间20min，试验形式为球盘往复试验，润滑形式为干摩擦，测试环境：温度20℃；湿度50％；大气压1atm；试验负载7.5N；往复行程5mm；往复频率2Hz。
未镀膜试样摩擦系数约为0.2，镀膜后下降为0.12左右，镀膜前摩擦系数波动较大，镀膜后较稳定。采用电子秤对两种试样磨损前后进行称重，未镀膜试样质量损失平均为0.25g，镀膜后质量损失平均为0.10g，可见镀膜使得E690 钢更加耐磨，同时摩擦副之间摩擦系数减小，具体如图3所示。
实施例二
膜层结构为由内之外设置的Cr/CrN/TiAlN/TiCrAlN，总沉积厚度为3.0um， Cr层：打开Cr靶，控制工作压强0.5Pa，脉冲偏压300V，占空比20％，弧电流100A；CrN层：控制工作总压强0.8Pa，Cr靶电流100A，N2流量25sccm；TiAlN层：打开Ti靶、Al靶，弧电流80A，控制N2流量为30sccm，TiCrAlN 层：3靶共溅射：Ti靶、Al靶使用直流电源，Cr靶使用射频电源，本底真空 5.0×10-4Pa，工作气压0.9Pa左右，氩气分压和氮气分压均为0.4Pa和0.5Pa，基体负偏压为100V，基体温度为300℃；退火时保持炉内Ar压力为0.05Mpa，退火升温速度为15℃/min，保温2h，随炉冷却。
对本实施例中镀膜前后的E690钢的膜层进行耐磨性能测试，采用 HitachiS-3400N型扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对不同试样进行观察和检测。镀膜前后E690钢与陶瓷球(Si3N4)磨损后形貌如图4所示，具体的：
图4(a)可知，E690钢在对磨件Si3N4陶瓷球作用下产生塑性变形，部分基体材料被挤压到两侧形成堆积，部分形成磨粒，且磨粒之间存在粘结，在摩擦副往复运动中磨粒会划伤表面产生犁沟，因而主要磨损方式为黏着磨损、磨粒磨损及基体材料堆积。
从图4(b)TiN薄膜的磨痕形貌可以看出，随着陶瓷球与TiN的往复摩擦，循环应力使得薄膜表面出现裂纹，裂纹最终剥落(B区)，造成疲劳磨损。镀膜前后E690钢的磨损机制发生了改变。
实施例三
膜层结构为由内之外设置的Ti/TiN/TiAlN/TiCrAlN，总沉积厚度为3.0um， Ti层：打开Ti靶，控制工作压强0.5Pa，脉冲偏压300V，占空比20％，弧电流110A；TiN层：控制工作总压强0.8Pa，TI靶电流100A，N2流量25sccm； TiAlN层：打开Ti靶、Al靶，弧电流80A，控制N2流量为30sccm；TiCrAlN 层：3靶共溅射，Ti靶、Al靶使用直流电源，Cr靶使用射频电源，本底真空 6.0×10-4Pa，工作气压0.7Pa左右，氩气分压和氮气分压均为0.3Pa和0.4Pa，基体负偏压为150V，基体温度为200℃，退火时保持炉内Ar压力为0.04Mpa，退火升温速度为15℃/min，保温4h，随炉冷却。
采用电化学工作站测量镀膜前后的极化曲线，测得镀膜前后腐蚀电流和腐蚀电位为：
未镀膜：腐蚀电流i0(Amps/cm2)＝3.5859E-06腐蚀电位E0(Volts) ＝-0.49471V；
镀膜后：腐蚀电流i0(Amps/cm2)＝2.5735E-06腐蚀电位E0(Volts) ＝-0.42341V；
金属腐蚀速度v失与腐蚀电流密度icorr成正比，即腐蚀电流密度越小，材料的腐蚀速度就越慢。因此，自腐蚀电位越大，自腐蚀电流越小，涂层的耐蚀性能越好。镀膜后自腐蚀电流下降，腐蚀电位升高，说明镀膜后E690钢的耐腐蚀性提高。
本发明进一步的实施例中，基体经一次或多次深冷处理过程，以达到不同程度性能的提高后进行沉积多层复合薄膜。优选的，深冷处理次数为3次，循环深冷过程中过冷度一直存在，每次循环过程都会有残余奥氏体转变为马氏体，并且促使碳化物析出，二次碳化物含量和增多，尺寸减小，这种转变的增量随着深冷次数的增加而逐渐减少，一次、两次循环深冷改善幅度最为明显，三次之后效果达到最佳。深冷处理后，E690钢晶粒变细，晶粒细化缓解了Cr 元素在晶界析出而产生的耗竭，另外深冷处理后以马氏体为主的单相组织的耐蚀性要强于以铁素体-珠光体的多相组织，使得材料的自腐蚀电位得到升高，但四次深冷之后，会导致Cr元素从材料的基体内部析出过多，晶粒细化起到的缓解作用小于Cr元素析出所导致的耐腐蚀性能的恶化，所以材料的整体耐腐蚀性反而有所降低。
深冷处理使得马氏体填补内部空隙，使得金属表面更加密实，晶格缩小，析出碳化物颗粒，部分合金成分析出至表面，有利于和薄膜打底层成分如Ti+相互渗透。深冷处理后薄膜与基体的塑性变形能力进一步提高，这是由碳化物的钉扎作用所导致。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，E690钢为基体，其特征在于，所述基体上沉积有多层复合薄膜，所述多层复合薄膜包括从内到外设置的打底层、梯度层、支承层和耐磨防腐层，其中，所述打底层、梯度层和支承层的微硬度从内之外逐层增加，所述支承层的微硬度大于打底层的微硬度，且所述支承层与耐磨防腐层的微硬度相同。
2.根据权利要求1所述的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，其特征在于，所述打底层、梯度层和支承层的微硬度等间距的变化，所述打底层的微硬度为1200HV，所述梯度层的微硬度为2300HV，所述支承层的微硬度为3400HV。
3.根据权利要求1所述的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，其特征在于，所述梯度层与支承层之间设置有第一过渡层，所述支承层与耐磨防腐层设置有第二过渡层。
4.根据权利要求3所述的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，其特征在于，所述打底层、第一过渡层或第二过渡层均设置为Ti+层或Cr+层；所述梯度层设置为TiN层或CrN层；所述支承层均设置为TiCN层或TiAlN层；所述耐磨防腐层均设置为TiCrAlN层。
5.根据权利要求1所述的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，其特征在于，所述打底层的沉积厚度均为0.3～0.6um；所述支承层的沉积厚度为0.8～1.2um；所述耐磨防腐层的沉积厚度为1.2～1.8um。
6.根据权利要求1所述的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，其特征在于，所述基体设置为经一次或多次深冷处理后的E690钢。
7.根据权利要求3所述的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的结构，其特征在于，所述第一过渡层或第二过渡层的沉积厚度均为0.3～0.6um。
8.一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、零件基体加工过程：对E690钢毛坯依次进行正火、粗加工、时效处理、半精加工、表面淬火、精加工；
S2、零件预处理过程：对步骤S1所制备的E690钢零件基体进行除油、喷砂处理，去除表面油污、氧化物及毛刺，采用无水乙醇和酒精在超声波清洗中各清洗15-20min，最后吹风干燥；
S3、表面活化Ar+清洗过程：将真空度降至5.0×10-3Pa以下，工作气压为0.3～0.5Pa，直流偏压150V，脉冲偏压500～700V，占空比50％，开启热阴极离子柱弧，电流为150～190A，Ar+清洗30～40min；
S4、沉积打底层过程，即Ti+或Cr+层：Ar+清洗之后，开精抽阀5min，打开Ti靶挡板或Cr+靶挡板，压强调至0.4～0.8Pa，轰击5mins～10min，直流偏压150V，脉冲偏压250～320V，占空比12％～30％，弧电流90-140A；沉积厚度为0.3～0.6um；
S5、TiN或CrN镀梯度层过程：通入N2，流量0～30sccm，控制N2气流量阶梯式上升，保持工作压强0.5～1.5Pa，沉积时间40min，沉积厚度为0.3～0.6um；
S6、在S5基础上镀Ti+或Cr+层，即第一过渡层：工艺参数同S4；
S7、TiCN或TiAlN镀支承层过程：沉积TiCN时，打开Ti靶，弧电流80-110A，控制N2流量为50～100sccm，沉积TiAlN时，控制N2流量为60～100sccm，打开Ti靶、Al靶，弧电流120-170A，沉积时间1～1.5h；沉积厚度为0.8～1.6um；
S8、在S7基础上镀Ti+或Cr+层，即第二过渡层：工艺参数同S4；
S9、镀耐磨防腐层：磁控溅射镀膜以磁控溅射TiAlCrN薄膜，使用3靶共溅射：Ti靶、Al靶、Cr靶，其中Ti靶、铝靶使用直流电源，每个试样的钛靶溅射功率(240V、0.8A，)铝靶溅射功率(270V，0.8A)，Cr靶使用射频电源，本底真空＜8.0×10-4Pa，工作气压1Pa，氩气分压和氮气分压均为0.3Pa和0.5Pa，基体负偏压为100V，基体温度为300℃，沉积时间120min；铬靶功率电压为460V，电流为0.22A，沉积厚度为1.2～1.8um，镀膜结束后关闭各靶电源、离子源及气体源，涂层结束；
S10：真空退火：对箱式气氛炉进行氩气冲洗，退火时保持炉内氩气压力为0.05Mpa，退火升温速度为15℃/min，保温3-4h，最后随炉冷却。
9.根据权利要求8所述的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：所述步骤S1中基体在淬火后进行一次或多次深冷处理过程，以达到不同程度性能的提高。
10.根据权利要求9所述的一种用于改善海工用E690钢摩擦学性能及提高耐腐蚀性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：所述步骤S1中的基体在淬火后进行三次深冷处理过程，以获得最优耐磨、抗腐蚀性能。
CN202110267134.XA 2021-03-11 2021-03-11 一种改善e690钢摩擦学性能的结构及方法 Active CN113073293B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110267134.XA CN113073293B (zh) 2021-03-11 2021-03-11 一种改善e690钢摩擦学性能的结构及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110267134.XA CN113073293B (zh) 2021-03-11 2021-03-11 一种改善e690钢摩擦学性能的结构及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113073293A true CN113073293A (zh) 2021-07-06
CN113073293B CN113073293B (zh) 2023-01-03

Family

ID=76612439

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110267134.XA Active CN113073293B (zh) 2021-03-11 2021-03-11 一种改善e690钢摩擦学性能的结构及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113073293B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113265597A (zh) * 2021-05-17 2021-08-17 无锡市源通传动科技有限公司 一种耐磨耐腐蚀材料及其制备方法和齿轮
CN113652638A (zh) * 2021-08-17 2021-11-16 科汇纳米技术（常州）有限公司 一种超高硬质刀具涂层及其制备方法
CN116770238A (zh) * 2023-08-18 2023-09-19 潍柴动力股份有限公司 一种气阀合金表面的复合涂层及其制备方法和气门

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101698363A (zh) * 2009-10-30 2010-04-28 华南理工大学 TiN/(TiN+CrN)/CrAlN纳米复合涂层及其制备方法
CN102166849A (zh) * 2010-12-20 2011-08-31 武汉新铬涂层设备有限公司 氮化铬铝钛复合涂层、沉积有该涂层的刀具及制备方法
US20110256807A1 (en) * 2010-04-15 2011-10-20 Jiangwei Feng Method for stripping nitride coatings
CN107354438A (zh) * 2017-06-28 2017-11-17 缙云县先锋工具有限公司 一种圆锯片表面的复合纳米涂层
CN207952795U (zh) * 2018-03-05 2018-10-12 缙云县先锋工具有限公司 一种耐磨圆锯片
CN109518139A (zh) * 2018-12-13 2019-03-26 北京金轮坤天特种机械有限公司 一种钛火阻燃涂层及其制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101698363A (zh) * 2009-10-30 2010-04-28 华南理工大学 TiN/(TiN+CrN)/CrAlN纳米复合涂层及其制备方法
US20110256807A1 (en) * 2010-04-15 2011-10-20 Jiangwei Feng Method for stripping nitride coatings
CN102166849A (zh) * 2010-12-20 2011-08-31 武汉新铬涂层设备有限公司 氮化铬铝钛复合涂层、沉积有该涂层的刀具及制备方法
CN107354438A (zh) * 2017-06-28 2017-11-17 缙云县先锋工具有限公司 一种圆锯片表面的复合纳米涂层
CN207952795U (zh) * 2018-03-05 2018-10-12 缙云县先锋工具有限公司 一种耐磨圆锯片
CN109518139A (zh) * 2018-12-13 2019-03-26 北京金轮坤天特种机械有限公司 一种钛火阻燃涂层及其制备方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113265597A (zh) * 2021-05-17 2021-08-17 无锡市源通传动科技有限公司 一种耐磨耐腐蚀材料及其制备方法和齿轮
CN113265597B (zh) * 2021-05-17 2022-01-14 无锡市源通传动科技有限公司 一种耐磨耐腐蚀材料及其制备方法和齿轮
CN113652638A (zh) * 2021-08-17 2021-11-16 科汇纳米技术（常州）有限公司 一种超高硬质刀具涂层及其制备方法
CN116770238A (zh) * 2023-08-18 2023-09-19 潍柴动力股份有限公司 一种气阀合金表面的复合涂层及其制备方法和气门
CN116770238B (zh) * 2023-08-18 2023-12-15 潍柴动力股份有限公司 一种气阀合金表面的复合涂层及其制备方法和气门

Also Published As

Publication number Publication date
CN113073293B (zh) 2023-01-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113073293B (zh) 一种改善e690钢摩擦学性能的结构及方法
Tyagi et al. A critical review of diamond like carbon coating for wear resistance applications
CN101430004B (zh) 一种pvd铬基陶瓷复合涂层活塞环及其制备方法
CN106702330A (zh) 一种碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层及其制备方法
CN105220120B (zh) 一种多层复合类富勒烯薄膜在汽车发动机上产业化的方法
CN106884149A (zh) 水环境耐磨涂层、其制备方法及应用
JP2004510059A (ja) 改良された硬度及び耐食性のための表面処理
CN106544631A (zh) 一种基体表面的碳化铬多层梯度复合涂层及其制备方法
CN111485070A (zh) 一种减摩耐磨齿轮零件的制备工艺
Matthews et al. Plasma‐based surface engineering processes for wear and corrosion protection
Kovací et al. Effect of plasma nitriding parameters on the wear resistance of alloy Inconel 718
CN103256142A (zh) 一种节油型Cr-O-N纳米晶复合陶瓷涂层柴油发动机活塞环及制备方法
CN101294284A (zh) 一种耐冲蚀抗疲劳等离子表面复合强化方法
Sagalovych et al. Vacuum-plasma multilayer protective coatings for turbine blades
CN112962065A (zh) 一种镍基合金表面复合结构涂层及其制备方法
CN106929799A (zh) 耐高温防护涂层及其制备方法与应用
CN110629170B (zh) 一种提高高压液压泵零件耐磨性的方法
CN104847524B (zh) 一种pvd活塞环的制备方法
CN110344005A (zh) 一种TA15钛合金表面高温耐磨微叠层TiN-TiAlSiN及其制备方法与应用
CN108611590B (zh) 一种Ti合金工件防咬死的方法
CN101215687B (zh) 制备铝合金减摩层柱状晶紧密排列pvd轴瓦的方法
CN110592535A (zh) 一种碳钢表面耐磨蚀高温防护涂层及其制备方法
Laxane et al. Characterisation of chromium nitride physical vapour deposition coating on diesel engine pistons
CN110387529B (zh) 一种用于液压阀杆表面防护的复合涂层及其制备方法
Hurkmans et al. Runner-up magnetron sputtered CrNx coatings as alternative to electroplated hard chromium

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant