CN115125470A - 一种金属表面高硬度自润滑的复合涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种金属表面高硬度自润滑的复合涂层及其制备方法，包括金属陶瓷涂层和碳基涂层，所述金属陶瓷涂层位于金属基体表面，所述碳基涂层位于金属陶瓷涂层表面。通过喷涂的方式在金属基体表面形成金属陶瓷涂层，使金属陶瓷涂层与基体之间机械咬合，提升结合力，同时金属陶瓷涂层作为过渡层和支撑层，可实现与碳基涂层平滑过渡，减弱反复摩擦下涂层不同界面之间的失配，金属陶瓷涂层与碳基涂层配合的复合涂层，即增加了金属基体表面的硬度，也降低了金属基体表面的摩擦系数。

Description

一种金属表面高硬度自润滑的复合涂层及其制备方法
技术领域
本申请涉及一种金属表面高硬度自润滑的复合涂层及其制备方法，属于表面涂层技术领域。
背景技术
与磨损相关的材料损失、部件损坏和工件失效占全球能源消耗的23％，估计每年的成本超过25000亿欧元。由于金属是最常用的工程材料，因此长期以来耐磨金属一直是材料设计的追求，但难以实现。摩擦磨损的相关理论指出，硬度高和摩擦系数低的材料由于在固定应力下接触面积和摩擦阻力更小，故表现出较高的耐磨性。据此，相关研究表明通过表面改性技术在金属基体上沉积高硬度和低摩擦的防护涂层，被认为是提高金属耐磨性的一种有效手段。
热喷涂是一种常用的金属表面防护技术，它是指将粉末原料加热至熔融或半熔融状态，然后使用高速气流将粉末原料射击到工件表面进而形成防护涂层，特别是喷涂的金属陶瓷涂层可以显著提升金属基体的表面硬度。但是由于热喷涂技术固有的特点，喷涂的金属陶瓷涂层表面粗糙度较高，同时，金属陶瓷涂层自身的减摩性能通常较差。可以看出，喷涂金属陶瓷涂层虽然可以显著提升金属的表面硬度，但是对于其高摩擦系数的问题仍然难以有效解决。
气相沉积通常包括物理气相沉积和化学气相沉积，是指利用气相中的物理或化学过程，在工件表面形成特定涂层材料的一种技术。作为一种新兴的表面强化技术，其制备的涂层具有致密、均匀、高光洁度和种类丰富等特点，越来越受到研究人员的关注。特别是气相沉积的碳基涂层具有自润滑性和化学惰性等优点，在金属表面改性方面具有巨大的应用潜力。然而，气相沉积的碳基涂层和金属基体之间的硬度、模量和热膨胀系数差异大，导致两者之间的结合力很差。因此，直接在金属上沉积碳基涂层难度非常大。
发明内容
本申请的目的为针对现有金属表面防护涂层难以同时获得高硬度和自润滑特性的缺陷，提出了一种金属表面高硬度自润滑的复合涂层及制备方法。
根据本申请的一个方面，提供了一种金属表面的复合涂层，包括金属陶瓷涂层和碳基涂层，所述金属陶瓷涂层位于金属基体表面，所述碳基涂层位于金属陶瓷涂层表面，经过实验证实，本申请复合涂层可以使金属基体表面的硬度显著增加的同时，大幅度减低其摩擦系数，具有非常优异的力学性能和减磨性能。
可选地，所述金属陶瓷层为WC-CrC-Ni金属陶瓷涂层，所述碳基涂层为由金刚石相和石墨相的混合非晶碳材料。
可选地，所述金属陶瓷涂层的厚度为60～200μm；
所述碳基涂层的厚度为1～3μm。
可选地，所述金属陶瓷涂层的厚度为80～180μm；
所述碳基涂层的厚度为1.2～2.8μm。
可选地，所述金属陶瓷涂层的厚度选自80μm、83.97μm、88.9μm、95.3μm、180μm中的任意值或任意两值之间的范围值。
可选地，所述碳基涂层的厚度选自1.2μm、2.2μm、2.4μm、2.5μm、2.8μm中的任意值或任意两值之间的范围值。
可选地，所述复合涂层硬度为20～30Gpa；
与氧化铝球对磨的摩擦系数为0.08～0.2。
可选地，所述复合涂层的硬度为20Gpa、21.28Gpa、22.54Gpa、22.64Gpa、23.56Gpa、30Gpa中的任意值或任意两值之间的范围值。
可选地，在干燥情况下，与氧化铝球对磨的摩擦系数为0.08、0.1、0.12、0.13、0.2中的任意值或任意两值之间的范围值。
根据本申请的又一方面，提供了一种金属表面的复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
(a)将陶瓷材料通过超音速火焰喷涂在金属基体表面，形成含有金属陶瓷涂层的金属基体；
(b)将步骤(a)制得含有金属陶瓷涂层的金属基体放入含有含碳气氛的气相沉积系统，沉积反应，形成所述的复合涂层。
金属陶瓷涂层利用喷涂技术，实现涂层与基体之间的机械咬合，提高结合力，同时作为过渡层和支撑层，实现与碳基涂层的平滑过渡，减弱反复摩擦下不同界面之间的失配。
可选地，所述沉积反应具体为：在真空的条件下进行；
含碳气氛为乙炔和氮气的混合气体；
金属基体上施加的偏压为-200～-50V；
沉积反应的时间为60～180min。
可选地，金属基体上施加的偏压选自-200V、-134V、-120V、-115V、-100V、-50V中的任意值或任意两值之间的范围值。
可选地，所述沉积反应的时间选自60min、120min、126min、140min、153min、180min中的任意值或任意两值之间的范围值。
可选地，所述混合气体中乙炔的体积含量为30～50％。
可选地，所述混合气体中乙炔的体积含量选自30％、35％、40％、45％、50％中的任意值或任意两值之间的范围值。
可选地，所述超音速火焰喷涂的条件为：氧气流量为800～1000L/min，送粉速度为60～90g/min，喷涂距离为300～400mm。
可选地，所述超音速火焰喷涂的氧气流量选自800L/min、850L/min、870L/min、893L/min、910L/min、1000L/min中的任意值或两值之间的范围值。
可选地，所述超音速火焰喷涂的送粉速度为60g/min、70g/min、74g/min、79g/min、89g/min、90g/min中的任意值或两值之间的范围值。
可选地，所述超音速火焰喷涂的喷涂距离为300mm、320mm、340mm、350mm、380mm、400mm中的任意值或两值之间的范围值。
可选地，所述陶瓷材料包括碳化钨、碳化铬、镍，其中碳化钨、碳化铬、镍的质量比为16:3:1。
可选地，在所述步骤(a)中，所述金属基体在喷涂之前进行脱脂和喷砂处理。
可选地，在所述步骤(b)中，所述含有金属陶瓷涂层的金属基体在沉积之前进行磨抛，超声清洗和干燥处理。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的复合涂层，喷涂的金属陶瓷涂层可以显著提升金属的表面硬度，该工艺成本低、效率高、涂层结构稳定可控，而且涂层与基体实现机械咬合，结合强度高；
2)本申请所提供的复合涂层，喷涂的金属陶瓷涂层可以作为支撑层和过渡层，为高性能碳基涂层沉积在金属基材上提供保障。由于硬质中间层的存在，实现了金属基体到碳基涂层的平滑过渡；
3)本申请所提供的复合涂层，碳基涂层具有自润滑和结构稳定特性，赋予了金属陶瓷涂层润滑性能，因此复合涂层的摩擦系数稳定在0.1附近，显示出非常优异的润滑特性；
4)本申请所提供的复合涂层，喷涂的金属陶瓷底层显著提升了金属基体表面的硬度，而且硬质金属陶瓷涂层可为碳基涂层提供有效的支撑和平滑的过渡。此外，自润滑特性的碳基涂层赋予了金属陶瓷涂层优异的润滑性能，进而有效增强金属基体的表面性能，延长金属在苛刻环境下的使用寿命。
附图说明
图1为本申请实施例1中复合涂层的截面形貌照片；
图2为本申请对比例1与实施例1，2，3，4中复合涂层的力学性能图；
图3为本申请对比例1与实施例1，2中复合涂层的摩擦系数曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。
本申请的实施例中分析方法如下：
利用Quanta 250场发射扫描电子显微镜对复合涂层的截面形貌进行分析；
利用G200纳米压痕测量仪对复合涂层的力学性能进行分析；
利用Rtec摩擦磨损测试仪对复合涂层的摩擦系数进行分析。
实施例1：
本实施例中，金属基体表面的复合涂层由喷涂的金属陶瓷涂层，以及气相沉积的碳基涂层构成。所述金属陶瓷涂层采用高速氧燃料喷涂技术使金属基体表面形成WC-CrC-Ni金属陶瓷涂层，碳基涂层采用化学气相沉积技术制备DLC涂层。该金属陶瓷涂层的厚度约为79.1μm，碳基涂层的厚度约为2.2μm。
上述金属表面复合涂层的制备方法包括如下步骤：
步骤1：在喷涂之前，将金属基体进行脱脂和喷砂处理；
步骤2：以WC-CrC-Ni为原料采用超音速火焰喷涂技术制备复合涂层，其中喷涂氧气流量为850L/min，送粉速度为70g/min，喷涂距离为380mm，在金属基体表面形成约79.1μm的金属陶瓷涂层；
步骤3：经步骤2处理后的金属基体进行磨抛和超声清洗，清除金属陶瓷涂层表面的异物后进行干燥处理；
步骤4：经步骤3处理后的金属基体放入气相沉积系统，将腔室抽真空，然后通入乙炔和氮气的混合气体，混合气体中乙炔的体积含量为30％，在金属基体上施加-100V的偏压，整个过程的时间为120min，在金属陶瓷涂层表面沉积2.2μm厚的碳基涂层。
上述得到的复合涂层的截面形貌如图1所示，其硬度为21.28GPa，如图2所示；与氧化铝球对磨的摩擦系数为0.1左右，如图3所示，显示出高的硬度和优异的减摩性能。
对比例1：
本对比例1与实施例1的区别在于，本对比例1仅制备覆有金属陶瓷涂层的金属材料，金属陶瓷涂层的制备步骤同实施例1。
上述得到的金属陶瓷涂层，其硬度为15.08GPa，如图2所示；与氧化铝球对磨的摩擦系数为0.52左右，如图3所示，硬度比实施例1减小了6.2GPa，摩擦系数增加了0.42。
实施例2：
本实施例中，金属基体表面的复合涂层由喷涂的金属陶瓷涂层，以及气相沉积的碳基涂层构成。所述金属陶瓷涂层采用高速氧燃料喷涂技术使金属基体表面形成WC-CrC-Ni金属陶瓷涂层，碳基涂层采用化学气相沉积技术制备DLC涂层。该金属陶瓷涂层的厚度约为95.3μm，碳基涂层的厚度约为2.5μm。
上述金属表面复合涂层的制备方法包括如下步骤：
步骤1：在喷涂之前，将金属基体进行脱脂和喷砂处理；
步骤2：以WC-CrC-Ni为原料采用超音速火焰喷涂技术制备复合涂层，其中喷涂氧气流量为870L/min，送粉速度为79g/min，喷涂距离为340mm，在金属基体表面形成约95.3μm的金属陶瓷涂层；
步骤3：经步骤2处理后的金属基体进行磨抛和超声清洗，清除金属陶瓷涂层表面的异物后进行干燥处理；
步骤4：经步骤3处理后的金属基体放入气相沉积系统，将腔室抽真空，然后通入乙炔和氮气的混合气体，混合气体中乙炔的体积含量为38％，在金属基体上施加-120V的偏压，整个过程的时间为140min，在金属陶瓷涂层表面沉积2.5μm厚的碳基涂层。
上述得到的复合涂层其硬度为22.64GPa，如图2所示；与氧化铝球对磨的摩擦系数为0.08左右，如图3所示，显示出高的硬度和优异的减摩性能。
实施例3：
本实施例中，金属基体表面的复合涂层由喷涂的金属陶瓷涂层，以及气相沉积的碳基涂层构成。所述金属陶瓷涂层采用高速氧燃料喷涂技术使金属基体表面形成WC-CrC-Ni金属陶瓷涂层，碳基涂层采用化学气相沉积技术制备DLC涂层。该金属陶瓷涂层的厚度约为88.9μm，碳基涂层的厚度约为2.4μm。
上述金属表面复合涂层的制备方法包括如下步骤：
步骤1：在喷涂之前，将金属基体进行脱脂和喷砂处理；
步骤2：以WC-CrC-Ni为原料采用超音速火焰喷涂技术制备复合涂层，其中喷涂氧气流量为893L/min，送粉速度为74g/min，喷涂距离为350mm，在金属基体表面形成约88.9μm的金属陶瓷涂层；
步骤3：经步骤2处理后的金属基体进行磨抛和超声清洗，清除金属陶瓷涂层表面的异物后进行干燥处理；
步骤4：经步骤3处理后的金属基体放入气相沉积系统，将腔室抽真空，然后通入乙炔和氮气的混合气体，混合气体中乙炔的体积含量为45％，在金属基体上施加-115V的偏压，整个过程的时间为126min，在金属陶瓷涂层表面沉积2.4μm厚的碳基涂层。
上述得到的复合涂层其硬度为23.56GPa，如图2所示；与氧化铝球对磨的摩擦系数为0.12左右，显示出高的硬度和优异的减摩性能。
实施例4：
本实施例中，金属基体表面的复合涂层由喷涂的金属陶瓷涂层，以及气相沉积的碳基涂层构成。所述金属陶瓷涂层采用高速氧燃料喷涂技术使金属基体表面形成WC-CrC-Ni金属陶瓷涂层，碳基涂层采用化学气相沉积技术制备DLC涂层。该金属陶瓷涂层的厚度约为83.97μm，碳基涂层的厚度约为2.4μm。
上述金属表面复合涂层的制备方法包括如下步骤：
步骤1：在喷涂之前，将金属基体进行脱脂和喷砂处理；
步骤2：以WC-CrC-Ni为原料采用超音速火焰喷涂技术制备复合涂层，其中喷涂氧气流量为910L/min，送粉速度为89g/min，喷涂距离为320mm，在金属基体表面形成约140.97μm的金属陶瓷涂层；
步骤3：经步骤2处理后的金属基体进行磨抛和超声清洗，清除金属陶瓷涂层表面的异物后进行干燥处理；
步骤4：经步骤3处理后的金属基体放入气相沉积系统，将腔室抽真空，然后通入乙炔和氮气的混合气体，混合气体中乙炔的体积含量为50％，在金属基体上施加-134V的偏压，整个过程的时间为153min，在金属陶瓷涂层表面沉积2.4μm厚的碳基涂层。
上述得到的复合涂层其硬度为22.54GPa，如图2所示；与氧化铝球对磨的摩擦系数为0.13左右，显示出高的硬度和优异的减摩性能。
根据图2所示，实施例1至4的任意一种复合涂层的硬度均高于对比例1的硬度，根据图3所示，实施例1和2的摩擦系数明显低于对比例1的摩擦系数。由此可见，本申请制备的复合涂层，通过喷涂的方法在金属基体表面制备金属陶瓷涂层，通过沉积的方法在金属陶瓷涂层表面制备碳基涂层，不仅提升了金属表面的硬度，同时金属表面还有非常优异的润滑性能。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种金属表面的复合涂层，其特征在于，包括金属陶瓷涂层和碳基涂层，所述金属陶瓷涂层位于金属基体表面，所述碳基涂层位于金属陶瓷涂层表面。
2.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述金属陶瓷层为WC-CrC-Ni金属陶瓷涂层；
所述碳基涂层为由金刚石相和石墨相混合的非晶碳材料。
3.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，
所述金属陶瓷涂层的厚度为60～200μm；
所述碳基涂层的厚度为1～3μm；
优选地，所述金属陶瓷涂层的厚度为80～180μm；
所述碳基涂层的厚度为1.2～2.8μm。
4.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述复合涂层硬度为20～30Gpa；
与氧化铝球对磨的摩擦系数为0.08～0.2。
5.一种根据权利要求1至4任意一项所述的复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)将陶瓷材料通过超音速火焰喷涂在金属基体表面，形成含有金属陶瓷涂层的金属基体；
(b)将步骤(a)制得含有金属陶瓷涂层的金属基体放入含有含碳气氛的气相沉积系统，沉积反应，形成所述的复合涂层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述沉积反应具体为：在真空的条件下进行；
含碳气氛为乙炔和氮气的混合气体；
金属基体上施加的偏压为-200～-50V；
沉积反应的时间为60～180min；
优选地，所述混合气体中乙炔的体积含量为30～50％。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述超音速火焰喷涂的条件为：氧气流量为800～1000L/min，送粉速度为60～90g/min，喷涂距离为300～400mm。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷材料包括碳化钨、碳化铬、镍，其中碳化钨、碳化铬、镍的质量比为16:3:1。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，所述金属基体在喷涂之前进行脱脂和喷砂处理。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，所述含有金属陶瓷涂层的金属基体在沉积之前进行磨抛，超声清洗和干燥处理。
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