一种耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构及其制备方法

一种耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构及其制备方法

本文介绍了一种新型耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构及其制备方法。该涂层结构由结合力层、碳化钨层和碳层组成，通过优化各层的厚度和制备工艺参数，显著提高了涂层的韧性和抗冲击性能。同时，碳层的加入改善了涂层的润滑性，降低了摩擦系数，使其在各种高负荷机械部件和滑动表面等领域的应用中表现出色。

背景技术

在摩擦学和机械加工应用中（如钢材与合金的处理），对具有特定性能的涂层材料的需求日益增加。物理气象沉积（PVD）技术所制备的碳化钨（WC）涂层因其出色的硬度、独特的摩擦学特性以及良好的化学惰性，成为一种应用广泛的涂层材料。虽然碳化钨涂层具有极高的硬度和耐磨性，但相对较脆，容易在高冲击或高应力条件下破裂。

因此，如何提供一种韧性高、抗冲击性能良好的耐磨防腐蚀涂层结构及其制备方法，成为本领域技术人员亟待解决的难题。

技术实现思路

本发明的目的是提供一种耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构及其制备方法，解决现有碳化钨涂层韧性低，容易在高冲击或高应力条件下破裂的问题。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构，包括：

• 结合力层，形成在基材表面；
• 碳化钨层，形成在所述结合力层表面；
• 碳层，形成在所述碳化钨层表面；
• 所述结合力层采用铬和/或钛组成。

优选的，所述结合力层的厚度为500nm。

优选的，所述碳化钨层的厚度为4μm。

优选的，所述碳层的厚度为500nm。

本发明还提供一种耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构的制备方法，包括以下步骤：

1. 步骤一：将基材放置在真空室，并对所述真空室进行抽真空操作；
2. 步骤二：对所述真空室内的基材的表面进行离子清洗操作；
3. 步骤三：对离子清洗后的所述基材进行表面活化处理；
4. 步骤四：在经表面活化处理后的所述基材上制备结合力层；
5. 步骤五：在所述结合力层上溅射碳化钨靶得到碳化钨层；
6. 步骤六：在所述碳化钨层上制备碳层。

优选的，所述步骤一中的基材包括刀具基材和非刀具基材，所述刀具基材包括镗刀，所述非刀具基材包括不锈钢、轴承和硅片；对所述真空室进行抽真空操作后，所述真空室内的气压为1×10-4Pa。

优选的，所述步骤二中，对所述非刀具基材进行离子清洗操作时，对所述真空室以80-120sccm的流量通入氩气，保持所述真空室内的氩气的气压在0.8-1.4Pa，向所述基材2施加-500～-800V的负偏压对基材2表面进行放电清洗，清洗时间为1～2hrs；

对所述刀具基材进行离子清洗操作时，对所述真空室以80-120sccm的流量通入氩气，保持所述真空室内的氩气的气压在0.8-1.4Pa，向所述基材2施加-500～-800V的负偏压对基材2表面进行放电清洗，清洗时间为30-60min。

优选的，所述步骤三中，对所述非刀具基材进行表面活化处理时，保持所述真空室的气压维持在0.6-1.4Pa,以8-10kW的功率溅射钛靶，微脉冲开启时间4-10μs，关闭时间50μs，负偏压设置-400～-500V，样品台转速3rpm，溅射总时长10min；

对所述刀具基材进行表面活化处理时，保持所述真空室的气压维持在0.6-1.4Pa,以8-10kW的功率溅射靶，微脉冲开启时间2-10ms，关闭时间60ms，负偏压设置-500～-800V，样品台转速2rpm，溅射总时长10min。

优选的，所述步骤四中，对所述非刀具基材进行结合力层制备时，向所述真空室以80-120sccm的流量通入氩气，使得所述真空室内的氩气的气压保持在0.6-1.4Pa，以6～10kW的功率溅射钛靶,微脉冲开启时间为4～10μs，关闭时间50μs，负偏压设置在-100～-300V，真空室内的温度为200℃，样品台转速为1～3rpm，钛靶的溅射总时长为5min；

对所述刀具基材进行结合力层制备时，向所述真空室以80-120sccm的流量通入氩气，使得所述真空室内的氩气的气压保持在0.8-1.5Pa，以8～10kW的功率溅射钛靶,微脉冲开启时间为2～8μs，关闭时间30μs，负偏压设置在-100～-300V，样品台转速为1～3rpm，钛靶的溅射总时长为10min。

优选的，所述步骤五中，对所述非刀具基材进行碳化钨层制备时，以80-120sccm的流量向所述真空室内通入氩气，使得所述真空室内的氩气气压保持在0.5-1Pa，以6～10kW的功率溅射碳化钨靶，微脉冲开启时间10～20μs，关闭时间50μs，负偏压设置-100～-300V，真空室内的温度为200℃，样品台转速1～3rpm，碳化钨靶的溅射总时长为30min；

对所述刀具基材进行碳化钨层制备时，以80-120sccm的流量向所述真空室内通入氩气，使得所述真空室内的氩气气压保持在0.8-1.5Pa，以8～10kW的功率溅射碳化钨靶，微脉冲开启时间2～8ms，关闭时间30ms，负偏压设置-300～-500V,样品台转速1～3rpm，碳化钨靶的溅射总时长为30min；

所述步骤六中，对所述非刀具基材进行碳层制备时，向所述真空室以80-120sccm的流量通入氩气，使得所述真空室内的氩气的气压保持在0.6-1.4Pa，以6～10kW的功率溅射碳靶，微脉冲开启时间10～20μs，关闭时间50μs，负偏压设置-100～-300V，真空室内的温度为200℃，样品台转速1～3rpm，碳靶的溅射总时长为5min；

对所述刀具基材进行碳层制备时，向所述真空室以80-120sccm的流量通入氩气，使得所述真空室内的氩气的气压保持在0.8-1.5Pa，以8～10kW的功率溅射碳靶，微脉冲开启时间2～8μs，关闭时间30μs，负偏压设置-100～-300V，样品台转速1～3rpm，碳靶的溅射总时长为10min。

技术效果

本发明提供一种耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构，包括结合力层，形成在基材表面；碳化钨层，形成在所述结合力层表面；碳层，形成在所述碳化钨层表面；所述结合力层采用铬和/或钛组成。本发明中的涂层结构由于含有碳层，表现出了更好的韧性和抗冲击性能。同时，碳层的加入改善了涂层的润滑性，降低了涂层表面的摩擦系数，便于本发明涂层应用于同时需要具备耐磨性和韧性的应用领域，如各种高负荷的机械部件、滑动表面等。

技术特征

1. 一种耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构，其特征在于，包括：
2. 根据权利要求1所述的耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构，其特征在于：所述结合力层(1)的厚度为500nm。
3. 根据权利要求2所述的耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构，其特征在于：所述碳化钨层(3)的厚度为4μm。
4. 根据权利要求3所述的耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构，其特征在于：所述碳层(4)的厚度为500nm。
5. 一种耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6. 根据权利要求5所述的耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的基材(2)包括刀具基材和非刀具基材，所述刀具基材包括镗刀，所述非刀具基材包括不锈钢、轴承和硅片；对所述真空室进行抽真空操作后，所述真空室内的气压为1×10-4Pa。
7. 根据权利要求6所述的耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，对所述非刀具基材进行离子清洗操作时，对所述真空室以80-120sccm的流量通入氩气，保持所述真空室内的氩气的气压在0.8-1.4Pa，向所述基材(2)施加-500～-800V的负偏压对基材(2)表面进行放电清洗，清洗时间为1～2hrs；
8. 根据权利要求6所述的耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，对所述非刀具基材进行表面活化处理时，保持所述真空室的气压维持在0.6-1.4Pa,以8-10kW的功率溅射钛靶，微脉冲开启时间4-10μs，关闭时间50μs，负偏压设置-400～-500V，样品台转速3rpm，溅射总时长10min；
9. 根据权利要求6所述的耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，对所述非刀具基材进行结合力层(1)制备时，向所述真空室以80-120sccm的流量通入氩气，使得所述真空室内的氩气的气压保持在0.6-1.4Pa，以6～10kW的功率溅射钛靶,微脉冲开启时间为4～10μs，关闭时间50μs，负偏压设置在-100～-300V，真空室内的温度为200℃，样品台转速为1～3rpm，钛靶的溅射总时长为5min；
10. 根据权利要求6所述的耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构的制备方法，其特征在于：所述步骤五中，对所述非刀具基材进行碳化钨层(3)制备时，以80-120sccm的流量向所述真空室内通入氩气，使得所述真空室内的氩气气压保持在0.5-1Pa，以6～10kW的功率溅射碳化钨靶，微脉冲开启时间10～20μs，关闭时间50μs，负偏压设置-100～-300V，真空室内的温度为200℃，样品台转速1～3rpm，碳化钨靶的溅射总时长为30min；

技术总结

本发明公开了一种耐磨防腐蚀且高韧性涂层结构及其制备方法，涉及涂层制备技术领域，涂层结构包括结合力层，形成在基材表面；碳化钨层，形成在所述结合力层表面；碳层，形成在所述碳化钨层表面；所述结合力层采用铬和/或钛组成。本发明中的涂层结构由于含有碳层，表现出了更好的韧性和抗冲击性能。同时，碳层的加入改善了涂层的润滑性，降低了涂层表面的摩擦系数，便于本发明涂层应用于同时需要具备耐磨性和韧性的应用领域，如各种高负荷的机械部件、滑动表面等。

技术研发信息

技术研发人员：欧伊翔,酆毅,吴小盼,王浩琦,候莉,王连才
受保护的技术使用者：北京市科学技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/17