[发明专利]水基液体环境用CrSiC复合涂层及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种水基液体环境用CrSiC复合涂层及其制备方法与应用。所述CrSiC复合涂层包括包括硬质相纳米晶CrC与润滑相非晶碳a‑C：H/Si的复合结构，其中所述润滑相为基质，硬质相弥散分布于所述基质中。所述制备方法包括：采用多弧离子镀技术，以CrSi合金为靶材，保护性气体为工作气体，C₂H₂为反应气体，对基体施加负偏压，对CrSi合金靶施加靶电流，在基体表面沉积形成CrSiC复合涂层。本发明的CrSiC复合涂层在水环境中具有低内应力、高致密度、低摩擦低磨损等优点，适用于水基液体环境中高磨损高腐蚀工况作业下的基体防护，能够提高基体的综合性能及服役寿命。

技术领域

本发明涉及一种复合涂层，尤其涉及到一种水基液体环境用CrSiC复合涂层及其制备方法与应用，属于基体表面处理技术领域。

背景技术

近年来，为避免润滑油带来的污染，食品、医药、给水排水和液压等领域提出用水润滑系统来替代传统的油润滑系统。然而传统的金属材料在水润滑系统中面存在润滑性差、易腐蚀、可靠性不足等问题，在不锈钢材料表面镀覆硬质涂层是解决上述问题的有效方法。目前碳基涂层和氮化物涂层是最有希望应用于水基液压系统、滑动轴承和水泵机械密封面等运动部件的表面防护材料。氮化铬基涂层已经被证明适用于水润滑，但是其相对较低的硬度和高摩擦系数限制了它在工业中的应用。而金刚石、DLC、GLC、a-CN_x等碳基薄膜在水环境中具有低摩擦系数和低磨损率等优势，但是其内应力大、膜基结合力和承载能力较差制约了其在高承载工况下的使用寿命。

研究发现，在碳基薄膜中掺入Ti、Cr等过渡金属元素可以有效降低涂层内应力，改善其摩擦学性能。例如当Cr掺杂量较低时得到的Cr/a-C薄膜与不锈钢、Al₂O₃、SiC和Si₃N₄等不同材质的小球对磨都表现出了良好的水润滑特性。随着碳基涂层中Cr含量的增加，Cr从原子团簇转变为CrC纳米晶弥散在非晶碳基质中，形成了纳米晶非晶复合结构涂层。复合结构中CrC硬质相其硬度高于CrN，能起到更好的承载耐磨作用，而非晶碳具有优异的自润滑性能，可以降低涂层的摩擦系数。另外，研究表明，Si是一种提高涂层力学和摩擦学性能的最有效的合金元素之一。在水环境摩擦过程中，含Si化合物容易发生水合反应，在摩擦表面形成Si(OH)_x凝胶，而Si(OH)_x凝胶可以形成具有自润滑作用的转移膜，有利于提高涂层在水环境中的摩擦性能。例如有文献报道，在CrN涂层中掺入Si可以提高涂层的力学性能、耐腐蚀性能和抗氧化性能。并且在CrSiN涂层和Si-DLC涂层中，由于Si₃N₄和SiC相在水中发生了摩擦化学反应，导致涂层的摩擦磨损性能有所改善。例如，Geng等人报道了当CrSiN涂层中Si/(Cr+Si)的原子比为8.9％时，涂层在水中与碳化钨小球对磨的摩擦系数为0.35，低于CrN涂层摩擦系数0.46，并且耐磨损性能也有提高。Zhou等人也报道了当CrSiCN涂层中Si含量为2.1at.％时，涂层在水中与碳化硅小球对磨的摩擦系数与磨损率均有所降低。但是目前，采用多弧离子镀技术在CrC涂层中掺Si制备CrSiC涂层来改善涂层力学性能及其在水基液体环境中摩擦学性能的研究鲜有报道。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种水基液体环境用CrSiC复合涂层及其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种水基液体环境用CrSiC复合涂层，其包括硬质相纳米晶CrC与润滑相非晶碳a-C：H/Si的复合结构，其中所述润滑相为基质，硬质相弥散分布于所述基质中。

在一些实施方案中，所述CrSiC复合涂层中Cr元素的含量与C元素和Si元素的含量的组合之比为40～50：100，其中，所述Si元素与C元素的含量之比为1～25：100。