[发明专利]用于机械零部件表面耐磨损、耐腐蚀的复合涂层及制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种应用在具有耐磨、耐腐蚀要求的机械零部件表面的复合涂层及其制备方法。利用该复合涂层，可以提高以钢材、有色金属、铸铁等为材质的零件表面的耐磨损、耐腐蚀性能。 

背景技术：

用钢材、有色金属、铸铁等金属材料加工而成的零部件，是工业设备、工具、模具的主要组成部分。随着经济发展和技术的不断进步，对各种机械零部件的表面性能（尤其是耐腐蚀、耐磨损性能）要求也越来越高。传统上采用电沉积方法在零件表面镀制硬铬、Ni，或采用表面热处理方法对零件表面进行处理，这些方法部分的满足了零件的性能要求，但是存在如下的缺点： 

① 污染严重，尤其是电沉积工艺所造成的污染； 

② 在恶劣服役条件下易失效，如在活塞杆、活塞环等零件中，硬铬镀层高负载条件下易开裂、脱落。 

③ 无法适应复杂服役条件，如：高温氧化条件下、高负载、耐腐蚀等叠加场合下，传统的硬铬镀制、表面热处理往往无法满足要求。 

基于上述原因，寻找成本较低、功能特点突出、适应性强且环保无污染的表面处理方法一直是科研和工业界的努力方向。 

发明内容：

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用非平衡磁控溅射方法，制备具有耐腐蚀、耐磨损的复合涂层，用于提高机械零部件表面性能。本发明采用复合材料表面设计方法，采用两层结构（过渡层、功能层）来满足使用需要。 

本发明解决技术问题采用如下技术方案： 

用于机械零部件表面耐磨损、耐腐蚀的复合涂层，所述复合涂层包括过渡层和功能层，所述过渡层位于所述功能层和机械零部件表面之间。 

所述过渡层由Cr（铬）、Ti（钛）或Ni（镍）纯金属制备。所述功能层为碳化物（MC）、氮化物（MN）或碳氮化物（MNC），其中的M选自Al（铝）、或过渡金属Ti（钛）、Zr（锆）、Mo（钼）。 

所述过渡层的厚度在0.5μm ~5μm之间。所述功能层的厚度在0.5μm ~10μm之间。 

用于机械零部件表面耐磨损、耐腐蚀的复合涂层的制备方法包括以下工艺步骤： 

① 机械零部件经去油、去屑后，经超声波清洗并烘干后，置于非平衡磁控溅射镀膜设 备的真空室中； 

② 开启非平衡磁控溅射设备的真空系统，将真空室内的真空抽到3×10^-3Pa；将机械零部件加热到200℃～500℃保温30分钟；在保温过程中，同时对机械零部件进行等离子体清洗； 

③ 使用氩气作为工作气体，利用非平衡磁控溅射方法制备过渡层，根据工件服役特点，过渡层的厚度制备在0.5μm ~5μm之间； 

④ 使用氩气作为工作气体，通入反应气体制备功能层，根据工件服役特点，功能层的厚度制备在0.5μm ~10μm之间；所述反应气体为氮气或乙炔； 

⑤ 机械零部件随炉冷却到100℃以内，取出即可。 

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在： 

由于物理气相沉积制备的氮化物、碳化物、碳氮化物和金属基底结合力较差，故考虑使用和机械零部件金属材料、功能层薄膜材料均具有良好结合性能的金属薄膜作为过渡层。过渡层一方面可以提高膜层整体和机械零部件表面的结合，另一方面也可以提高机械零部件的耐腐蚀性能。 

功能层作为机械零部件服役时直接和外界环境接触的区域，性能要求趋于多样化。为此，结合过渡族金属化合物良好的力学性能及耐腐蚀性能，根据不同使用环境，使用碳化物（MC）、氮化物（MN）或碳氮化物（MNC）作为膜层材料。这里的M选自Al（铝）、或Cr（铬）、Ti（钛）、Mo（钼）、Zr（锆）等过渡金属。 

本发明复合涂层的制备使用物理气相沉积（PVD）技术中的非平衡磁控溅射方法。在制备过程中，零部件整体“沉浸”在等离子体辉光放电区域，可以实现对零部件的等离子体清洗，并可以提高薄膜的致密度。此外，由于磁控溅射方法固有的“低温”、“高速”特点，本发明所涉及的复合涂层和制备方法不会影响零部件本身原有的力学性能。 

附图说明：

图1为本发明的剖视结构图。 

图中标号：1机械零部件，2过渡层，3功能层。 

以下通过具体实施方式，对本发明作进一步说明。 

具体实施方式：

结合图1，本发明的用于机械零部件表面耐磨损、耐腐蚀的复合涂层，其包括过渡层2和功能层3，所述过渡层2位于功能层3和机械零部件1的表面之间。