[发明专利]一种基体表面的VC/a-C:H纳米复合涂层及其制备方法

说明书

本发明提供一种VC/a‑C:H纳米复合涂层，由硬质相纳米晶VC与润滑相非晶a‑C:H组成，并且以a‑C:H为基质，纳米晶VC弥散于该基质中，不仅保持了传统VC硬质涂层高硬度、低磨损的特点，同时具有a‑C:H材料优异的自润滑特性，对在高磨损、高摩擦环境下作业的基体能起到良好的防护作用，具有很好的应用价值。本发明还提供采用采用多弧离子镀技术，以金属V为靶材，C₂H₂为反应气体，通过控制V靶电流和/或碳源C₂H₂的气体流量可调控涂层中V元素与C元素含量，进而调控涂层中VC相与a‑C:H相的含量。

技术领域

本发明涉及表面技术领域，尤其涉及一种基体表面的VC/a-C:H纳米复合涂层及其制备方法。

背景技术

碳化钒(VC)是过渡金属碳化物中最重要的功能材料之一，具有一系列优异的性能，如高强度、高硬度、耐高温、耐酸碱、耐磨损、比重小、稳定性好以及良好的导电、导热性。VC硬度高、耐磨性好，常作为表面强化层材料被广泛应用于工模具领域。作为刀具涂层，VC还具有低摩擦系数，低导热率和高耐蚀性等优异性能，并且使用过程中因其表面形成的V₂O₅具有自润滑作用，可以显著降低刀具的切削阻力。

在基材表面制备VC涂层的常用方法有TD处理(热扩散法碳化物覆层处理)、电子束蒸发、磁控溅射等。TD处理的原理是将工件基体置于熔融硼砂混合物中，通过高温扩散作用在工件基体表面形成金属碳化物覆层。在TD处理中，应用最为广泛的是熔盐浸镀法在模具表面形成VC超硬覆层，以提高其耐磨、抗咬合(抗粘结)、耐蚀等性能，从而大幅度提高模具的使用寿命。但是TD处理存在其固有的缺点：①处理温度高，对基材的耐热性要求很高；②高温使基材尺寸变化和形变严重，故不适用于精密度高的工件；③难以实现工件局部镀膜；④覆层的厚度较厚，影响工件精度；⑤覆层后表面状况较差，一般须作后处理(如抛光等)才可使用。

与TD法相比，PVD(物理气相沉积技术)可以实现低温沉积；通过装夹具的设计可以实现局部镀膜；膜厚通常在3-5μm，不影响工件精度；且沉积的涂层表面粗糙度较小，无需后处理。因此采用PVD法制备的VC涂层更适用于精密机械零部件的表面防护。但是，目前关于PVD法制备VC涂层的研究较少，且不够系统，对VC涂层的制备、结构和性能的研究尚不充分，尤其是VC涂层的成分、结构对其力学、摩擦学性能的影响，以及PVD方法制备VC涂层的应用研究非常缺乏。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供了一种基体表面的VC/a-C:H纳米复合涂层，该复合涂层由硬质相纳米晶VC与润滑相非晶碳(简称a-C:H)组成，并且以a-C:H为基质，纳米晶VC弥散于该非晶碳基质中，形成VC/a-C:H复合涂层，不仅保持了传统VC硬质涂层高硬度、低磨损的特点，同时具有a-C:H材料优异的自润滑特性，其硬度可达 25GPa以上，在大气环境中的平均摩擦系数可达0.25以下。

作为优选，基体表面与所述的VC/a-C:H复合涂层之间存在软质V过渡层，以改善基体与成分迥异的VC/a-C:H复合涂层间的结合性能，同时释放VC/a-C:H复合涂层中的部分应力。

作为优选，所述的V过渡层的厚度为0.1μ m ～0.5μ m 。

作为优选，所述的VC/a-C:H复合涂层中V与C的元素含量之比为1:1～1:5，进一步优选为1:1.2～1:4。

本发明还提供了一种制备上述基体表面的VC/a-C:H纳米复合涂层的方法，该方法采用多弧离子镀技术，以金属V为靶材，以高纯Ar为工作气体，C₂H₂为反应气体，对表面清洗处理后的基体施加负偏压，对V靶施加靶电流，在基体表面沉积该VC/a-C:H 复合涂层。

作为优选，沉积VC/a-C:H复合涂层之前腔体抽真空至3×10^-3Pa～5×10^-3Pa。