[发明专利]一种软质基体表面的碳基涂层及其制备方法

说明书

本发明公开一种软质基体表面的碳基涂层，自基体(1)表面向上依次为过渡层(2)与耐磨层(3)；过渡层(2)由第一过渡层(21)、第二过渡层(22)与第三过渡层(23)组成，并且第一过渡层(21)是位于基体(1)表面的Cr层，第二过渡层(22)是位于第一过渡层(21)表面的CrC层，第三过渡层(23)是位于第二过渡层(22)表面的CrSiC层，耐磨层(3)是位于第三过渡层(23)表面的掺杂Cr元素的非晶碳薄膜层。该碳基涂层在保证硬度及耐磨性的前提下，能够在软质基体上具有优异的摩擦学承载能力，使膜基结合力提升1～3倍，对软质基体起到有效防护作用。

技术领域

本发明涉及基体表面处理技术领域，尤其涉及一种软质基体表面的碳基涂层及其制备方法。

背景技术

一些常用软质基体，例如软质金属及其合金材质的机械零部件，由于其低硬度等特点，很容易在摩擦等过程中变形、开裂和失效，严重影响设备使用寿命，提高成本。现阶段尽管非晶碳基涂层材料具有优异的减摩抗磨作用，但是非晶碳基涂层与软质基体的硬度、弹性模量、热膨胀系数等匹配性较差，极易因结合不牢而导致剥落失效，从而丧失对工件的保护。

发明内容

本发明提供了一种软质基体表面的碳基涂层，如图1所示，自基体1表面向上依次为过渡层2和耐磨层3。即，过渡层2位于基体1的表面，过渡层由第一过渡层21、第二过渡层22与第三过渡层23组成，其中第一过渡层21位于基体1的表面，第二过渡层22位于第一过渡层21表面，第三过渡层23位于第二过渡层22表面，耐磨层3位于第三过渡层23的表面；

软质基体不限，包括易熔且具有低硬度、低耐磨性和韧性的金属、合金及其化合物，例如铝基材料、铜基材料和不锈钢等材料。

其中，第一过渡层21为铬(Cr)层，以Cr层为第一过渡层的目的在于：Cr为高硬度金属，能够与碳生成稳定结构。使用Cr做过渡，能够与基体进行良好化学键结合，充分缓解非晶碳薄膜与基体间因热膨胀因数不匹配而引起的内应力，提高膜基结合力。

第二过渡层22为碳化铬(CrC)层，以CrC层为第二过渡层的目的在于：通过金属到碳化物的梯度设计，逐渐增加硬度，可以提升薄膜与基体的结合力，尽管该层的摩擦学性能低于非晶碳薄膜，但能够有效缓解界面应力，进而有效提高薄膜的结合力和承载力。作为优选，第二过渡层22中，沿着基体表面向上的方向，CrC含量逐渐升高，形成CrC梯度化过渡层，梯度化过渡层既保持了高硬度、低摩擦，又降低了脆性，而且提高了薄膜承载能力、膜基结合力及磨损抗力。

第三过渡层23为铬硅碳(CrSiC)层，以CrSiC层为第三过渡层的目的在于：CrC碳化物，其体系性能低于非晶碳薄膜，可以有效缓解界面应力，可以有效提高薄膜的承载力。硅与碳的结合能够部分取代碳基网络结构中的C，改变sp²-C/sp³-C的比例，进一步缓解复合涂层内部层间界面应力。同时Si掺杂后会促使涂层内部生成少量非晶碳结构，在表面耐磨层失效后可继续保持润滑和耐磨作用，延长机械零部件使用寿命。作为优选，第三过渡层23中，沿着基体表面向上的方向，Cr元素含量逐渐降低，Si元素含量逐渐升高，形成CrSiC梯度化过渡层。

耐磨层3为掺杂铬元素的非晶碳薄膜层，形成a-C:Cr薄膜，使用a-C:Cr薄膜作为耐磨层的目的在于：非晶碳基涂层材料可兼具自润滑、耐磨损、耐腐蚀特性，尤其是以等离子体增强化学气相沉积法制备的类金刚石薄膜具有高sp²含量，在摩擦剪切力作用下，能够快速形成石墨化转移膜，使基体在乳化液环境中迅速达到稳定低摩擦和低磨损，在少量Cr元素存在情况下可形成纳米晶镶嵌非晶结构，涂层可在保持良好减摩抗磨性能前提下表现出较低的内应力，获得较高的综合摩擦学性能。