[发明专利]一种金属表面高硬度自润滑的复合涂层及其制备方法

说明书

本申请公开了一种金属表面高硬度自润滑的复合涂层及其制备方法，包括金属陶瓷涂层和碳基涂层，所述金属陶瓷涂层位于金属基体表面，所述碳基涂层位于金属陶瓷涂层表面。通过喷涂的方式在金属基体表面形成金属陶瓷涂层，使金属陶瓷涂层与基体之间机械咬合，提升结合力，同时金属陶瓷涂层作为过渡层和支撑层，可实现与碳基涂层平滑过渡，减弱反复摩擦下涂层不同界面之间的失配，金属陶瓷涂层与碳基涂层配合的复合涂层，即增加了金属基体表面的硬度，也降低了金属基体表面的摩擦系数。

技术领域

本申请涉及一种金属表面高硬度自润滑的复合涂层及其制备方法，属于表面涂层技术领域。

背景技术

与磨损相关的材料损失、部件损坏和工件失效占全球能源消耗的23％，估计每年的成本超过25000亿欧元。由于金属是最常用的工程材料，因此长期以来耐磨金属一直是材料设计的追求，但难以实现。摩擦磨损的相关理论指出，硬度高和摩擦系数低的材料由于在固定应力下接触面积和摩擦阻力更小，故表现出较高的耐磨性。据此，相关研究表明通过表面改性技术在金属基体上沉积高硬度和低摩擦的防护涂层，被认为是提高金属耐磨性的一种有效手段。

热喷涂是一种常用的金属表面防护技术，它是指将粉末原料加热至熔融或半熔融状态，然后使用高速气流将粉末原料射击到工件表面进而形成防护涂层，特别是喷涂的金属陶瓷涂层可以显著提升金属基体的表面硬度。但是由于热喷涂技术固有的特点，喷涂的金属陶瓷涂层表面粗糙度较高，同时，金属陶瓷涂层自身的减摩性能通常较差。可以看出，喷涂金属陶瓷涂层虽然可以显著提升金属的表面硬度，但是对于其高摩擦系数的问题仍然难以有效解决。

气相沉积通常包括物理气相沉积和化学气相沉积，是指利用气相中的物理或化学过程，在工件表面形成特定涂层材料的一种技术。作为一种新兴的表面强化技术，其制备的涂层具有致密、均匀、高光洁度和种类丰富等特点，越来越受到研究人员的关注。特别是气相沉积的碳基涂层具有自润滑性和化学惰性等优点，在金属表面改性方面具有巨大的应用潜力。然而，气相沉积的碳基涂层和金属基体之间的硬度、模量和热膨胀系数差异大，导致两者之间的结合力很差。因此，直接在金属上沉积碳基涂层难度非常大。

发明内容

本申请的目的为针对现有金属表面防护涂层难以同时获得高硬度和自润滑特性的缺陷，提出了一种金属表面高硬度自润滑的复合涂层及制备方法。

根据本申请的一个方面，提供了一种金属表面的复合涂层，包括金属陶瓷涂层和碳基涂层，所述金属陶瓷涂层位于金属基体表面，所述碳基涂层位于金属陶瓷涂层表面，经过实验证实，本申请复合涂层可以使金属基体表面的硬度显著增加的同时，大幅度减低其摩擦系数，具有非常优异的力学性能和减磨性能。

可选地，所述金属陶瓷层为WC-CrC-Ni金属陶瓷涂层，所述碳基涂层为由金刚石相和石墨相的混合非晶碳材料。

可选地，所述金属陶瓷涂层的厚度为60～200μm；

所述碳基涂层的厚度为1～3μm。

可选地，所述金属陶瓷涂层的厚度为80～180μm；

所述碳基涂层的厚度为1.2～2.8μm。

可选地，所述金属陶瓷涂层的厚度选自80μm、83.97μm、88.9μm、95.3μm、180μm中的任意值或任意两值之间的范围值。

可选地，所述碳基涂层的厚度选自1.2μm、2.2μm、2.4μm、2.5μm、2.8μm中的任意值或任意两值之间的范围值。

可选地，所述复合涂层硬度为20～30Gpa；

与氧化铝球对磨的摩擦系数为0.08～0.2。

可选地，所述复合涂层的硬度为20Gpa、21.28Gpa、22.54Gpa、22.64Gpa、23.56Gpa、30Gpa中的任意值或任意两值之间的范围值。