一种复合体及其制备方法实用新型专利

专利名称：一种复合体及其制备方法

专利类型：实用新型专利

专利申请号：CN202310200185.X

专利申请（专利权）人：江苏徐工工程机械研究院有限公司
权利人地址：江苏省徐州市经济技术开发区驮蓝山路26号

专利发明（设计）人：冯森,蹤雪梅,何冰

专利摘要：本申请提供一种复合体，包括钢基体，以及生长在钢基体表面的渗氮层，以及层叠在渗氮层上的过渡层，以及层叠在过渡层上的功能层；其中，所述过渡层具有多层结构，所述过渡层包括ZrNb层，以及层叠在ZrNb层上的ZrNbN层；其中，所述功能层具有多层结构，所述功能层包括交替层叠的ZrNb层和DLC层。

主权利要求：
1.一种复合体，包括钢基体，以及生长在钢基体表面的渗氮层，以及层叠在渗氮层上的过渡层，以及层叠在过渡层上的功能层；
其中，所述过渡层具有多层结构，所述过渡层包括ZrNb层，层叠在ZrNb层上的ZrNbN层，以及层叠在ZrNbN层上的ZrNbCN层；
其中，所述功能层具有多层结构，所述功能层包括交替层叠的ZrNb层和DLC层，所述复合体的表面具有：1200 1500HV的表面硬度，和Ra0.2μm以下的表面粗糙度；并~且渗氮层、过渡层和功能层的结合力为80N以上。
2.根据权利要求1所述的复合体，所述功能层中距离所述钢基体最近的层为DLC层。
3.根据权利要求1所述的复合体，所述功能层中距离所述钢基体最远的层为DLC层。
4.根据权利要求1所述的复合体，所述功能层包括n层DLC层和n‑1层ZrNb层，n=10‑20。
5.根据权利要求1所述的复合体，所述DLC层中掺杂有Nb元素和Zr元素。
6.根据权利要求1所述的复合体，所述渗氮层的厚度为0.1 0.2μm。
~
7.根据权利要求1所述的复合体，所述过渡层的厚度为0.4 0.6μm。
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8.根据权利要求1所述的复合体，其中，所述功能层的厚度为1 3μm。
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9.根据权利要求1所述的复合体，其中，渗氮层、过渡层和功能层的厚度之和为1.5 3.8~μm。
10.根据权利要求1所述的复合体，所述钢基体的材料包括以下一种或多种：20Cr3MoWV钢、42CrMo钢、38CrMoAlA钢、31CrMoV9钢、20Cr钢、40Cr钢。
11.根据权利要求1所述的复合体，所述复合体是摩擦副零部件。
12.一种制备权利要求1‑11任一项所述的复合体的方法，包括：（1）提供钢基体；
（2）采用离子注入技术对钢基体进行渗氮处理，形成渗氮层；
（3）采用电弧沉积技术制备ZrNb层、ZrNbN层和ZrNbCN层，形成过渡层；
（4）采用电弧沉积技术交替制备ZrNb层和DLC层，形成功能层。 说明书 : 一种复合体及其制备方法技术领域[0001] 本申请属于材料加工技术领域，具体涉及一种复合体及其制备方法。背景技术[0002] 柱塞泵中柱塞与缸体内孔为一对摩擦副，通常简称为柱塞副。柱塞作为柱塞泵的关键零部件，在缸体内孔中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油，在工作时受滑靴偏置扭矩的作用。柱塞与缸体内孔的发生频繁冲击和剧烈摩擦，极易发生磨损导致内流漏量增加及容积效率降低，降低机械设备的作业效率，因此对柱塞进行表面强化提升柱塞耐磨性、抗冲击性对提高柱塞泵可靠性、节省全寿命周期费用具有重要的现实意义。[0003] 相关技术采用渗碳、渗氮或碳氮共渗技术对柱塞进行表面防护，采用镶嵌铜套或者硬氮化的技术对缸体内孔进行表面防护。在油膜破裂时，柱塞和缸体二者表现出较高的摩擦、产生大量的热量，容易导致柱塞磨损和缸体内孔的烧伤，且随着柱塞泵高速、高压、大排量的发展趋势，泵内工况愈加恶劣，传统热处理技术已越来越难以满足柱塞的服役性能需求。发明内容[0004] 发明人发现，为了提升柱塞泵服役性能，相关技术采用超音速火焰喷涂技术或等离子喷涂技术在柱塞制备陶瓷涂层，降低柱塞与缸体内孔之见的磨损，同时陶瓷涂层具有优异的耐腐蚀性能，在石油化工行业的应用较为广泛，如中国发明专利CN201710566954.2提出一种柱塞长寿命涂层制备方法，由喷焊重熔或表面感应淬火得到基体强化层，通过超音速火焰热喷涂工艺在基体强化层基础上制备金属陶瓷复合涂层，解决了传统柱塞无法满足油气田日益增长作业需求的缺陷。另一种柱塞服役性能提升方法为采用激光或者离子刻蚀在柱塞表面制备微织构，能够储存液压油并利用产生微流体动压效应实现柱塞表面润滑性能的提升，从而提升柱塞服役可靠性，如中国发明专利CN202010204323.8在柱塞制备了沟槽‑凹坑组合式织构,提高了柱塞摩擦副处的油膜承载力，减小摩擦力和端泄，降低机械损失，提升容积效率。[0005] 发明人发现，采用喷涂技术制备陶瓷涂层强化柱塞，容易导致柱塞产生较大的变形，并且喷涂过程无法避免孔隙的产生，通常需要对喷涂面进行磨削后再进行封孔处理，存在工序比较复杂，成本较高的问题。采用激光或离子刻蚀在柱塞表面制备具有微流动压效应的微织构，会导致残余应力和微裂纹的产生，微织构不能改变材料本身的润滑性能，容易发生磨损，在织构磨损后导致对柱塞的润滑失效。[0006] 针对现有技术难以满足柱塞服役性能需求，且工序繁琐、效率低下的问题，本发明提供一种应用于柱塞表面防护的高耐磨抗冲击涂层及其制备方法，该涂层能够极大提升柱塞的耐磨性、抗冲击性能，该方法能够提升柱塞的表面处理效率，具有该涂层的柱塞具有高可靠性，能够提升在交变载荷下的使用寿命。[0007] 在第一方面，本发明提供一种复合体，包括钢基体，以及生长在钢基体表面的渗氮层，以及层叠在渗氮层上的过渡层，以及层叠在过渡层上的功能层；[0008] 其中，所述过渡层具有多层结构，所述过渡层包括ZrNb层，以及层叠在ZrNb层上的ZrNbN层；[0009] 其中，所述功能层具有多层结构，所述功能层包括交替层叠的ZrNb层和DLC层。[0010] 在上述实施方案中，本发明提出的氮化层‑过渡层‑功能层复合结构，在保证涂层与基体之间结合力的基础上，具有较强的韧性和抵御频繁冲击变形的能力。[0011] 在上述方案中，氮化层‑过渡层‑功能层复合结构兼具高结合力、高耐磨性和高韧性，在大冲击、高载荷工况下具有高服役寿命。[0012] 在上述方案中，功能层采用锆铌合金‑锆铌掺杂DLC的软、硬交替形式，能够缓冲应力及提升涂层的整体韧性，赋予涂层耐磨性与抗冲击性。[0013] 在一些实施方案中，所述过渡层还包括层叠在ZrNbN层上的ZrNbCN层。[0014] 在一些实施方案中，所述功能层中距离所述钢基体最近的层为DLC层。[0015] 在一些实施方案中，所述功能层中距离所述钢基体最远的层为DLC层。[0016] 在一些实施方案中，所述功能层包括n层DLC层和n‑1层ZrNb层，n＝10‑20。[0017] 在一些实施方案中，所述DLC层中掺杂有Nb元素和Zr元素。[0018] 在一些实施方案中，所述渗氮层的厚度为0.1～0.2μm。[0019] 在一些实施方案中，所述过渡层的厚度为0.4～0.6μm。[0020] 在一些实施方案中，所述功能层的厚度为1～3μm。[0021] 在一些实施方案中，所述的复合体，渗氮层、过渡层和功能层的厚度之和为1.5～3.8μm。[0022] 在一些实施方案中，所述钢基体的材料包括以下一种或多种20Cr3MoWV钢、42CrMo钢、38CrMoAlA钢、31CrMoV9钢、20Cr钢、40Cr钢中的一种或多种。[0023] 在一些实施方案中，所述复合体是摩擦副零部件。[0024] 在一些实施方案中，所述复合体是液压泵摩擦零件。[0025] 在一些实施方案中，所述复合体选自以下一种或多种：液压泵马达柱塞、斜盘、回程盘。[0026] 在一些实施方案中，所述复合体是具有上述抗冲击高耐磨涂层的柱塞，具有优异的摩擦适应性，与现有的氮化、镶铜、陶瓷等缸体内孔表面层均表现出优异的摩擦匹配性，能够显著改善柱塞副的可靠性。[0027] 在一些实施方案中，复合体选自以下一种或多种：液压零部件、燃油零部件。[0028] 在一些实施方案中，复合体选自以下一种或多种：齿轮泵零部件、叶片泵零部件、液压阀零部件、汽车燃油泵零部件。[0029] 在一些实施方案中，所述复合体的表面具有以下一项或多项特征：[0030] (1)表面硬度为1200～1500HV；[0031] (2)表面粗糙度在Ra0.2μm以下；[0032] (3)渗氮层、过渡层和功能层的结合力为80N以上。[0033] 在第二方面，本发明提供一种制备上述任一项所述的复合体的方法，包括：[0034] (1)提供钢基体；[0035] (2)采用离子注入技术对钢基体进行渗氮处理，形成渗氮层；[0036] (3)采用电弧沉积技术制备ZrNb和的ZrNbN层，形成梯度层；[0037] (4)采用电弧沉积技术交替制备ZrNb层和DLC层，形成功能层。[0038] 在一些实施方案中，步骤(3)还包括：采用电弧沉积技术制备ZrNbCN层。[0039] 在上述方案中，采用离子注入金属进行渗氮处理，能够快速提升基体材料的表面硬度，为复合涂层的沉积快速建立有效支撑。[0040] 在上述方案中，采用过滤电弧复合脉冲电弧技术制备梯度过渡层，能够缓解周期功能层与基体间的材料力学性能差异，保证层与基体间的结合力。[0041] 在上述方案中，将离子注入技术与PVD技术(脉冲电弧技术和过滤电弧技术)结合，提升了柱塞的表面处理效率，降低了柱塞的表面处理成本。[0042] 在一些实施方案中，可以采用磁控溅射、直流电弧技术激发金属靶材、石墨靶材。[0043] 在一些实施方案中，制备复合体的方法包括对钢基体进行机械加工的操作，具体包括：对钢基体进行调质处理，然后进行机械加工，获得试样需要的外形尺寸。[0044] 在一些实施方案中，制备复合体的方法包括超声清洗的操作，没具体包括：首先采用金属清洗剂漂洗试样，去除表面机械加工过程残留的油脂、金属碎屑等，然后采用去离子水、无水酒精、汽油溶剂分别对试样进行超声清洗，去除试样表面的微观杂质等其他附着物，使用氮气吹干后，放入鼓风干燥箱中待用；[0045] 在一些实施方案中，制备复合体的方法包括辉光清洗的操作，具体包括：将试样放‑3入真空室，调节转架转速2～3r/min，抽取真空至5×10 Pa，真空室加热至300℃后保温15min，通入氩气，保持真空室压力在2～4Pa，脉冲偏压800～1000V，频率20KHz，占空比0.2，清洗试样15～20min；[0046] 在一些实施方案中，制备复合体的方法包括渗氮层制备的操作，具体包括：关闭氩气，阳极层离子源的管路中通入氮气，压力0.1～0.3Pa，调节温度至450℃，偏压20～30KV，占空比0.5，开启离子源，电压650～850V，占空比0.4～0.6，对工件表面进行氮离子注入3～4h，获得渗氮层；[0047] 在一些实施方案中，制备复合体的方法包括过渡层的制备的操作，具体包括：关闭氮气、离子源，调节偏压至100～200V，占空比0.8，温度200℃，磁过滤电弧源5的弧电流为50～55A，磁过滤电弧源7的弧电流为70‑75A，沉积ZrNb合金层5～10min；缓慢通入氮气，压力在10min内从0均匀增加至0.3Pa，沉积ZrNbN层；调节脉冲电弧源6的工作电源280‑320V，频率在15min内从1Hz增加至15Hz，每分钟的步进幅度为1Hz，沉积ZrNbCN层，从而获得了ZrNb‑ZrNbN‑ZrNbCN梯度式过渡层；[0048] 在一些实施方案中，制备复合体的方法包括功能层的制备的操作，具体包括：关闭氮气，调节偏压至100V，脉冲电弧源6的频率10Hz，磁过滤电弧源5的电流50A，磁过滤电弧源7的电流60A，沉积Nb、Zr共掺杂DLC层8‑10min，然后关闭脉冲电弧源6，保持磁过滤电弧源5和7的弧电流不变，持续2～4min，沉积ZrNb合金层，重复以上步骤10～20次，获得周期式、软硬交替的ZrNb～DLC功能层，功能层的总层数为奇数(≥21)，其中两端均为Nb、Zr共掺杂DLC层；[0049] 在一些实施方案中，制备复合体的方法包括冷却的槽，具体包括：待真空室冷却至室温后，将试样取出。[0050] 在第三方面，本发明提供一种用于制备上述任一项所述的复合体的镀膜装置，所述装置包括：[0051] 所述复合镀膜装置将脉冲电弧源、磁过滤电弧源、阳极层离子源集成于一个真空室；[0052] 所述脉冲电弧、磁过滤电弧源、阳极层离子源拥有共同的溅射区域。[0053] 在一些实施方案中，脉冲电弧源垂直安装在真空室的侧壁上，中心轴与工件转架的中心轴相交，脉冲电弧源的靶材为高纯石墨。[0054] 在一些实施方案中，磁过滤电弧源为弯管过滤电弧源，垂直安装在真空室的侧壁上，对称分布在脉冲电弧源两侧，与脉冲电弧源处于同一高度，脉冲电弧源的靶材分别为高纯Zr靶材和高纯Nb靶材。[0055] 在一些实施方案中，弯管过滤为60°‑120°，例如改变90°。[0056] 在一些实施方案中，Nb靶材和Zr靶材可以被替换为ZrNb合金靶材。在一些实施方案中，石墨靶材可以被替换为ZrNbC复合靶材。[0057] 在一些实施方案中，阳极层离子源垂直安装在真空室的侧壁上，中心轴与工件转架的中心轴相交，与脉冲电弧源处于同一高度。[0058] 在上述方案中，本发明将脉冲电弧、过滤电弧、离子束三种技术集成于一体，能够实现多种金属及非金属元素的掺杂及对掺杂元素含量、薄膜性能的精确调控，具有较强的科研和应用价值。[0059] 术语说明：[0060] 术语“渗氮”是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。对钢基体进行渗氮可形成渗氮层，按照Fe‑N相图，由表及里渗氮层的组织分别为氮化物层、氮化物+含氮α和含氮α三层。[0061] 离子渗氮是采用离子注入的方法将氮原子渗入钢基体。离子注入是将所需的气体或固体蒸气在真空系统中电离，引出离子束后在数千电子伏至数十万电子伏加速下直接注入材料，达一定深度，从而改变材料表面的成分和结构，达到改善性能的目的。[0062] DLC层(Diamond‑likecarbon(DLC)coating，类金刚石碳层)。类金刚石层具有类似金刚石性质，因此称之为类金刚石碳层，简称DLC层。DLC结构的C原子排列十分类似流行的非晶态结构，但夹杂多晶和金刚石或单晶簇团，使其具有了某些类似晶态金刚石的性质,但与天然刚石的结晶结构并不相同。[0063] 制取DLC层脉冲电弧技术，靶材是固体石墨，是采用真空电弧激发石墨靶材，产生碳离子，沉积在工件表面形成DLC膜。[0064] 制取DLC层还可以采用离子束方法，例如DIBSD方法：用Ar+离子束溅射石墨靶，产生溅射C原子通过量沉积于沉底表面，在生产和生长完全无序化C薄膜过程中，施加能量地+域1000eV的Ar辅助宏基，通过非反映增强型DIBSD过程，使无需C转变为亚稳态DLC薄膜。再例如，直接离子束沉积方法。将C‑H化合物气体或与Ar气的混合气体通入离子源，通过在离+ +子源放电室内哦离化C‑H化合物气体，产生携带一定能量的C离子轰击衬底，只要C离子的到达速率高于沉积C原子的再溅射速率，在村底上产生凝聚的C原子，并在凝聚过程受到同一离子束的辅助轰击，经过离子热峰作用过程使沉积C原子形成DLC结构。以上2种方法都可沉积出DLC薄膜和具有类似的物理性质。[0065] DLC层中可以掺杂有Zr元素，掺杂量为30000‑60000ppm，优选为40000‑50000ppm。[0066] DLC层中可以掺杂有Nb元素，掺杂量为5000‑15000ppm，优选为8000～10000ppm。[0067] 术语“ZrNb层”的材质为ZrNb合金，Zr和Nb的质量比为6‑8:12‑14，例如7:13。[0068] 术语“ZrNbN层”的材质为ZrNbN合金，Zr、Nb和N的质量比为5‑7:9‑11:1，例如6:10:1[0069] 术语“ZrNbCN层”的材质为ZrNbCN合金，Zr、Nb、C和N的质量比为7‑9:11‑13:0.8‑1.2:0.8‑1.2，例如8:12:1:1。[0070] 本申请的有益效果：[0071] 本发明一个或多个技术方案具有以下一个或多个有益效果：[0072] (1)本发明提出的氮化层‑过渡层‑功能层复合结构，在保证涂层与基体之间结合力的基础上，具有较强的韧性和抵御频繁冲击变形的能力。[0073] (2)氮化层和过渡层能够缓解表功能层与柱塞基体材料之间的材料力学性能差异，提升功能层的结合力和承载能力。[0074] (3)功能层采用周期式软硬交替的[ZrNb‑DLC]n，兼具强韧性和高硬度，能够显著改善柱塞的耐磨性和抗冲击能力，其中DLC层可以采用Zr、Nb双金属元素进行掺杂，进一步改善了DLC自身的韧性，保障了与ZrNb合金层的紧密结合。[0075] (4)本发明的复合体作为柱塞表现出超强摩擦适应性，当缸体内孔采用氮化、镶铜或者陶瓷时，本发明的柱塞均与缸体内孔表现出优异的摩擦匹配性，能够极大提升柱塞副的可靠性。[0076] (5)本发明将脉冲电弧、过滤电弧、离子束三种技术集成于一体，能够实现多种金属及非金属元素的掺杂及对掺杂元素含量、薄膜性能的精确调控，具有较强的科研和应用价值。[0077] (6)将离子注入与脉冲电弧和过滤电弧技术结合，应用于柱塞表面处理，极大地缩短了柱塞表面处理的时间，提升了柱塞的表面处理效率。附图说明[0078] 图1示出一个本发明的复合体的示意图。[0079] 图2示出一个本发明的镀膜装置。[0080] 图3示出一个本发明制备复合体的方法的流程图。[0081] 图4的(a)示出一个摩擦副和实施例1的圆柱试样。[0082] 图4的(b)示出一个摩擦副和对比例1的圆柱试样。[0083] 图5示出试样在磨损实验中摩擦系数随时间变化的曲线。具体实施方式[0084] 现在将详细提及本申请的具体实施方案。尽管结合这些具体的实施方案描述本申请，但应认识到不打算限制本申请到这些具体实施方案。相反，这些实施方案意欲覆盖可包括在由权利要求限定的发明精神和范围内的替代、改变或等价实施方案。在下面的描述中，阐述了大量具体细节以便提供对本申请的全面理解。本申请可在没有部分或全部这些具体细节的情况下被实施。在其它情况下，为了不使本申请不必要地模糊，没有详细描述熟知的工艺操作。[0085] 当与本说明书和附加权利要求中的“包括”、“方法包括”、或类似语言联合使用时，单数形式“某”、“某个”、“该”包括复数引用，除非上下文另外清楚指明。除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。[0086] 除非特别说明，本申请实施例所用试验条件为本领域常规试验条件。除非特别说明，本申请实施例所用试剂均为市购。[0087] 图1示出一个本发明的复合体的示意图。如图所示，复合体包括钢基体50，以及生长在钢基体50表面的渗氮层10，以及层叠在渗氮层10上的过渡层20，以及层叠在过渡层20上的功能层30；[0088] 其中，所述过渡层20具有多层结构，所述过渡层20包括ZrNb层21，以及层叠在ZrNb层21上的ZrNbN层22，以及层叠在ZrNbN层22上的ZrNbCN层23；[0089] 其中，所述功能层30具有多层结构，所述功能层30包括交替层叠的ZrNb层32和DLC层31。[0090] 图2示出一个本发明的镀膜装置，该装置包括：真空室1、加热系统2、抽气系统3、脉冲偏压系统4、脉冲电弧源6、磁过滤电弧源(5，7)、布气系统8、阳极层离子源9和工件转架10，其中：[0091] 脉冲电弧源6垂直安装在真空室1的侧壁上，中心轴与工件转架10的中心轴相交，脉冲电弧源6的靶材为高纯石墨；[0092] 磁过滤电弧源(5，7)为90°弯管过滤电弧源，垂直安装在真空室1的侧壁上，对称分布在脉冲电弧源6两侧，与脉冲电弧源6处于同一高度，脉冲电弧源(5，7)的靶材分别为高纯Zr靶材和高纯Nb靶材；[0093] 阳极层离子源9垂直安装在真空室1的侧壁上，中心轴与工件转架10的中心轴相交，与脉冲电弧源6处于同一高度；[0094] 所述脉冲电弧6、磁过滤电弧源5和7、阳极层离子源9拥有共同的溅射区域；[0095] 上述镀膜装置将脉冲电弧源、磁过滤电弧源、阳极层离子源集成于一个真空室，能够实现多种镀膜功能。例如，能够在基体表面制备：Zr、Nb金属单质薄膜、ZrNb双合金薄膜、ZrC、ZrNbC、ZrNbN、ZrNbCN等陶瓷薄膜，及多元掺杂类金刚石薄膜的制备。[0096] 图3示出了制备复合体的方法的流程图。如图所示，制备方法包括以下步骤：(S1)机械加工；(S2)超声清洗；(S3)辉光清洗；(S4)渗氮层制备；(S5)过渡层的制备；(S6)功能层的制备；(S7)冷却。下面结合具体实施例具体讨论。[0097] 实施例1[0098] 采用上述镀膜装置制备制备复合体的方法如下：[0099] (S1)机械加工：对钢基体(38CrMoAlA)进行调质处理，然后进行车削、磨削外径、磨球头和超精磨等机械加工，获得试样需要的外形尺寸(圆柱形，直径32mm)及表面粗糙度(Ra0.2μm)；[0100] (S2)超声清洗：首先采用金属清洗剂漂洗试样，去除表面机械加工过程残留的油脂、金属碎屑等，然后采用去离子水、无水酒精、汽油溶剂分别对试样进行超声清洗30min，去除试样表面的微观杂质等其他附着物，使用氮气吹干后，放入鼓风干燥箱中待用；[0101] (S3)辉光清洗：将试样放入真空室，调节转架转速2～3r/min，抽取真空至5×10‑3Pa，真空室加热至300℃后保温15min，通入氩气，保持真空室压力在2～4Pa，脉冲偏压800～1000V，频率20KHz，占空比0.2，清洗试样15～20min；[0102] (S4)渗氮层制备：关闭氩气，阳极层离子源的管路中通入氮气，压力0.1～0.3Pa，调节温度至450℃，偏压20～30KV，占空比0.5，开启离子源，电压650～850V，占空比0.4～0.6，对工件表面进行氮离子注入3～4h，获得渗氮层；[0103] (S5)过渡层的制备：关闭氮气、离子源，调节偏压至100～200V，占空比0.8，温度200℃，磁过滤电弧源5的弧电流为50～55A，磁过滤电弧源7的弧电流为70‑75A，沉积ZrNb合金层5～10min；缓慢通入氮气，压力在10min内从0均匀增加至0.3Pa，沉积ZrNbN层；调节脉冲电弧源6的工作电源280‑320V，频率在15min内从1Hz增加至15Hz，每分钟的步进幅度为1Hz，沉积ZrNbCN层，从而获得了ZrNb‑ZrNbN‑ZrNbCN梯度式过渡层；[0104] (S6)功能层的制备：关闭氮气，调节偏压至100V，脉冲电弧源6的频率10Hz，磁过滤电弧源5的电流50A，磁过滤电弧源7的电流60A，沉积Nb、Zr共掺杂DLC层8‑10min，然后关闭脉冲电弧源6，保持磁过滤电弧源5和7的弧电流不变，持续2～4min，沉积ZrNb合金层，重复以上步骤10～20次，获得周期式、软硬交替的ZrNb～DLC功能层，功能层的总层数为奇数(≥21)，其中两端均为Nb、Zr共掺杂DLC层；[0105] (S7)冷却：待真空室冷却至室温后，将试样取出。[0106] 表1[0107][0108][0109] 对比例1[0110] (S1)柱塞机械加工：对钢基体(38CrMoAlA)进行调质处理，然后进行车削、磨削外径、磨球头和超精磨等机械加工，获得柱塞需要的外形尺寸(圆柱形，直径32mm)及表面粗糙度(Ra0.2μm)；[0111] (S2)柱塞预超声清洗：首先采用金属清洗剂漂洗柱塞，去除表面机械加工过程残留的油脂、金属碎屑等，然后采用去离子水、无水酒精、汽油溶剂分别对柱塞进行超声清洗30min，去除柱塞表面的微观杂质等其他附着物，使用氮气吹干后，放入鼓风干燥箱中待用；[0112] (S3)柱塞辉光清洗：将柱塞放入真空室，调节转架转速2～3r/min，抽取真空至5×‑310 Pa，真空室加热至300℃后保温15min，通入氩气，保持真空室压力在2～4Pa，脉冲偏压800～1000V，频率20KHz，占空比0.2，清洗柱塞15～20min；[0113] (S4)渗氮层的制备：关闭氩气，阳极层离子源的管路中通入氮气，压力0.1～0.3Pa，调节温度至450℃，偏压20～30KV，占空比0.5，开启离子源，电压650～850V，占空比0.4～0.6，对工件表面进行氮离子注入3～4h，获得渗氮层(深度0.4mm)。[0114] 分析检测[0115] (1)硬度检测[0116] 参照ASTME384‑2017材料显微压痕硬度的标准试验方法[0117] (2)结合力检测[0118] 参照ISO20502‑2005细陶瓷(高级陶瓷、高级工业陶瓷).用划痕试验测定陶瓷涂层的粘附性[0119] (3)表面粗糙度[0120] 参照GB/T31227‑2014原子力显微镜测量溅射薄膜表面粗糙度的方法[0121] (4)摩擦副匹配试验[0122] 使用MMW‑2摩擦磨损试验机进行了油润滑条件下的摩擦副匹配试验，液压油为徐工AE46液压油，加载压力2000N，转速1000r/min，实验时间4h。[0123] 图4的(a)示出一个摩擦副(锡青铜环形试样)和实施例1的圆柱试样。图4的(b)示出一个摩擦副(锡青铜环形试样)和对比例1的圆柱试样。[0124] 图5示出了实施例1和对比例1的试样在磨损实验中摩擦系数随时间变化的曲线。[0125] 测试结果表明：[0126] 硬度 结合力 粗糙度 摩擦系数 磨损失重实施例1 1245HV 85N Ra0.17μm 0.17 0.012g对比例1 750HV / Ra0.19μm 0.28 0.04g[0127] 本发明制备的具有高耐磨抗冲击性能涂层的柱塞泵柱塞，由基体表面向外依次有渗氮层、ZrNb‑ZrNbN‑ZrNbCN梯度式过渡层和[ZrNb‑DLC]n周期式功能层，表面硬度达到1200～1500HV，相对渗氮、渗碳等传统工艺提升了至少1倍，涂层与基体的结合力达到了80N以上，涂层厚度为1.5～3.8μm，表面粗糙度在Ra0.17μm以下。[0128] 如图4所示，对比例1的试样出现了烧结状况，实施例1的试样只有铜出现了轻微磨损。[0129] 如图5所示，与对比例1相比，实施例1的摩擦系数仅为0.17，与对比例1相比降低了33.3％，实施例1的样品的磨损失重仅为0.012g，与对比例1相比降低了70％。[0130] 本发明的涂层制备方法不仅适用于柱塞，也适用于斜盘、回程盘等其他液压泵摩擦零部件，能够提升柱塞泵在复杂恶劣工况下综合服役性能，具有极高的工业推广应用价值。[0131] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本申请技术方案的精神，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。

专利地区：江苏

专利申请日期：2023-03-03

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN116162902B