專利名稱：一種經(jīng)熱處理的磁控濺射b-c-n三元硬質(zhì)涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料表面涂層的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種經(jīng)熱處理的磁控濺射 B-C-N三元硬質(zhì)涂層。
背景技術(shù)：
根據(jù)金剛石和立方BN (c-BN)的機(jī)構(gòu)相似性，人們理論上預(yù)期能夠合成B_C_N三元硬質(zhì)涂層，并期望其能夠兼具金剛石的超高硬度以及c-BN高溫穩(wěn)定性、抗氧化性等。而經(jīng)過(guò)廣泛的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，合成B-C-N三元硬質(zhì)涂層確實(shí)可行，并且B-C-N三元硬質(zhì)涂層也確實(shí)與金剛石和立方BN —樣具有超高的硬度，此外，與金剛石、氮化碳等硬質(zhì)涂層相比，其還具有高溫化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異、涂層的內(nèi)應(yīng)力低等無(wú)可比擬的使用優(yōu)點(diǎn)。因此，B-C-N三元硬質(zhì)涂層不但成為了硬質(zhì)涂層領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其在相應(yīng)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用也日益廣泛，具有不可估量的巨大性能潛力和廣泛應(yīng)用前景。而用于制備B-C-N三元硬質(zhì)涂層的方法也非常普遍，例如化學(xué)氣相沉積法和物理氣相沉積法等常規(guī)的合成制備方法都可以用來(lái)制備B-C-N三元硬質(zhì)涂層。但是使用化學(xué)氣相沉積方法時(shí)，往往其硼源氣體等都具有毒性，給環(huán)境和生產(chǎn)安全都造成很大的壓力；不但如此，研究表明化學(xué)氣相沉積方法制備的結(jié)果，都趨向于得到六角型B-C-N三元涂層而非立方B-C-N三元涂層。相比較而言，以濺射為特征的物理氣相沉積方法，因其通常使用固相靶源，則更為安全方便，尤其重要的是其趨向于制得立方B-C-N三元涂層。然而，對(duì)于B-C-N三元涂層的組成控制、與基體的緊密附著、涂層內(nèi)應(yīng)力的消除等問(wèn)題上，仍然存在各種各樣的不足，成為制約B-C-N三元硬質(zhì)涂層廣泛應(yīng)用的障礙。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的即在于為射頻磁控濺射B-C-N三元硬質(zhì)涂層制備方法選擇合適的工藝參數(shù)，從而獲得一種與基體結(jié)合緊密的高性能硬質(zhì)B-C-N三元硬質(zhì)涂層。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下首先，將金屬基體材料表面拋光，并分別用丙酮、酒精和去離子水等在超聲波清洗器中各清洗約IOmin后，用氮?dú)獯蹈蓚溆?。隨后，將基體材料置于真空室內(nèi)的樣品臺(tái)上，并將Ti靶和石墨/硼復(fù)合靶分別置于不同的靶位，其中所述的石墨/硼復(fù)合靶是將環(huán)狀的硼套在圓片狀的石墨外，且石墨與硼的面積比在2. 5 1-2 1之間，石墨的純度為99. 999%、硼的純度為99.9%，石墨/硼復(fù)合靶與基體材料距離為7-8cm。隨后將真空室內(nèi)真空度抽到彡5X IO-4Pa,同時(shí)通入流量為8-lOsccm的Ar，當(dāng)真空室氣壓為2-4 時(shí)，預(yù)濺射2-3min，預(yù)濺射的功率為50-70W，以進(jìn)一步清洗基體材料的表 隨后維持Ar的流量為8-10SCCm，控制基體材料溫度為40-50°C，當(dāng)真空室氣壓為1-1. 5Pa時(shí)，向基體材料施加100-150V的負(fù)偏壓，同時(shí)移開(kāi)Ti靶的擋板，以50-70W的功率進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間為5-lOmin，以形成一層純Ti涂層。隨后開(kāi)始通入流量為0. 3-0. 6sccm的N2,并維持Ar的流量為8-lOsccm、真空室氣壓為1-1. 5Pa、基體材料的負(fù)偏壓為100-150V、基體材料的溫度為40_50°C，繼續(xù)以50-70W 的功率進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間為15-25min，以形成一層Ti-N 二元涂層。隨后維持Ar的流量為8-lOsccm、真空室氣壓為1_1. 5Pa、基體材料的負(fù)偏壓為 100-150V,升高基體材料的溫度為250-300°C，N2的流量為0. 8-lsccm,移開(kāi)石墨/硼復(fù)合靶的擋板，Ti靶維持以50-70W的功率進(jìn)行濺射，而石墨/硼復(fù)合靶以100-110W功率進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間為15-25min，以形成Ti-B-C-N四元涂層。隨后維持Ar的流量為8-lOsccm、真空室氣壓為1_1. 5Pa、基體材料的負(fù)偏壓為 100-150V、基體材料的溫度為250-300°C，關(guān)閉Ti靶擋板而維持石墨/硼復(fù)合靶濺射,N2的流量升高為3. 5-4. kccm，濺射功率升高至130-140W，濺射時(shí)間為80_100min，以形成B-C-N 三元硬質(zhì)涂層。隨后維持Ar的惰性氣氛，在700_750°C的溫度下對(duì)涂層進(jìn)行退火處理，處理時(shí)間為 60-90min。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在金屬基體表面形成了 Ti、TiN, Ti-B-C-N多層過(guò)渡涂層，以提高B-C-N硬質(zhì)涂層與金屬基體良好的結(jié)合性能；同時(shí)，選用了合適的石墨/硼復(fù)合靶以及相應(yīng)的濺射工藝參數(shù)，獲得了接近于BC2N化學(xué)計(jì)量比的高性能硬質(zhì)涂層。
具體實(shí)施例方式下面，通過(guò)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。一種由于射頻(13. 56MHz)磁控濺射制得的B_C_N三元硬質(zhì)涂層，具體而言由以下步驟制備得到首先，選用W6Mo5Cr4V2高速鋼作為基體材料，將其表面拋光，并分別用丙酮、酒精和去離子水等在超聲波清洗器中各清洗約IOmin后，用氮?dú)獯蹈蓚溆?。隨后，將基體材料置于真空室內(nèi)的樣品臺(tái)上，并將Ti靶和石墨/硼復(fù)合靶分別置于不同的靶位，其中所述的石墨/硼復(fù)合靶是將環(huán)狀的硼套在圓片狀的石墨外，且石墨與硼的面積比在2. 2 1，石墨的純度為99. 999%、硼的純度為99.9%，石墨/硼復(fù)合靶與基體材料距離為8cm。隨后將真空室內(nèi)真空度抽到彡5X IO-4Pa,同時(shí)通入流量為9sCCm的Ar，當(dāng)真空室氣壓為3 時(shí)，預(yù)濺射2min，預(yù)濺射的功率為60W，以進(jìn)一步清洗基體材料的表面。隨后維持Ar的流量為9sCCm，控制基體材料溫度為40°C，當(dāng)真空室氣壓為1. 5Pa 時(shí)，向基體材料施加130V的負(fù)偏壓，同時(shí)移開(kāi)Ti靶的擋板，以60W的功率進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間為7min，以形成一層純Ti涂層。隨后開(kāi)始通入流量為0. 4sccm的N2,并維持Ar的流量為9sCCm、真空室氣壓為 1. 5Pa、基體材料的負(fù)偏壓為130V、基體材料的溫度為40°C，繼續(xù)以60W的功率進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間為20min，以形成一層Ti-N 二元涂層。隨后維持Ar的流量為9sCCm、真空室氣壓為1. 5Pa、基體材料的負(fù)偏壓為130V，升高基體材料的溫度為270°C，N2的流量為0. 9sCCm，移開(kāi)石墨/硼復(fù)合靶的擋板，Ti靶維持以60W的功率進(jìn)行濺射，而石墨/硼復(fù)合靶以IlOW功率進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間為20min，以形成Ti-B-C-N四元涂層。隨后維持Ar的流量為9sCCm、真空室氣壓為1. 5Pa、基體材料的負(fù)偏壓為130V、基體材料的溫度為270°C，關(guān)閉Ti靶擋板而維持石墨/硼復(fù)合靶濺射，隊(duì)的流量升高為4sCCm， 濺射功率升高至140W，濺射時(shí)間為90min，以形成B-C-N三元涂層。隨后維持Ar的惰性氣氛，在720°C的溫度下對(duì)涂層進(jìn)行退火處理，處理時(shí)間為 80mino經(jīng)測(cè)試，表面B-C-N硬質(zhì)涂層的厚度約為150nm，涂層表面的元素的原子百分含量為22. 3B-51. 6C-26. 1N，表面的硬度約為14GPa。表面外觀平整光滑，5mN時(shí)摩擦系數(shù)約為 0.95。在空氣中放置數(shù)日未有明顯開(kāi)裂、突起的問(wèn)題出現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種經(jīng)熱處理的磁控濺射B-C-N三元硬質(zhì)涂層，其由下述步驟制備得到首先，將金屬基體材料表面拋光，并分別用丙酮、酒精和去離子水等在超聲波清洗器中各清洗約IOmin后，用氮?dú)獯蹈蓚溆?。隨后，將基體材料置于真空室內(nèi)的樣品臺(tái)上，并將Ti靶和石墨/硼復(fù)合靶分別置于不同的靶位，其中所述的石墨/硼復(fù)合靶是將環(huán)狀的硼套在圓片狀的石墨外，且石墨與硼的面積比在2. 5 1-2 1之間，石墨的純度為99. 999%、硼的純度為99.9%，石墨/硼復(fù)合靶與基體材料距離為7-8cm。隨后將真空室內(nèi)真空度抽到彡5X 10_4Pa，同時(shí)通入流量為8-lOsccm的Ar，當(dāng)真空室氣壓為2-4 時(shí)，預(yù)濺射2-aiiin，預(yù)濺射的功率為50-70W，以進(jìn)一步清洗基體材料的表面。隨后維持Ar的流量為8-lOsccm，控制基體材料溫度為40-50°C，當(dāng)真空室氣壓為 1-1. 5Pa時(shí)，向基體材料施加100-150V的負(fù)偏壓，同時(shí)移開(kāi)Ti靶的擋板，以50-70W的功率進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間為5-lOmin，以形成一層純Ti涂層。隨后開(kāi)始通入流量為0. 3-0. 6sccm的N2,并維持Ar的流量為8-lOsccm、真空室氣壓為 1-1. 5Pa、基體材料的負(fù)偏壓為100-150V、基體材料的溫度為40_50°C，繼續(xù)以50-70W的功率進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間為15-25min，以形成一層Ti-N 二元涂層。隨后維持Ar的流量為8-lOsccm、真空室氣壓為1_1. 5Pa、基體材料的負(fù)偏壓為 100-150V,升高基體材料的溫度為250-300°C，N2的流量為0. 8-lsccm,移開(kāi)石墨/硼復(fù)合靶的擋板，Ti靶維持以50-70W的功率進(jìn)行濺射，而石墨/硼復(fù)合靶以100-110W功率進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間為15-25min，以形成Ti-B-C-N四元涂層。隨后維持Ar的流量為8-lOsccm、真空室氣壓為1_1. 5Pa、基體材料的負(fù)偏壓為 100-150V、基體材料的溫度為250-300°C，關(guān)閉Ti靶擋板而維持石墨/硼復(fù)合靶濺射,N2的流量升高為3. 5-4. kccm，濺射功率升高至130-140W，濺射時(shí)間為80_100min，以形成B-C-N 三元硬質(zhì)涂層。隨后維持Ar的惰性氣氛，在700-750°C的溫度下對(duì)涂層進(jìn)行退火處理，處理時(shí)間為 60-90min。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種經(jīng)熱處理的磁控濺射B-C-N三元硬質(zhì)涂層，其特征是 所述B-C-N三元硬質(zhì)涂層的厚度約為150nm，硬度約為15GPa，并且元素的原子百分含量為 22. 3B-51. 6C-26. 1N。
全文摘要
一種經(jīng)熱處理的磁控濺射B-C-N三元硬質(zhì)涂層，其是在金屬基體表面形成了Ti、TiN、Ti-B-C-N多層過(guò)渡涂層，以提高B-C-N硬質(zhì)涂層與金屬基體良好的結(jié)合性能；同時(shí)，選用了合適的石墨/硼復(fù)合靶以及相應(yīng)的濺射工藝參數(shù)，獲得了接近于BC2N化學(xué)計(jì)量比的高性能硬質(zhì)涂層，涂層中B-C-N的厚度約為150nm，薄膜表面的元素的原子百分含量為22.3B-51.6C-26.1N，表面的硬度約為14GPa。
文檔編號(hào)C23C14/34GK102321865SQ20111030749
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者戴圣英 申請(qǐng)人:寧波市瑞通新材料科技有限公司