硬質(zhì)涂層及其制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種AlB2型WB2硬質(zhì)涂層及其制備工藝，屬于金屬材料表面沉積硬質(zhì)耐磨涂層【技術(shù)領(lǐng)域】。通過調(diào)控涂層組成成分、沉積溫度和襯底偏壓，采用直流磁控濺射的方法，在高速鋼或硬質(zhì)合金基體上成功制備了WB2（AlB2型）硬質(zhì)耐磨涂層。該結(jié)構(gòu)涂層呈現(xiàn)較高的顯微硬度、較低的平均摩擦系數(shù)及磨損率。本發(fā)明所涉及的這種WB2（AlB2型）硬質(zhì)涂層被成功合成，可顯著改善刀具或工件表面的硬度及耐磨性，對于超硬硼化物涂層的理論研究和實際應(yīng)用具有重要意義。
【專利說明】—種AIB2型WB2硬質(zhì)涂層及其制備工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明屬于金屬材料表面沉積硬質(zhì)耐磨涂層【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種AlB2型WB2硬質(zhì)涂層及其制備工藝。

【背景技術(shù)】
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[0002]超硬材料被廣泛應(yīng)用于切削加工業(yè)、模具工業(yè)、地質(zhì)鉆探以及航空航天等領(lǐng)域。但隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，難加工材料越來越多，使得某些傳統(tǒng)刀具材料無法滿足日趨復(fù)雜的切削性能要求。金剛石目前仍保持著自然界中已知的最硬材料?？墒墙饎偸谑褂弥幸灿芯窒?，切削金屬時易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而迅速磨損。相反，具有同金剛石類似結(jié)構(gòu)的立方氮化硼-目前已知第二硬的材料，則具有較高的熱穩(wěn)定性及化學(xué)惰性，可用于加工黑色金屬。但是它形成條件較為苛刻，需要在高溫高壓條件下進(jìn)行合成，導(dǎo)致使用成本較高。因此，尋找新型高硬度材料是實驗工作者和理論工作者非常關(guān)心的研究課題。
[0003]目前，過渡金屬硼化物已成為研究熱點。其中，WB2被認(rèn)為是WBx體系中極具應(yīng)用前景的潛在超硬材料。實驗中發(fā)現(xiàn)，WB2具有兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)(即WB2和AlB2型)。目前該材料(WB2型)可商業(yè)生產(chǎn)，但關(guān)于該材料(AlB2型)的合成卻鮮有報道。至今也沒有發(fā)現(xiàn)關(guān)于AlB2型WB2的成功制備及其物理和力學(xué)性能方面的實驗報道。目前，過渡金屬硼化物的研究多集中在高溫高壓塊體合成方面，而有關(guān)薄膜/涂層制備方面的研究較少。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種AlB2型WB2硬質(zhì)涂層及其制備工藝，以提高刀具或工件表面硬度和耐磨性的要求。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]一種AlB2型WB2硬質(zhì)涂層，該涂層沉積在高速鋼或硬質(zhì)合金基材表面，涂層與基材的結(jié)合力大于50N，涂層硬度> 40GPa ;涂層厚度為I?3.0 μ m，涂層的平均摩擦系數(shù)為?0.23,磨損率為 6.5x10 6Him3N 1Ii1、
[0007]上述AlB2型WB2硬質(zhì)涂層的制備工藝，該工藝是選擇WB2型WB2為靶材，采用直流磁控濺射技術(shù)在基材表面沉積AlB2型WB2涂層。具體包括如下步驟:
[0008](I)預(yù)處理過程:沉積前需對基材進(jìn)行預(yù)處理，具體為:將基材打磨至Ra =0.4 4!11，然后先用丙酮超聲清洗151^11，再用酒精漂洗后烘干；待真空室內(nèi)真空度達(dá)到5X10_3Pa?lX10_2Pa時，先通入氬氣，氣壓控制在0.5?2Pa之間，然后開啟基體偏壓至-100V?-300V范圍，使氣體發(fā)生輝光放電，對基材進(jìn)行輝光清洗5?15分鐘；
[0009](2)采用直流磁控濺射技術(shù)沉積WB2涂層，工藝參數(shù)為:靶基距50?100mm，設(shè)定氣壓為0.2-0.8Pa,革巴電壓300?400V,電流0.5?1.5A，基體偏壓為O?-300V,占空比20?40%，沉積溫度100?700°C ;根據(jù)所需涂層厚度設(shè)定沉積時間。
[0010](3)沉積結(jié)束后，停止通入氬氣，關(guān)閉基體偏壓電源，關(guān)閉濺射電源開關(guān)，繼續(xù)抽真空，樣品隨爐冷卻至50°C以下，將樣品從爐內(nèi)取出。
[0011]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0012]1、本發(fā)明是在高速鋼或硬質(zhì)合金表面沉積WB2 (AlB2型)涂層，選用WB2型WB2靶材(保證靶材成分B/W(at.%) =2)，采用直流磁控濺射技術(shù)沉積，沉積過程中通過精確控制氬氣流量、沉積溫度和基體偏壓等工藝參數(shù)，獲得性能優(yōu)異的WB2 (AlB2型)硬質(zhì)涂層。
[0013]2、本發(fā)明所制備的薄膜，其硬度可達(dá)到40GPa以上，膜/基結(jié)合力達(dá)到50N以上，以及良好的摩擦磨損性能(平均摩擦系數(shù)?0.23，磨損率6.5xlO_6mm3N_1m_1)o
[0014]3、本發(fā)明證明了一些高壓相在非平衡條件下通過PVD方法在原子尺度范圍內(nèi)進(jìn)行合成的可能性。
[0015]4、本發(fā)明所涉及的WB2 (AlB2型)涂層可應(yīng)用于刀具或工件表面的防護(hù)，并能有效延長其使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
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[0016]圖1為WB2 (AlB2型)涂層的XRD圖譜。
[0017]圖2為WB2 (AlB2型)涂層的斷面SEM形貌。
[0018]圖3為WB2 (AlB2型)涂層的顯微硬度。
[0019]圖4為WB2 (AlB2型)涂層的摩擦系數(shù)(摩擦副為Al2O3球)。

【具體實施方式】
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[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0021]以下實施例中沉積涂層采用的直流磁控濺射設(shè)備購于成都普斯特電氣有限責(zé)任公司，型號為MS-15B。鍍膜前基材的表面依次經(jīng)過研磨、拋光、超聲清洗和干燥，具體是首先將基材打磨后拋光至Ra = 0.4 μ m，然后先用丙酮超聲清洗15min，再用酒精漂洗，最后烘干后再放入真空室樣品臺上進(jìn)行鍍膜。
[0022]實施例1
[0023]基材采用高速鋼(牌號為W18Cr4V)，試樣尺寸為270mmX70mmX7mm.。鍍膜前表面先經(jīng)過研磨、拋光、超聲清洗、干燥后，放入真空室樣品臺上，待真空室內(nèi)真空度達(dá)到5 X 10?時，打開氣體質(zhì)量流量控制器，通氬氣到2.0Pa，加基體偏壓至-180V，對樣品進(jìn)行輝光清洗15分鐘。此后，進(jìn)入薄膜沉積過程，具體工藝參數(shù)為:靶基距為50mm，設(shè)定氣壓為0.3Pa，靶電壓360V，電流0.5A，基體偏壓為-180V，占空比30%，沉積溫度680°C，總沉積時間為120分鐘。沉積結(jié)束后，迅速降偏壓，關(guān)閉濺射靶電源開關(guān)，停氣，繼續(xù)抽真空，隨爐冷卻至真空室溫度降至50°C以下時，最后開啟真空室取出工件。
[0024]涂層的XRD圖譜如圖1所示,實驗結(jié)果與Woods et al結(jié)果吻合,證明所得到的涂層為WB2 (AlB2型)涂層。
[0025]從圖2可知，涂層厚度約為2.8 μ m，為典型的柱狀晶結(jié)構(gòu)。經(jīng)電子探針(EPMA)成分分析表明，W/B原子比為1.9:1，接近靶材的化學(xué)計量比。
[0026]涂層的顯微硬度如圖3所示，考慮壓痕尺寸效應(yīng)，每個樣品經(jīng)過多次測量，獲得最高點顯微硬度為49.8GPa，平均硬度為43.2GPa，屬于超硬涂層范疇。
[0027]從圖4可知，涂層在摩擦磨損過程中呈現(xiàn)不同的階段，其穩(wěn)態(tài)平均摩擦系數(shù)為?0.23。與氧化招球?qū)δジ?相應(yīng)的涂層磨損率(6.5xlO_6mm3N_1m_1)o
[0028]實施例2
[0029]基材米用硬質(zhì)合金(牌號為YG6),試樣尺寸為20mmX20mmX3mm。鍍膜前表面先經(jīng)過研磨、拋光、超聲清洗、干燥后，放入真空室樣品臺上，待真空室內(nèi)真空度達(dá)到5X10_3Pa時，打開氣體質(zhì)量流量控制器，通氬氣到0.8Pa，加基體偏壓至-180V，對樣品進(jìn)行輝光清洗10分鐘。此后，進(jìn)入薄膜沉積過程，具體工藝參數(shù)為:靶基距為70mm，設(shè)定氣壓為0.5Pa，靶電壓380V，電流0.8A，基體偏壓為-50V，占空比為25%，沉積溫度400°C，總沉積時間為80分鐘。沉積結(jié)束后，迅速降偏壓，關(guān)閉濺射靶電源開關(guān)，停氣，繼續(xù)抽真空，隨爐冷卻至真空室溫度降至50°C以下時，最后開啟真空室取出工件。
[0030]隨后對涂層的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)和摩擦磨損性能進(jìn)行測試。同實施例1，所得涂層為WB2 (AlB2型)涂層。電子探針(EPMA)成分分析表明，W/B原子比為1.5:1，為亞計量比。該工藝條件下涂層顯微硬度有所降低(?36GPa)，其穩(wěn)態(tài)平均摩擦系數(shù)為?0.36。與氧化鋁球?qū)δジ?，相?yīng)的涂層磨損率(2.SxlO^mm^V1).,
[0031]實施例結(jié)果表明，本發(fā)明通過磁控濺射技術(shù)在非平衡條件下成功制備了 WB2 (AlB2型)涂層，該涂層呈現(xiàn)了高硬度及優(yōu)異的摩擦磨損性能，可顯著改善刀具或工件表面的硬度及耐磨性，對于超硬硼化物涂層的理論研究和實際應(yīng)用具有重要意義。
【權(quán)利要求】
1.一種AlB2型WB2硬質(zhì)涂層，其特征在于:所述AlB2型WB2硬質(zhì)涂層沉積在高速鋼或硬質(zhì)合金基材表面，涂層與基材的結(jié)合力大于50N，涂層硬度> 40GPa。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AlB2型WB2硬質(zhì)涂層，其特征在于:涂層厚度為I?3μ m，涂層的平均摩擦系數(shù)為?0.23,磨損率為6.5x1 (T6Inm3Pf1Iir1tj
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AlB2型WB2硬質(zhì)涂層的制備工藝，其特征在于:該工藝是選擇WB2型WB2為靶材，采用直流磁控濺射技術(shù)在基材表面沉積AlB2型WB2涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的八182型胃82硬質(zhì)涂層的制備工藝，其特征在于:該工藝包括如下步驟: (1)預(yù)處理過程:沉積前需對基材進(jìn)行預(yù)處理，具體為:將基材打磨至Ra= 0.4 μ m，然后先用丙酮超聲清洗15min，再用酒精漂洗后烘干；待真空室內(nèi)真空度達(dá)到5X KT3Pa?I X 10_2Pa時，先通入氬氣，氣壓控制在0.5?2Pa之間，然后開啟基體偏壓至-100V?-300V范圍，使氣體發(fā)生輝光放電，對基材進(jìn)行輝光清洗5?15分鐘； (2)采用直流磁控濺射技術(shù)沉積WB2涂層，工藝參數(shù)為:靶基距50?100mm，設(shè)定氣壓為0.2-0.8Pa，靶電壓300?400V,電流0.5?1.5A，基體偏壓為O?-300V,占空比20?40%，沉積溫度100?700°C。 (3)沉積結(jié)束后，停止通入氬氣，關(guān)閉基體偏壓電源，關(guān)閉濺射電源開關(guān)，繼續(xù)抽真空，樣品隨爐冷卻至50°C以下，將樣品從爐內(nèi)取出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的AlB2型WB2硬質(zhì)涂層的制備工藝，其特征在于:步驟(2)中，根據(jù)所需涂層厚度設(shè)定沉積時間。
【文檔編號】C23C14/35GK104513954SQ201310445407
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】裴志亮, 蔣春磊, 劉艷明, 華偉剛, 劉山川, 趙明, 楊文進(jìn), 高超, 祖亞培, 陳育秋, 宮駿, 孫超 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所