CN101525734B - 一种制备硼碳氮硬质涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备硼碳氮硬质涂层的方法，该方法包括下列步骤：将预处理好的基体放入电弧增强磁控溅射离子镀膜设备的转架杆上面，采用平面对靶的方式将平面B4C靶安置在炉体内壁上；通入氩气到真空室，对真空室和预处理好的基体进行清洗；清洗完成后，在基体表面镀Ti基层，然后镀TiN过渡层；在该TiN过渡层形成的基础上制备TiBCN过渡层，在基体表面的TiBCN过渡层上制备硼碳氮硬质涂层。该方法制备的硼碳氮硬质涂层为纳米晶和非晶组成的复合结构，硬度高达32GPa，膜基结合力达到45N，在室温和空气环境中，当摩擦副为Si3N4时的摩擦系数约在0.02～0.05之间，显示涂层具有较好的减摩和耐磨性能。
Description
技术领域：
本发明属于涂层材料制备领域，进一步涉及一种用电弧增强磁控溅射方法制备纳米复合硼碳氮(BCN)硬质涂层的方法。
背景技术：
早期研究表明，碳氮(CN)涂层和立方氮化硼(c-BN)涂层具有高硬度和低摩擦系数等优异性能，在耐磨减摩表面改性领域应用潜力很大。但CN涂层在500℃后热稳定性和抗氧化性能会变差，虽然c-BN涂层的热稳定性和抗氧化性高达1000℃以上，在高温下具有较好的性能，但涂层制备过程中存在有较大的残余应力，涂层在使用过程中容易早期剥离。这些不足限制了CN和c-BN涂层的进一步广泛应用。
随后研究者开始探索在CN和c-BN涂层中分别掺入硼和碳元素，形成BCN涂层，以期通过成分和微结构优化，改善涂层的力学性能和应用效果。目前，BCN涂层的制备方法主要是磁控溅射方法，然而由于常规磁控溅射的离化率低，导致反应室内等离子体密度和离子能量均较低，所制备的BCN涂层中sp3B-N键的含量不高，且涂层常常是非晶结构。因此，涂层的硬度较低，结合力也不高，涂层的应用效果不理想。
发明内容：
基于上述BCN涂层制备方法的不足，本发明的目的在于，用新型电弧增强磁控溅射方法制备强结合、高硬度、低摩擦和耐磨损的BCN硬质涂层，以满足模具、刀具等行业对高性能涂层的要求。
为了实现上述任务，本发明采取如下的解决方案：
一种制备硼碳氮硬质涂层的方法，该方法包括下列步骤：
一、基体预处理：将基体表面除油、抛光、丙酮超声清洗后烘干；
二、将预处理好的基体放入电弧增强磁控溅射离子镀膜设备的转架杆上面，转架杆固定在台架上，转架杆自转，柱弧Ti靶作为Ti源，平面B4C靶作为硼和碳元素的来源，采用平面对靶的方式将平面B4C靶安置在炉体内壁上；
三、通入氩气到真空室，对真空室和预处理好的基体进行清洗；
四、清洗完成后，调节氩气流量到16～22ml/min、将真空室气压调至0.29～0.32Pa，然后开启柱弧Ti靶，柱弧电流50A，调整偏压到-450V并保持3min，在基体表面镀Ti基层，然后通入N2，流量由0ml/min加到6～8ml/min，柱弧Ti靶电流不变，基体偏压调至-150～-250V，保持3min，在Ti基层上镀TiN过渡层，在该TiN过渡层形成后，打开平面B4C靶的控制电源，将平面B4C靶的电源功率在20min内调至1.8KW，并将柱弧Ti靶的电流从50A减小到0A，在TiN过渡层上制备TiBCN过渡层；然后保持平面B4C靶的功率1.8KW不变，在TiBCN过渡层上制备硼碳氮硬质涂层，镀膜过程中真空室温度为230℃、基体偏压-150～-250V，镀膜时间为90min。
所述步骤三中的清洗过程是以20ml/min的流量通入氩气到炉内真空室内，当真空室气压达到5～7Pa并稳定时，调偏压至-800～-1000V对真空室和基体表面进行轰击清洗，清洗30min；然后开启柱弧Ti靶、柱弧电流50A，利用电弧进一步对真空室和基体轰击清洗，清洗5min；
所述基体为高速钢。
所述步骤四中，清洗完成后，调节氩气流量到18～20ml/min、将真空室气压调至0.30～0.31Pa，然后开启柱弧Ti靶，柱弧电流50A，调整偏压到-450V并保持3min，在基体表面镀Ti基层，然后通入N2，流量由0ml/min加到7ml/min，柱弧Ti靶电流不变，基体偏压调至-180～-230V，保持3min，在Ti基层上镀TiN过渡层，在该TiN过渡层形成后，打开平面B4C靶的控制电源，将平面B4C靶的电源功率在20min内调至1.8KW，并将柱弧Ti靶的电流从50A减小到0A，在TiN过渡层上制备TiBCN过渡层；然后保持平面B4C靶的功率1.8KW不变，在TiBCN过渡层上制备硼碳氮硬质涂层，镀膜过程中真空室温度为230℃、基体偏压-180～-230V，镀膜时间为90min。
所述硼碳氮硬质涂层为纳米晶和非晶组成的复合结构，纳米晶以立方氮化硼相为主，涂层光滑致密，涂层中sp3B-N键摩尔含量在60％以上，涂层的硬度为32GPa，膜基结合力为45N，涂层厚度约为2μm。
采用本发明的方法制备的BCN涂层，通过销盘实验对涂层的摩擦磨损性能进行检测发现，在室温和空气气氛中当摩擦副为Si3N4时的摩擦系数约为0.02～0.05，涂层磨痕分布均匀。
附图说明：
图1为电弧增强磁控溅射镀膜设备结构示意图。
图2为BCN涂层的纳米晶和非晶复合相的微观结构形貌。
图3为BCN涂层的摩擦系数曲线。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1、2、3，一种制备硼碳氮硬质涂层的方法，该方法包括下列步骤：(1)将常规热处理(HRC62)的高速钢(W18Cr4V)板材切割成16mm×16mm×6mm和φ24×9mm的试样作为基体基体，经表面除油、抛光、丙酮超声清洗后用热风机烘干备用；
(2)将预处理好的基体基体放入电弧增强磁控溅射离子镀膜设备中。如图1所示，电弧增强磁控溅射镀膜设备至少包括真空室1、转台架2、偏压3、转架杆4、平面靶B4C 5、永磁体6、柱弧7、加热器8、泵组9，基体置于转架杆4上，转架杆4可以随转台架2转动，同时转架杆自转，这样就避免了涂层只能单面镀以及镀膜不均的问题，保证了镀膜过程的均匀性；
(3)采用φ60mm×495mm柱弧Ti靶7作为Ti源；采用尺寸为435mm×95mm×10mm(长435mm、宽95mm、高10mm)的平面B4C靶5作为硼和碳元素的来源，采用平面对靶的方式将平面B4C靶5安置在炉体内壁上，并通过调整中频脉冲电源的功率控制上述平面B4C靶5的溅射率；采用99.9996％高纯氩气作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程，采用99.9996％高纯N2作为反应气体，以形成BCN涂层。
(4)电弧增强磁控溅射沉积BCN涂层工艺条件为：镀膜前，以20ml/min的流量通入氩气到炉内真空室内，当真空室气压达到6Pa并稳定时，逐渐调偏压至-1000V对真空室和基体表面进行轰击清洗，持续30min；然后开启柱弧Ti靶，柱弧电流50A，利用电弧进一步对真空室和基体轰击清洗，持续5min；清洗完成后，通过调节氩气流量到20ml/min和抽气速度将真空室气压调至0.3Pa，然后开启柱弧Ti靶，柱弧电流50A，调整偏压到-450V并保持3min，在基体表面镀Ti基层，然后通入N2，流量由0ml/min逐渐加到7ml/min，Ti靶电流不变，基体偏压调至-150V，保持3min，镀TiN过渡层。在上述TiN过渡层形成的基础上，完成后打开平面B4C靶的控制电源，逐渐将平面B4C靶的电源功率在20min内调至1.8KW，并逐渐将柱弧Ti靶的电流从50A减小到0A来制备TiBCN过渡层；然后保持平面B4C靶的功率1.8KW不变，在基体表面的过渡层上制备硼碳氮硬质涂层，镀膜过程中真空室温度为230℃，基体偏压-150V～-250V，镀膜时间为90min。
在上述工艺条件下，通过过渡层设计可在高速钢表面制备出结合力良好的BCN涂层。经测定涂层为纳米晶和非晶组成的复合结构，纳米晶为立方氮化硼，涂层光滑致密，涂层中sp3B-N键摩尔含量高达60％以上，涂层的硬度为32GPa，膜基结合力达到45N，涂层厚度约为2μm。
通过销盘实验对涂层的摩擦磨损性能进行检测发现，在室温和空气中摩擦副为Si3N4球时的摩擦系数约在0.02～0.05之间，经过30min磨损实验后涂层的磨痕分布均匀，显示涂层具有较好的减摩耐磨性能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (5)
1.一种制备硼碳氮硬质涂层的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
一、基体预处理：将基体表面除油、抛光、丙酮超声清洗后烘干；
二、将预处理好的基体放入电弧增强磁控溅射离子镀膜设备的转架杆(4)上面，转架杆(4)固定在台架(2)上，转架杆(4)自转，柱弧Ti靶(7)作为Ti源，平面B4C靶(5)作为硼和碳元素的来源，采用平面对靶的方式将平面B4C靶(5)安置在炉体内壁上；
三、通入氩气到真空室(1)，对真空室和预处理好的基体进行清洗；
四、清洗完成后，调节氩气流量到16～22ml/min、将真空室(1)气压调至0.29～0.32Pa，然后开启柱弧Ti靶(7)，柱弧电流50A，调整偏压到-450V并保持3min，在基体表面镀Ti基层，然后通入N2，流量由0ml/min加到6～8ml/min，柱弧Ti靶(7)电流不变，基体偏压调至-150～-250V，保持3min，在Ti基层上镀TiN过渡层，在该TiN过渡层形成后，打开平面B4C靶(5)的控制电源，将平面B4C靶(5)的电源功率在20min内调至1.8KW，并将柱弧Ti靶(7)的电流从50A减小到0A，在TiN过渡层上制备TiBCN过渡层；然后保持平面B4C靶(5)的功率1.8KW不变，在TiBCN过渡层上制备硼碳氮硬质涂层，镀膜过程中真空室温度为230℃、基体偏压-150～-250V，镀膜时间为90min。
2.根据权利要求1所述的一种制备硼碳氮硬质涂层的方法，其特征在于：所述步骤三中的清洗过程是以20ml/min的流量通入氩气到炉内真空室(1)内，当真空室气压达到5～7Pa并稳定时，调偏压至-800～-1000V对真空室(1)和基体表面进行轰击清洗，清洗30min；然后开启柱弧Ti靶(7)、柱弧电流50A，利用电弧进一步对真空室(1)和基体轰击清洗，清洗5min。
3.根据权利要求1所述的一种制备硼碳氮硬质涂层的方法，其特征在于：所述基体为高速钢。
4.根据权利要求1所述的一种制备硼碳氮硬质涂层的方法，其特征在于：
所述步骤四中，清洗完成后，调节氩气流量到18～20ml/min、将真空室(1)气压调至0.30～0.31Pa，然后开启柱弧Ti靶(7)，柱弧电流50A，调整偏压到-450V并保持3min，在基体表面镀Ti基层，然后通入N2，流量由0ml/min加到7ml/min，柱弧Ti靶(7)电流不变，基体偏压调至-180～-230V，保持3min，在Ti基层上镀TiN过渡层，在该TiN过渡层形成后，打开平面B4C靶(5)的控制电源，将平面B4C靶(5)的电源功率在20min内调至1.8KW，并将柱弧Ti靶(7)的电流从50A减小到OA，在TiN过渡层上制备TiBCN过渡层；然后保持平面B4C靶(5)的功率1.8KW不变，在TiBCN过渡层上制备硼碳氮硬质涂层，镀膜过程中真空室温度为230℃、基体偏压-180～-230V，镀膜时间为90min。
5.根据权利要求1所述的一种制备硼碳氮硬质涂层的方法，其特征在于：所述硼碳氮硬质涂层为纳米晶和非晶组成的复合结构，纳米晶以立方氮化硼相为主，涂层光滑致密，涂层中sp3 B-N键摩尔含量在60％以上，涂层的硬度为32GPa，膜基结合力为45N，涂层厚度为2μm。
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