CN104513954A - 一种AlB2型WB2硬质涂层及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AlB₂型WB₂硬质涂层及其制备工艺，属于金属材料表面沉积硬质耐磨涂层技术领域。通过调控涂层组成成分、沉积温度和衬底偏压，采用直流磁控溅射的方法，在高速钢或硬质合金基体上成功制备了WB₂（AlB₂型）硬质耐磨涂层。该结构涂层呈现较高的显微硬度、较低的平均摩擦系数及磨损率。本发明所涉及的这种WB₂（AlB₂型）硬质涂层被成功合成，可显著改善刀具或工件表面的硬度及耐磨性，对于超硬硼化物涂层的理论研究和实际应用具有重要意义。

Description

一种AlB2型WB2硬质涂层及其制备工艺

技术领域：

本发明属于金属材料表面沉积硬质耐磨涂层技术领域，具体涉及一种AlB₂型WB₂硬质涂层及其制备工艺。

背景技术：

超硬材料被广泛应用于切削加工业、模具工业、地质钻探以及航空航天等领域。但随着现代工业的快速发展，难加工材料越来越多，使得某些传统刀具材料无法满足日趋复杂的切削性能要求。金刚石目前仍保持着自然界中已知的最硬材料。可是金刚石在使用中也有局限，切削金属时易发生化学反应而迅速磨损。相反，具有同金刚石类似结构的立方氮化硼-目前已知第二硬的材料，则具有较高的热稳定性及化学惰性，可用于加工黑色金属。但是它形成条件较为苛刻，需要在高温高压条件下进行合成，导致使用成本较高。因此，寻找新型高硬度材料是实验工作者和理论工作者非常关心的研究课题。

目前，过渡金属硼化物已成为研究热点。其中，WB₂被认为是WB_x体系中极具应用前景的潜在超硬材料。实验中发现，WB₂具有两种不同的晶体结构（即WB₂和AlB₂型）。目前该材料（WB₂型）可商业生产，但关于该材料（AlB₂型）的合成却鲜有报道。至今也没有发现关于AlB₂型WB₂的成功制备及其物理和力学性能方面的实验报道。目前，过渡金属硼化物的研究多集中在高温高压块体合成方面，而有关薄膜/涂层制备方面的研究较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种AlB₂型WB₂硬质涂层及其制备工艺，以提高刀具或工件表面硬度和耐磨性的要求。

本发明的技术方案是：

一种AlB₂型WB₂硬质涂层，该涂层沉积在高速钢或硬质合金基材表面，涂层与基材的结合力大于50N，涂层硬度≥40GPa；涂层厚度为1～3.0μm，涂层的平均摩擦系数为～0.23，磨损率为6.5x10^-6mm³N^-1m^-1。

上述AlB₂型WB₂硬质涂层的制备工艺，该工艺是选择WB₂型WB₂为靶材，采用直流磁控溅射技术在基材表面沉积AlB₂型WB₂涂层。具体包括如下步骤：

（1）预处理过程：沉积前需对基材进行预处理，具体为：将基材打磨至Ra＝0.4μm，然后先用丙酮超声清洗15min，再用酒精漂洗后烘干；待真空室内真空度达到5×10^-3Pa～1×10^-2Pa时，先通入氩气，气压控制在0.5～2Pa之间，然后开启基体偏压至-100V～-300V范围，使气体发生辉光放电，对基材进行辉光清洗5～15分钟；

（2）采用直流磁控溅射技术沉积WB₂涂层，工艺参数为：靶基距50～100mm，设定气压为0.2-0.8Pa,靶电压300～400V，电流0.5～1.5A，基体偏压为0～-300V，占空比20～40％，沉积温度100～700℃；根据所需涂层厚度设定沉积时间。

（3）沉积结束后，停止通入氩气，关闭基体偏压电源，关闭溅射电源开关，继续抽真空，样品随炉冷却至50℃以下，将样品从炉内取出。

本发明具有以下优点：

1、本发明是在高速钢或硬质合金表面沉积WB₂（AlB₂型）涂层，选用WB₂型WB₂靶材（保证靶材成分B/W(at.%)=2），采用直流磁控溅射技术沉积，沉积过程中通过精确控制氩气流量、沉积温度和基体偏压等工艺参数，获得性能优异的WB₂（AlB₂型）硬质涂层。

2、本发明所制备的薄膜，其硬度可达到40GPa以上，膜/基结合力达到50N以上，以及良好的摩擦磨损性能（平均摩擦系数～0.23，磨损率6.5x10^-6mm³N^-1m^-1）。

3、本发明证明了一些高压相在非平衡条件下通过PVD方法在原子尺度范围内进行合成的可能性。

4、本发明所涉及的WB₂（AlB₂型）涂层可应用于刀具或工件表面的防护，并能有效延长其使用寿命。

附图说明：

图1为WB₂（AlB₂型）涂层的XRD图谱。

图2为WB₂（AlB₂型）涂层的断面SEM形貌。

图3为WB₂（AlB₂型）涂层的显微硬度。

图4为WB₂（AlB₂型）涂层的摩擦系数（摩擦副为Al₂O₃球）。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

以下实施例中沉积涂层采用的直流磁控溅射设备购于成都普斯特电气有限责任公司，型号为MS-15B。镀膜前基材的表面依次经过研磨、抛光、超声清洗和干燥，具体是首先将基材打磨后抛光至Ra＝0.4μm，然后先用丙酮超声清洗15min，再用酒精漂洗，最后烘干后再放入真空室样品台上进行镀膜。

实施例1

基材采用高速钢（牌号为W18Cr4V），试样尺寸为270mm×70mm×7mm.。镀膜前表面先经过研磨、抛光、超声清洗、干燥后，放入真空室样品台上，待真空室内真空度达到5×10^-3Pa时，打开气体质量流量控制器，通氩气到2.0Pa，加基体偏压至-180V，对样品进行辉光清洗15分钟。此后，进入薄膜沉积过程，具体工艺参数为：靶基距为50mm，设定气压为0.3Pa，靶电压360V，电流0.5A，基体偏压为-180V，占空比30%，沉积温度680℃，总沉积时间为120分钟。沉积结束后，迅速降偏压，关闭溅射靶电源开关，停气，继续抽真空，随炉冷却至真空室温度降至50℃以下时，最后开启真空室取出工件。

涂层的XRD图谱如图1所示，实验结果与Woods et al结果吻合，证明所得到的涂层为WB₂（AlB₂型）涂层。

从图2可知，涂层厚度约为2.8μm，为典型的柱状晶结构。经电子探针（EPMA）成分分析表明，W/B原子比为1.9:1，接近靶材的化学计量比。

涂层的显微硬度如图3所示，考虑压痕尺寸效应，每个样品经过多次测量，获得最高点显微硬度为49.8GPa，平均硬度为43.2GPa，属于超硬涂层范畴。

从图4可知，涂层在摩擦磨损过程中呈现不同的阶段，其稳态平均摩擦系数为～0.23。与氧化铝球对磨副，相应的涂层磨损率（6.5x10^-6mm³N^-1m^-1）。

实施例2

基材采用硬质合金（牌号为YG6），试样尺寸为20mm×20mm×3mm。镀膜前表面先经过研磨、抛光、超声清洗、干燥后，放入真空室样品台上，待真空室内真空度达到5×10^-3Pa时，打开气体质量流量控制器，通氩气到0.8Pa，加基体偏压至-180V，对样品进行辉光清洗10分钟。此后，进入薄膜沉积过程，具体工艺参数为：靶基距为70mm，设定气压为0.5Pa，靶电压380V，电流0.8A，基体偏压为-50V，占空比为25%，沉积温度400℃，总沉积时间为80分钟。沉积结束后，迅速降偏压，关闭溅射靶电源开关，停气，继续抽真空，随炉冷却至真空室温度降至50℃以下时，最后开启真空室取出工件。

随后对涂层的组织结构、力学和摩擦磨损性能进行测试。同实施例1，所得涂层为WB₂（AlB₂型）涂层。电子探针（EPMA）成分分析表明，W/B原子比为1.5:1，为亚计量比。该工艺条件下涂层显微硬度有所降低（～36GPa），其稳态平均摩擦系数为～0.36。与氧化铝球对磨副，相应的涂层磨损率（2.3x10^-7mm³N^-1m^-1）。

实施例结果表明，本发明通过磁控溅射技术在非平衡条件下成功制备了WB₂（AlB₂型）涂层，该涂层呈现了高硬度及优异的摩擦磨损性能，可显著改善刀具或工件表面的硬度及耐磨性，对于超硬硼化物涂层的理论研究和实际应用具有重要意义。

Claims (5)

1.一种AlB₂型WB₂硬质涂层，其特征在于：所述AlB₂型WB₂硬质涂层沉积在高速钢或硬质合金基材表面，涂层与基材的结合力大于50N，涂层硬度≥40GPa。

2.根据权利要求1所述的AlB₂型WB₂硬质涂层，其特征在于：涂层厚度为1～3μm，涂层的平均摩擦系数为～0.23，磨损率为6.5x10^-6mm³N^-1m^-1。

3.根据权利要求1所述的AlB₂型WB₂硬质涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺是选择WB₂型WB₂为靶材，采用直流磁控溅射技术在基材表面沉积AlB₂型WB₂涂层。

4.根据权利要求3所述的AlB₂型WB₂硬质涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺包括如下步骤：

（1）预处理过程：沉积前需对基材进行预处理，具体为：将基材打磨至Ra＝0.4μm，然后先用丙酮超声清洗15min，再用酒精漂洗后烘干；待真空室内真空度达到5×10^-3Pa～1×10^-2Pa时，先通入氩气，气压控制在0.5～2Pa之间，然后开启基体偏压至-100V～-300V范围，使气体发生辉光放电，对基材进行辉光清洗5～15分钟；

（2）采用直流磁控溅射技术沉积WB₂涂层，工艺参数为：靶基距50～100mm，设定气压为0.2-0.8Pa，靶电压300～400V，电流0.5～1.5A，基体偏压为0～-300V，占空比20～40％，沉积温度100～700℃。

（3）沉积结束后，停止通入氩气，关闭基体偏压电源，关闭溅射电源开关，继续抽真空，样品随炉冷却至50℃以下，将样品从炉内取出。

5.根据权利要求4所述的AlB₂型WB₂硬质涂层的制备工艺，其特征在于：步骤（2）中，根据所需涂层厚度设定沉积时间。