CN105925865A

CN105925865A - 一种含硼合金靶材及其制备方法

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Publication number: CN105925865A
Application number: CN201610398833.7A
Authority: CN
Inventors: 张路长; 张凤戈; 郝权; 姜海; 唐培新; 何向晖; 赵雷; 缪磊
Original assignee: Advanced Technology and Materials Co Ltd
Current assignee: Advanced Technology and Materials Co Ltd
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2016-09-07

Abstract

本发明属于功能材料技术领域，提供一种含硼合金靶材及其制备方法。包括以下原子百分比的成分：0<B≤20％，80≤Cr<100％。所述含硼合金靶材的制备方法为：将铬粉和硼粉通过预合金粉末制备、冷等静压、脱气、热等静压、机加工等处理，获得所述含硼合金靶材。本发明的含硼合金靶材密度高(相对密度不低于99％)、无气孔、疏松和偏析，组织均匀，晶粒细小(平均晶粒度不大于100μm)；通过该靶材可以获得耐磨性能极佳的合金涂层，可提高涂层高温抗氧化性能；该靶材可用于硬质涂层、耐磨涂层等，其产品可广泛应用于模具、机械零件、耐磨涂层等工业领域。

Description

一种含硼合金靶材及其制备方法

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种含硼合金靶材及其制备方法。

背景技术

随着真空镀膜技术的不断进步，应用于膜层技术中的靶材种类愈来愈多，使用者对靶材性能的要求也愈来愈严格。靶材纯度、致密度、晶粒度及显微组织均匀性是衡量靶材质量的主要指标。靶材纯度越高，靶材中杂质元素含量越少，所得到膜层越均匀，性能越稳定。高密度靶材具有导电、导热性好，强度高等优点，这种靶材镀膜过程中溅射功率小，成膜速率高，薄膜不易开裂。靶材越致密，镀膜过程中放电现象越弱，薄膜性能越好。对于同一成分靶材而言，细小尺寸晶粒靶的溅射速率要比粗晶粒靶快；而晶粒尺寸均匀性较好的靶，沉积薄膜的厚度分布也较均匀。

在金属工模具材料的表面上镀一层膜层，来提高工具、模具的耐磨性能。目前膜层已经历了TiN、TiAlN、CrAlN等不同阶段的发展，靶材也由单一的Ti靶经历了TiAl、CrAl、TiAlSi等合金靶材的发展；为满足实际应用中对工、模具的性能更高的要求，需要开发性能更加优异的合金靶材。

众所周知，金属材料中添加硼元素后，可大大提高材料的耐磨性能。在公开号为JP200300071611(A)的日本发明专利申请《HARD COATING FORCUTTING TOOL,MANUFACTURING METHOD THEREFOR ANDTARGET FOR FORMING HARD COATING》中，在金属Ti基体中通过掺加Al、Cr、B、Si等元素，制得耐磨性能极佳的涂层。但是，该金属靶材添加的元素过多，工艺繁杂，性能有限。

因此，在科研和生产中，需要制备一种致密度高、组织均匀、晶粒细小，能够制备耐磨涂层的合金靶材。

发明内容

本发明针对耐磨涂层的使用要求，通过加入元素硼，提供一种CrB合金靶材及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种含硼合金靶材，包括以下原子百分比的成分：0<B≤20％，80％≤Cr<100％，，优选为2≤B≤8％，92≤Cr≤97％。

进一步地，所述含硼合金靶材的原料包括Cr粉和B粉，所述铬粉纯度为99.5％-99.95％，B粉纯度99.9％-99.99％。

进一步地，所述含硼合金靶材的相对密度不低于99％。

本发明的目的是通过以下另一技术方案实现的：

所述含硼合金靶材的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，预合金粉末制备；

步骤二，对所述预合金粉末进行冷等静压处理，得到冷等静压料坯；

步骤三，对所述冷等静压料坯进行脱气处理，得到脱气后的料坯；

步骤四，对所述脱气后的包套进行热等静压处理，得到压制后的锭坯，再去除包套得到压制后的坯料；

步骤五，对所述压制后的坯料进行机加工处理，得到所述含硼合金靶材。

进一步地，所述步骤一中，硼粉的粒径为1～35μm，优选为1～5μm；铬粉的粒径为20～225μm，优选为45～75μm。

进一步地，所述步骤一中，将硼粉和铬粉进行混合处理6～12h，所述混合处理在真空或氩气保护下进行。

进一步地，所述预合金粉末的平均粒径不大于100μm。

进一步地，在所述步骤二中，所述冷等静压处理的压力为20～200MPa，保压时间为10～30min。

进一步地，在所述步骤三中，所述脱气处理的温度为300～500℃，脱气时间为5-30h；优选地，所述脱气处理时的真空度为10^-1Pa～10^-4Pa。

进一步地，在所述步骤四中，所述热等静压处理的保温温度为800～1300℃，时间为2～5h，压力为120～150MPa。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明中CrB合金靶材具有致密度高(相对密度不低于99％)、无气孔、疏松和偏析，组织均匀，晶粒细小(平均晶粒度不大于100μm)等优点。

2、本发明由于采用球磨机进行机械混合，所以可以制得混合均匀的CrB合金粉末，又由于热等静压工艺自身的优势，可以制得杂质元素含量低，靶材纯度高、致密度高、晶粒细小、显微组织均匀的靶材料坯。

3、由于本发明采用热等静压工艺制备，靶材尺寸仅受热等静压设备尺寸限制，可以实现靶材尺寸大型化，靶材长度最大可达到1040mm。

4、本发明通过元素硼的加入，制得铬硼合金靶材，通过该靶材可以获得耐磨性能极佳的合金涂层，提高涂层高温抗氧化性能。

5、使用本发明制备的CrB靶材，可用于硬质涂层、耐磨涂层等，其产品可广泛应用于模具、机械零件等工业领域。

附图说明

图1是本发明实施例1得到的靶材的显微组织图。

具体实施方式

本发明提供一种含硼合金靶材，该合金靶材包含的成分的原子百分比为：硼(B)的含量(at％)为0<B≤20％，铬(Cr)的含量(at％)为80≤Cr<100％，比如B为1％、2.5％、3.8％、4.8％、5.3％、6.5％、7％、8.5％、10％、11％、14％、16％、20％等。

其中，采用纯度为99.5％-99.95％的铬(Cr)粉与纯度为99.9％-99.99％的硼(B)粉，通过粉末混合、冷等静压、装包套、脱气、热等静压、机加工等工序制备，获得致密度高(相对密度不低于99％)、晶粒度不大于100μm的高质量CrB靶材。

根据上述目的，本发明整体的技术方案为：采用机械混合工艺制取成分均匀的预合金粉末，将预合金粉末冷等静压并装入包套，经脱气后热等静压处理，得到合格的CrB合金靶材料坯。

下面对本发明的具体步骤加以详细说明：

第一步，粉末制备步骤：将铬粉、硼粉按照规定比例进行机械混合处理，获得预合金粉末；

具体来说，是按照上述原子百分比所对应的重量比称取铬粉、硼粉，在球磨机中进行机械混合，由此制备预合金粉末，所得预合金粉末的平均粒径优选不大于100μm。

制备过程中对各个粉末的纯度、颗粒度要求为：

铬粉纯度为99.5％～99.95％，粒径尺寸为20～225μm，优选尺寸范围45～75μm，；硼粉纯度为99.9％～99.99％，粒径尺寸为1～35μm，优选尺寸范围为1～5μm。

另外，在将两种粉末按比例称取后在球磨机内混合时，可以是在真空或高纯氩气保护条件下混合6～12h，示例性地，例如可以是7h、8h、9h、10h、11h。

第二步，冷等静压处理步骤：将上述步骤制备的预合金粉末利用冷等静压模具在规定压力进行一定时间长度的冷等静压处理，获得冷等静压料坯。

具体来说，是将混合好的粉末(即上一步骤得到的预合金粉末)装入冷等静压模具中，在20～200MPa压力下进行冷等静压处理，保压时间10-30min。

其中，冷等静压处理时的压力可以为25MPa、35MPa、45MPa、55MPa、75MPa、120MPa、135MPa、150MPa、178MPa、185MPa、196MPa；保压时间可以为11min、15min、18min、21min、24min、28min。

第三步，脱气步骤：利用脱气炉对上述冷等静压料坯进行脱气处理。

具体来说，是将上一步骤制备的冷等静压料坯放入对应尺寸的金属包套中，然后置于脱气炉中进行脱气处理；

作为金属包套，可以是不锈钢包套，也可以是其他金属材质的包套，比如低碳钢板包套、纯钛包套等。

该脱气炉可以选择市售真空脱气炉或井式电阻脱气炉，脱气温度为300-500℃，脱气时间5-30h。示例性地，所述脱气温度可以为307℃、318℃、355℃、367℃、390℃、420℃、450℃、480℃、495℃；所述脱气时间可以为5h、15h、20h、25h、28h。

所述脱气处理时进行一定的真空度控制，比如可以将真空度控制在10^-1Pa～10^-4Pa，示例性地，真空度可以为10^-1Pa、10^-2Pa、10^-3Pa、10^-4Pa。

第四步，热等静压步骤：利用热等静压设备对脱气后的包套进行热等静压处理，得到压制后的锭坯，再去除包套获得压制后的坯料。

具体来说，将脱气处理完毕的包套封焊后放入热等静压设备中进行烧结，烧结过程中的保温温度为800～1300℃，烧结时间为2～5h，烧结时的烧结压力为120～150MPa；示例性地，所述保温温度可以为810℃、845℃、910℃、1000℃、1080℃、1258℃；所述烧结时间可以为2h、3.5h、4.0h、4.5h；所述烧结压力可以为125MPa、135MPa、140MPa、145MPa、148MPa、150MPa。烧结后，脱气处理后的金属包套内的粉末致密化，形成压制后的锭坯；去除上述金属包套，获得压制后的坯料。

第五步，机加工步骤：对压制后的坯料按照图纸进行机加工，清洗后得到所需要的成品合金靶材。

以下通过几个具体的实施例更进一步地描述本发明，实施例中的参数仅仅是对本发明的示例性说明，本发明不限于这些实施例的具体定义。

实施例1

CrB合金靶材包含的成分的原子百分比为：铬99％，硼1％；

本实例的CrB靶材的制备方法，包括以下步骤：

粉末制备步骤：按照上述原子百分比所对应的重量比称取Cr粉、B粉，比如平均粒径在95μm的铬粉及平均粒径为15μm的硼粉，采用球磨机混合12h，混合过程中充惰性气体保护，得到预合金粉末，该预合金粉末的平均粒径为75μm；

冷等静压步骤：将预合金粉末装入冷等静压成型模具中，冷等静压压力200MPa，保压30min；

脱气步骤：将冷等静压料坯装入尺寸合适的不锈钢包套中，将包套放置在脱气炉中，加热温度500℃，保温时间20h；

热等静压步骤：将脱气完毕的包套封焊后放入热等静压设备中烧结，保温温度为1300℃，时间5h，压力120MPa；再去除包套获得压制后的坯料；

机加工步骤：对烧结压制后得到的锭坯按照图纸进行机加工，清洗后得到所需要的成品靶材。

本实例得到的靶材相对密度达到99.0％，平均晶粒尺寸70～80μmμm。

如图1所示，本实施例得到的靶材致密度高、晶粒细小、显微组织均匀。

实施例2

CrB合金靶材包含的成分的原子百分比为：铬94％，硼6％。

本实例CrB靶材的制备方法，包括以下步骤：

粉末制备步骤：按照上述原子百分比所对应的重量比称取平均粒径在75μm的铬粉及平均粒径为10μm的硼粉，在球磨机中混合9h，混合过程中抽真空保护，真空度可以为10Pa、10^-1Pa、10^-2Pa，得到预合金粉末，该预合金粉末的平均粒径为50～70μm；

冷等静压步骤：将预合金粉末装入冷等静压成型模具中，冷等静压压力150MPa，保压10min；

脱气步骤：将冷等静压料坯装入尺寸合适的金属包套中(可采用低碳钢板包套)，将包套放置在脱气炉中，加热温度350℃，保温时间30h，脱气处理时进行一定的真空度控制，将真空度控制在10^-2Pa～10^-4Pa；

热等静压步骤：将脱气完毕的包套封焊后放入热等静压设备中烧结，保温温度为1100℃，时间3h，压力150MPa；再去除包套获得压制后的坯料；

机加工步骤：对压制后得到的锭坯按照图纸进行机加工，清洗后得到所需要的成品靶材。

本实例得到的靶材相对密度达到99.2％，平均晶粒尺寸60～70μm。

实施例3

CrB合金靶材包含的成分的原子百分比为：铬88％，硼12％。

本实施例CrB靶材的制备方法，包括以下步骤：

粉末制备步骤：按照上述原子百分比所对应的重量比称取平均粒径在45μm的铬粉及平均粒径为6～8μm的B粉，在球磨机中混合6h，混合过程中充惰性气体中的氩气保护，得到预合金粉末，该预合金粉末的平均粒径为30～40μm；

冷等静压步骤：将预合金粉末装入冷等静压成型模具中，冷等静压压力200MPa，保压20min；

脱气步骤：将冷等静压料坯装入尺寸合适的金属包套中(可采用不锈钢包套)，将包套放置在脱气炉中，加热温度300℃，保温时间15h；

热等静压步骤：将脱气完毕的包套封焊后放入热等静压设备中烧结，保温温度为1250℃，时间4h，压力135MPa；再去除包套获得压制后的坯料；

本实例得到的靶材相对密度达到99.7％，平均晶粒尺寸50μm。

实施例4

CrB合金靶材包含的成分的原子百分比为：Cr 90％，硼10％。

本实例的CrB靶材的制备方法，包括以下步骤：

粉末制备步骤：按照上述原子百分比所对应的重量比称取相应比例的Cr粉、B粉，比如平均粒径在23μm的铬粉及平均粒径为30μm的硼粉，采用球磨机混合7h，混合过程中采用真空保护，真空度可以为10Pa、10^-1Pa、10^-2Pa，得到预合金粉末，该预合金粉末的平均粒径为15～25μm；

冷等静压步骤：将预合金粉末装入冷等静压成型模具中，冷等静压压力25MPa，保压30min；

脱气步骤：将冷等静压料坯装入尺寸合适的不锈钢包套中，将包套放置在脱气炉中，加热温度400℃，保温时间8h；

热等静压步骤：将脱气完毕的包套封焊后放入热等静压设备中烧结，保温温度为850℃，时间2.5h，压力130MPa；再去除包套获得压制后的坯料；

本实例得到的靶材相对密度达到99.5％，平均晶粒尺寸25～35μm。

实施例5

CrB合金靶材包含的成分的原子百分比为：铬96％，硼4％。

本实例CrB靶材的制备方法，包括以下步骤：

粉末制备步骤：按照上述原子百分比所对应的重量比称取平均粒径在200μm的铬粉及平均粒径为20μm的硼粉，在球磨机中混合8h，混合过程中通入惰性气体加以保护，得到预合金粉末，该预合金粉末的平均粒径为80～90μm；

冷等静压步骤：将预合金粉末装入冷等静压成型模具中，冷等静压压力200MPa，保压28min；

脱气步骤：将冷等静压料坯装入尺寸合适的不锈钢包套中，将包套放置在脱气炉中，加热温度330℃，保温时间28h，脱气处理时进行一定的真空度控制，将真空度控制在10^-1Pa～10^-2Pa；

热等静压步骤：将脱气完毕的包套封焊后放入热等静压设备中烧结，保温温度为1000℃，时间4.5h，压力145MPa；再去除包套获得压制后的坯料；

机加工步骤：对烧结压制后得到的锭坯按照图纸进行机加工，清洗后得到所需要的成品靶材，。

本实例得到的靶材相对密度达到99.4％，平均晶粒尺寸100μm。

实施例6

CrB合金靶材包含的成分的原子百分比为：铬92％，硼8％。

本实施例CrB靶材的制备方法，包括以下步骤：

粉末制备步骤：按照上述原子百分比所对应的重量比称取平均粒径在150μm的铬粉及平均粒径为10μm的B粉，在球磨机中混合10h，混合过程中进行氩气保护，得到预合金粉末，该预合金粉末的平均粒径为65～75μm；

冷等静压步骤：预合金粉末装入冷等静压成型模具中，冷等静压压力180MPa，保压27min；

脱气步骤：将冷等静压料坯装入尺寸合适的金属包套中，可采用纯钛包套，将包套放置在脱气炉中，加热温度450℃，保温时间23h，脱气处理时进行一定的真空度控制，将真空度控制在10^-3Pa～10^-4Pa；

热等静压步骤：将脱气完毕的包套封焊后放入热等静压设备中烧结，保温温度为1150℃，时间5h，压力140MPa；再去除包套获得压制后的坯料；

本实例得到的靶材相对密度达到99.6％，平均晶粒尺寸95μm。

以上实施例中各参数的测定方法如下：相对密度采用阿基米德排水法进行测定；平均晶粒尺寸通过光学金相显微镜对靶材进行分析。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims

1.一种含硼合金靶材，其特征在于，包括以下原子百分比的成分：0<B≤20％，80≤Cr<100％，优选为2≤B≤8％，92≤Cr≤97％。

2.根据权利要求1所述的含硼合金靶材，其特征在于，

所述含硼合金靶材的原料包括铬粉和硼粉，所述铬粉纯度为99.5％～99.95％，硼粉纯度99.9％～99.99％。

3.根据权利要求1或2所述的含硼合金靶材，其特征在于，

所述含硼合金靶材的相对密度不低于99％。。

4.权利要求1-3任一所述含硼合金靶材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、预合金粉末制备；

步骤二、对所述预合金粉末进行冷等静压处理，得到冷等静压料坯；

步骤三、对所述冷等静压料坯进行脱气处理，得到脱气后的料坯；

步骤四、对所述脱气后的包套进行热等静压处理，得到压制后的锭坯，再去除包套得到压制后的坯料；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，

所述步骤一中，硼粉的粒径为1～35μm，优选为1～5μm；铬粉的粒径为20～225μm，优选为45～75μm。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，

所述步骤一中，将硼粉和铬粉进行混合处理6～12h，所述混合处理在真空或氩气保护下进行。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述预合金粉末的平均粒径不大于100μm。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述冷等静压处理的压力为20～200MPa，保压时间为10～30min。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述脱气处理的温度为300-500℃，脱气时间为5-30h；优选地，所述脱气处理时的真空度为10^-1Pa～10^-4Pa。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤四中，所述热等静压处理的保温温度为800～1300℃，时间为2～5h，压力为120～150MPa。