CN106191771A - NbBN复合涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本文发明公开了一种NbBN复合涂层及其制备方法，是在室温下采用双靶共焦射频反应磁控溅射法溅射在硬质合金或陶瓷基体上制备得到的，厚度为1.5‑2.5μm，B成分为0‑9.65at.％，Nb成分为49.43‑58.92at.％、N成分为39.8‑41.2at.％以及余量的O。本发明进一步提高NbN涂层的力学性能、抗腐蚀性能和耐磨损性能，使其成为具有优异的综合性能的保护涂层，以便在高速、干式切削和防腐蚀等领域中有更广泛的应用。

Description

NbBN复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种复合涂层，具体为一种高硬度、耐腐蚀、耐磨损的NbBN复合涂层及其制备方法，属于陶瓷涂层技术领域。
背景技术
在对NbN薄涂层最初的研究中，引起研究人员关注的，并不是其机械性能，而是其超导性能，主要的研究方向是提高NbN的超导转变温度。随后，由于NbN与大多数的刀具具有良好的热膨胀匹配性，人们尝试将其应用于抗磨损领域。其良好的化学惰性、耐磨损性、高熔点、高稳定温度和高电导率，使得NbN薄涂层成功应用在保护型涂层、场发射阴极材料、扩散阻挡层等方面。此外，在合适的工艺参数下，NbN还表现出高硬度和良好的抗磨损性。而NbN薄涂层可以由包括反应磁控溅射、激光脉冲溅射、离子束辅助溅射和阴极电弧溅射等多种溅射技术制备。磁控溅射系统由于高的溅射速率、精确的成分控制、良好的涂层基结合力以及广泛的溅射材料等优势而得到广泛使用。
B元素在溅射的过程中能与气体N2反应生成一种大家熟知BN陶瓷材料，从结构上讲，具有六方结构、立方结构和四方结构等，从性能上讲，具有高热导率、高化学稳定性、高热稳定性、绝缘性和微波透明性等多种优异性能。所以使其在电子、光学和机械等领域都有广泛的应用。其中，六方氮化硼还由于其良好的抗腐蚀性和耐磨性能及类石墨的层状结构，使其具有很大的应用潜力。但是，到现在为止几乎还几乎鲜有关于NbBN复合薄涂层的研究报道。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种NbBN复合涂层，在NbN涂层本身具有良好的热膨胀匹配性、高熔点、高稳定温度和高电导率的基础上，进一步提高NbN涂层的力学性能、抗腐蚀性能和耐磨损性能，使其成为具有优异的综合性能的保护涂层，以便在高速、干式切削和防腐蚀等领域中有更广泛的应用。
本发明的另一个目的是提供一种NbBN复合涂层的制备方法，易于操作。
为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：
一种NbBN复合涂层，在室温下采用双靶共焦射频反应磁控溅射法溅射在硬质合金或陶瓷基体上制备得到的，厚度为1.5-2.5μm，B成分为0-9.65at.％，Nb成分为49.43-58.92at.％、N成分为39.8-41.2at.％以及余量的O。
当Nb靶功率为200W，B靶功率为40W时，NbBN复合涂层在室温下同时具有高的显微硬度、高的弹性模量、高的自腐蚀电位、低的自腐蚀电流密度。
当Nb靶功率为200W，B靶功率为60W时，具有在室温到500℃干摩擦下低的磨损率。
一种NbBN复合涂层的制备方法,是在室温下采用双靶共焦射频反应磁控溅射法溅射在硬质合金或陶瓷基体上制备得到，溅射时间为3h，涂层厚为1.5～2.5μm；靶材是纯度均为99.9％的Nb靶和B靶，溅射时通入纯度为99.999％的反应氮气，氩氮气体流量比为10sccm：7sccm，真空度优于6.0×10-4Pa时溅射，工作气压为0.3Pa，基体的旋转速度为3r/min，Nb靶功率为200W，B靶功率为0-80W且大于0W。
较佳地，Nb靶功率为200W，B靶功率为20-60W；更佳地，Nb靶功率为200W，B靶功率为40W。
较佳地，首先在基体上溅射100nm左右厚度的纯Nb过渡层。
本发明通过固定Nb靶功率、调节不同的B靶功率来获得不同B元素含量的NbBN复合涂层，当Nb靶功率为200W，B靶功率为40W时，NbBN复合涂层在室温下同时具有最高显微硬度、最高弹性模量、最高的自腐蚀电位、最低的自腐蚀电流密度；当Nb靶功率为200W，B靶功率为60W时，具有在室温到500℃干摩擦下最低的磨损率。
附图说明
图1为固定Nb靶功率为200W，不同B靶功率下NbBN复合涂层的Nb、N和B各元素的原子百分比；随着B靶功率从0W增加到80W，Nb元素的含量从58.92at.％持续下降到49.43at.％；B元素的含量从0at.％持续上升到9.65at.％；而N元素的含量始终保持在40at.％左右。
图2为不同B含量的NbBN复合涂层的显微硬度和弹性模量。对于NbN涂层，其显微硬度与弹性模量分别为20.39GPa和297.93GPa。当B含量增加到4.01at.％时，硬度与弹性模量分别增大到31GPa和366.44GPa。而当B含量继续增加到9.65at.％时，硬度和弹性模量又分别下降到20.7GPa和270.14GPa。
图3为不同B含量的NbBN复合涂层在3.5wt.％NaCl溶液中的动电位极化曲线。当B含量从0at.％增加到4.01at.％时，NbBN复合涂层的自腐蚀电压从-0.386V升高到-0.128V，自腐蚀电流密度从1.13×10-6A/cm2降低到9.37×10-11A/cm2，也就是说NbBN复合涂层的抗腐蚀性能有大幅提升。当B含量从4.01at.％进一步增加到9.65at.％时，NbBN复合涂层的自腐蚀电压降低到-0.632V，自腐蚀电流密度升高到1.54×10-7A/cm2，NbBN复合涂层的抗腐蚀性能逐渐降低，甚至比二元的NbN薄涂层还要差。
图4为不同B含量的NbBN复合涂层在室温、350℃和500℃下的磨损率。当温度为室温、350℃和500℃时，磨损率的变化趋势均为先减小后增大，且均在B含量为6.06at.％时磨损率达到最低，最低值分别为9.51×10-8mm3N-1mm-1和5.44×10-7mm3N-1mm-1和5.56×10- 7mm3N-1mm-1。
具体实施方式
以下将结合具体实施例来说明本发明的技术方案：
一种NbBN复合涂层的制备方法，步骤如下：
(1)将作为基体的硬质合金或者陶瓷，先后用水、丙酮、无水乙醇各超声清洗15分钟，吹干后固定在溅射室可旋转的基片台上，关闭样品挡板；
(2)将纯度均为99.9％的Nb靶和B靶分别固定在射频枪上；
(3)将溅射室的气压抽至6.0×10-4Pa以下；
(4)通入纯度为99.999％的氩气，流量控制为10sccm、溅射室气压保持在0.25Pa；
(5)调节Nb靶和B靶功率均为60W，溅射10分钟以清洗靶材表面各种杂质；
(6)调节Nb靶功率为200W，关闭B靶，打开样品挡板，样品旋转速度保持为3r/min，在样品表面溅射100nm左右厚度的纯Nb过渡层；
(7)关闭样品挡板，通入纯度为99.999％的氮气，流量控制为7sccm，溅射室气压保持在0.3Pa，调节B靶功率分别为0W，20W，40W，60W和80W，打开样品挡板，溅射3小时后自然冷却至室温，最终得到厚度为1.5-2.5μm的NbBN复合涂层。
以下实施例1-5中的实验，是通过固定Nb靶功率为200W、改变B靶功率获得的，结果见图1。
实施例1
改变B靶功率，当B靶功率为0W时，Nb成分为58.92at.％、B成分为0at.％、N成分为39.8at.％、O成分为1.28at.％；显微硬度为20.39GPa、弹性模量为297.93GPa、自腐蚀电压为-0.386V、自腐蚀电流密度为1.13×10-6A/cm2、室温下磨损为1.88×10-7mm-3N-1mm-1、350℃下磨损率为8.89×10-7mm-3N-1mm-1、500℃下磨损率为1.11×10-6mm-3N-1mm-1。
实施例2
B靶功率为20W时，Nb成分为57.53at.％、B成分为1.57at.％、N成分为40.19at.％、O成分为1.71at.％；显微硬度为21.5GPa、弹性模量为301.7GPa、自腐蚀电压为-0.365V、自腐蚀电流密度为8.95×10-7A/cm2、室温下磨损为1.31×10-7mm-3N-1mm-1、350℃下磨损率为6.67×10-7mm-3N-1mm-1、500℃下磨损率为7.22×10-7mm-3N-1mm-1。
实施例3
B靶功率为40W时，Nb成分为54.15at.％；B成分为4.01at.％、N成分为40.43at.％、O成分为1.41at.％；显微硬度为31GPa(最高)；弹性模量为366.44GPa(最高)、自腐蚀电压为-0.128V(最低)、自腐蚀电流密度为9.37×10-11A/cm2(最低)、室温下磨损为1.02×10- 7mm-3N-1mm-1、350℃下磨损率为5.56×10-7mm-3N-1mm-1、500℃下磨损率为7.12×10-7mm-3N- 1mm-1。
实施例4
B靶功率为60W时，Nb成分为50.83at.％、B成分为6.06at.％、N成分为41.2at.％、O成分为1.91at.％；显微硬度为25.8GPa、弹性模量为304.1GPa、自腐蚀电压为-0.439V、自腐蚀电流密度为3.38×10-10A/cm2、室温下磨损为9.51×10-8mm-3N-1mm-1(最低)、350℃下磨损率为5.44×10-7mm-3N-1mm-1(最低)、500℃下磨损率为5.56×10-7mm-3N-1mm-1(最低)。
实施例5
B靶功率为80W时，Nb成分为49.43at.％；B成分为9.65at.％；N成分为39.52at.％；O成分为1.39at.％；显微硬度为20.7GPa；弹性模量为270.14GPa；自腐蚀电压为-0.632V；自腐蚀电流密度为1.54×10-7A/cm2；室温下磨损为1.05×10-7mm-3N-1mm-1；350℃下磨损率为6.67×10-7mm-3N-1mm-1；500℃下磨损率为8.15×10-7mm-3N-1mm-1。

Claims (7)

1.一种NbBN复合涂层，其特征在于在室温下采用双靶共焦射频反应磁控溅射法溅射在硬质合金或陶瓷基体上制备得到的，厚度为1.5-2.5μm，B成分为0-9.65at.％，Nb成分为49.43-58.92at.％、N成分为39.8-41.2at.％以及余量的O；
当Nb靶功率为200W，B靶功率为40W时，NbBN复合涂层在室温下同时具有高的显微硬度、高的弹性模量、高的自腐蚀电位以及低的自腐蚀电流密度；
当Nb靶功率为200W，B靶功率为60W时，具有在室温到500℃干摩擦下低的磨损率。
2.权利要求1所述的NbBN复合涂层的制备方法,其特征在于是在室温下采用双靶共焦射频反应磁控溅射法溅射在硬质合金或陶瓷基体上制备得到，溅射时间为3h，靶材是纯Nb靶和B靶，溅射时通入纯氮气做反应气体，氩氮气体流量比为10sccm：7sccm，真空度小于6.0×10-4Pa时溅射，工作气压为0.3Pa，基体的旋转速度为3r/min，Nb靶功率为200W，B靶功率为0-80W且大于0W。
3.权利要求2所述的NbBN复合涂层的制备方法,其特征在于Nb靶功率为200W，B靶功率为20-60W。
4.权利要求2所述的NbBN复合涂层的制备方法,其特征在于Nb靶功率为200W，B靶功率为40W。
5.权利要求2所述的NbBN复合涂层的制备方法,其特征在于首先在基体上溅射纯Nb过渡层。
6.根据权利要求1所述的NbBN复合涂层，其特征在于当Nb靶功率为200W，B靶功率为40W时，NbBN复合涂层在室温下的显微硬度为31GPa；弹性模量为366.44GPa、自腐蚀电压为-0.128V、自腐蚀电流密度为9.37×10-11A/cm2。
7.根据权利要求1所述的NbBN复合涂层，其特征在于当Nb靶功率为200W，B靶功率为60W时，室温下磨损为9.51×10-8mm-3N-1mm-1、350℃下磨损率为5.44×10-7mm-3N-1mm-1、500℃下磨损率为5.56×10-7mm-3N-1mm-1。
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