CN207862436U - 碳-过渡金属硼化物复合涂层和切削工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碳‑过渡金属硼化物复合涂层和切削工具，涉及陶瓷涂层技术领域。碳‑过渡金属硼化物复合涂层包括：层状结构设置的碳掺杂的过渡金属硼化物层和类金刚石层；沿碳掺杂的过渡金属硼化物层至类金刚石层的方向，碳掺杂的过渡金属硼化物层中碳含量梯度递增。本实用新型缓解了现有过渡金属硼化物涂层或掺杂的过渡金属硼化物涂层耐磨性差、硬度需进一步提升以及与基体结合力差的问题，本实用新型通过设置类金刚石层能够降低涂层接触面的摩擦系数，通过梯度式碳掺杂的过渡金属硼化物层的过渡，使得整个复合涂层不仅与基体结合力好，而且两层之间的结合力更强，复合涂层硬度高，不易脱落。

Description

碳-过渡金属硼化物复合涂层和切削工具

技术领域

本实用新型涉及陶瓷涂层技术领域，具体而言，涉及一种碳-过渡金属硼化物复合涂层和切削工具。

背景技术

过渡金属硼化物如ReB₂、IrB_1.1、WB、WB₄、TiB₂、CrB₂等是近年来发展起来的新一代超硬材料，不仅具有高达50GPa的硬度，还具有高的熔点、化学惰性、耐高温氧化性能以及良好的导热和导电性能，而且与铝合金、钛合金等有色金属及合金具有低的化学亲和力，是一种具有应用前景的新型超硬涂层材料，有望用于航空航天领域难加工材料的切削加工，以取代目前价格高昂的PCD及PCBN等进口刀具。但是，较高的摩擦系数影响了过渡金属硼化物涂层应用。

类金刚石涂层(DIAMOND-LIKE CARBON，DLC)是一种在微观结构上含有金刚石成分的涂层，构成DLC的元素为碳，碳原子和碳原子之间以sp3和sp2键的形式结合，由于含有金刚石成分，DLC具有很多优良的特性，如高硬度、低摩擦系数、极好的膜层致密性、良好的化学稳定性以及良好的光学性能等。

为了提升过渡金属硼化物涂层的性能，会在涂层中掺杂一些其他成分或增加其他成分层形成多层结构，目前掺杂的方式均采用均匀掺杂，以固定的掺杂量进行掺杂，掺杂后的涂层中不同厚度位置掺杂成分都是均匀分布的，掺杂量过多会影响硼化物涂层与基体的结合力，掺杂量过少对涂层性能提升作用小，容易出现松散、脱落、出现裂纹等情况。CN106086886 A公开了一种自润滑二硼化钛TiB₂/类金刚石DLC硬质涂层，将TiB₂陶瓷层与DLC周期性相互叠加，得到一种多层结构的TiB₂/DLC硬质涂层，涂层硬度较高、摩擦系数较小，但是这种纳米多层结构工艺复杂，需对每层涂层厚度进行控制，重复性差，多层复合后的性能不稳定，同时这种层状结构层与层之间由不同性能的成分构成，层与层之间的结合力差，易脱落。目前过渡金属硼化物涂层的硬度、耐磨性、结合力等综合性能仍然不能满足需求。

有鉴于此，特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于提供一种碳-过渡金属硼化物复合涂层，通过设置类金刚石层能够降低涂层接触面的摩擦系数，通过梯度式碳掺杂的过渡金属硼化物层的过渡，使得整个复合涂层不仅与基体结合力好，而且两层之间的结合力更强，复合涂层硬度高，不易脱落。

本实用新型的目的之二在于提供一种包含所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层的切削工具，具有与上述碳-过渡金属硼化物复合涂层相同的优势。

为了实现本实用新型的上述目的，特采用以下技术方案：

第一方面，提供了一种碳-过渡金属硼化物复合涂层，包括：层状结构设置的碳掺杂的过渡金属硼化物层和类金刚石层；

沿所述碳掺杂的过渡金属硼化物层至所述类金刚石层的方向，所述碳掺杂的过渡金属硼化物层中碳含量梯度递增。

优选地，在本实用新型技术方案的基础上，所述碳-过渡金属硼化物复合涂层还包括：过渡金属硼化物层；所述碳掺杂的过渡金属硼化物层位于所述过渡金属硼化物层和所述类金刚石层之间。

优选地，在本实用新型技术方案的基础上，过渡金属硼化物包括ReB₂、IrB_1.1、WB、WB₄、TiB₂或CrB₂；

优选地，过渡金属硼化物为TiB₂或CrB₂；

优选地，过渡金属硼化物为CrB₂。

优选地，在本实用新型技术方案的基础上，碳掺杂的过渡金属硼化物层的厚度为0.1～0.5μm。

优选地，在本实用新型技术方案的基础上，碳掺杂的过渡金属硼化物层的厚度为0.1～0.3μm。

优选地，在本实用新型技术方案的基础上，类金刚石层的厚度为0.7～1.2μm。

优选地，在本实用新型技术方案的基础上，类金刚石层的厚度为0.8～1μm。

优选地，在本实用新型技术方案的基础上，过渡金属硼化物层的厚度为0.2～1μm，优选0.2～0.8μm。

第二方面，提供了一种包含所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层的切削工具。

与已有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型的复合涂层使用时碳掺杂的过渡金属硼化物层置于基体上，类金刚石层置于碳掺杂的过渡金属硼化物层上，碳掺杂的过渡金属硼化物层中C含量(碳粒子数量)沿涂层厚度梯度递增，涂层与基体接触面C含量较少，基本全部为硼化物，增强涂层与基体的结合力；类金刚石层能够降低涂层在使用时的摩擦系数，提高涂层摩擦性能；同时，通过碳掺杂的过渡金属硼化物层中C的梯度过渡，使得碳掺杂的过渡金属硼化物层与类金刚石层的接触面成分相近，这样可以增强两层之间的粘结力，提高复合涂层的整体性，得到的复合涂层硬度高、摩擦系数小、结合力强且不易脱落。

附图说明

图1为本实用新型一种实施方式的碳-过渡金属硼化物复合涂层的结构示意图；

图2为本实用新型一种实施方式的碳-过渡金属硼化物复合涂层中碳掺杂的过渡金属硼化物层的结构示意图；

图3为本实用新型另一种实施方式的碳-过渡金属硼化物复合涂层的结构示意图；

图4为实施碳掺杂的过渡金属硼化物层以及碳-过渡金属硼化物复合涂层的制备方法的装置示意图。

图标：100-碳掺杂的过渡金属硼化物层；101-碳粒子；200-类金刚石层；300-过渡金属硼化物层；400-基体；500-转架；600-CrB₂靶；700-石墨靶。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

根据本实用新型的第一个方面，提供了一种碳-过渡金属硼化物复合涂层，图1为本实用新型一种实施方式的碳-过渡金属硼化物复合涂层的结构示意图，如图1所示，碳-过渡金属硼化物复合涂层包括：层状结构设置的碳掺杂的过渡金属硼化物层100和类金刚石层200；沿碳掺杂的过渡金属硼化物层100至类金刚石层200的方向，碳掺杂的过渡金属硼化物层100中碳含量梯度递增。

本实用新型复合涂层包括碳掺杂的过渡金属硼化物层和类金刚石层。

碳掺杂的过渡金属硼化物层

碳掺杂的过渡金属硼化物层是一种梯度碳掺杂的过渡金属硼化物涂层，碳含量沿涂层厚度梯度递增。

过渡金属硼化物主要指5d过渡金属硼化物，典型的例如为ReB₂、IrB_1.1、WB、WB₄、TiB₂或CrB₂等。

过渡金属硼化物涂层是指由纯过渡金属硼化物纳米粉体或其致密结构的薄膜制成的涂层。

优选地，过渡金属硼化物涂层为二硼化钛(TiB₂)涂层或二硼化铬(CrB₂)涂层，优选CrB₂涂层。

为了方便理解，可以将碳掺杂的过渡金属硼化物层分为若干个片层叠加而成，处于不同厚度上的每个片层含碳量(碳粒子数量)不同，随着厚度的增加碳粒子数量依次增加。

对碳掺杂的过渡金属硼化物层中的含碳量不作限定，只要含碳量随厚度梯度递增即可。

如图2所示，碳掺杂的过渡金属硼化物层100中不同厚度层上的碳粒子101分布不均，随着厚度的增加碳粒子101数量梯度增加，靠近基体的碳粒子最少，靠近类金刚石层的碳粒子最多。

优选地，例如将厚度在0.2μm的碳掺杂的过渡金属硼化物层分为10层，则每层0.02μm。随着厚度的增加每层含碳量依次梯度增加，厚度最小的层(与基体结合的层)含碳量最低，含碳量可为0-10at％，厚度最大的层(与类金刚石层结合的层)含碳量最高，含碳量可为90-100at％，从厚度最小的层到厚度最大的层含碳量梯度递增。

类金刚石层

类金刚石层(DLC)是指由纯C粉体或其致密结构的薄膜制成的涂层。

使用时，碳掺杂的过渡金属硼化物层置于基体上，类金刚石层置于碳掺杂的过渡金属硼化物层上，碳掺杂的过渡金属硼化物层中C含量(碳粒子数量)沿涂层厚度梯度递增，涂层与基体接触面C含量较少，基本全部为硼化物，增强涂层与基体的结合力；类金刚石层能够降低涂层在使用时的摩擦系数，提高涂层摩擦性能；同时，通过碳掺杂的过渡金属硼化物层中C的梯度过渡，使得碳掺杂的过渡金属硼化物层与类金刚石层的接触面成分相近，这样可以增强两层之间的粘结力，提高复合涂层的整体性，得到的复合涂层硬度高、摩擦系数小、结合力强且不易脱落。

在一种优选的实施方式中，碳-过渡金属硼化物复合涂层还包括：过渡金属硼化物层；碳掺杂的过渡金属硼化物层位于过渡金属硼化物层和类金刚石层之间。

图3为本实用新型另一种实施方式的碳-过渡金属硼化物复合涂层的结构示意图。

如图3所示，碳-过渡金属硼化物复合涂层包括：层状结构设置的过渡金属硼化物层300、碳掺杂的过渡金属硼化物层100和类金刚石层200；碳掺杂的过渡金属硼化物层100位于过渡金属硼化物层300和类金刚石层200之间；沿碳掺杂的过渡金属硼化物层100至类金刚石层200的方向，碳掺杂的过渡金属硼化物层100中碳含量梯度递增。

基体400上依次设置层状结构的过渡金属硼化物层300、碳掺杂的过渡金属硼化物层100和类金刚石层200，通过过渡金属硼化物层300的设置，能够进一步增强涂层与基体之间的结合力，使涂层不易脱落。该结构的复合涂层综合性能佳，不仅与基体的结合力强，不易脱落，而且涂层具有优秀的硬度和耐磨性能，应用前景广阔。

可以理解的是，基体典型但非限制的例如为硬质合金、单晶硅片、氧化铝片或玻璃等，优选为高速钢、不锈钢等金属基体，因为金属基体更接近于该类涂层的实际应用。

在一种优选的实施方式中，碳掺杂的过渡金属硼化物层的厚度为0.1～0.5μm，优选0.1～0.3μm，例如0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm或0.5μm。

在一种优选的实施方式中，类金刚石层的厚度为0.7～1.2μm，优选为0.8～1μm，例如0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、1.1μm或1.2μm。

在一种优选的实施方式中，过渡金属硼化物层的厚度为0.2～1μm，优选0.2～0.8μm，例如0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm或1μm。

涂层厚度会影响涂层与基体的结合强度以及涂层的性能，涂层过薄，涂层硬度不佳，涂层过厚，与基体的结合性变差。通过控制过渡金属硼化物层、碳掺杂的过渡金属硼化物层以及类金刚石层的厚度，有利于获得与基体结合力好，硬度、韧性以及耐磨性能优秀的复合涂层。

碳-过渡金属硼化物复合涂层可以用本领域已知的方法制备，常用的有化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)、溶胶涂敷法、脉冲电极沉积(PES)、激光表面改性、电化学法、热喷涂法、自蔓延高温合成技术等，优选物理气相沉积法。

优选地，碳-过渡金属硼化物复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

采用磁控溅射方法，先在基体上梯度沉积碳和过渡金属硼化物，得到碳掺杂的过渡金属硼化物层，再在碳掺杂的过渡金属硼化物层上沉积类金刚石层，得到碳-过渡金属硼化物复合涂层。

优选地，碳-过渡金属硼化物复合涂层的制备方法还包括先在基体上沉积过渡金属硼化物层，再在过渡金属硼化物层上梯度沉积碳和过渡金属硼化物，得到碳掺杂的过渡金属硼化物层的步骤。

过渡金属硼化物层可以用本领域已知的方法制备，典型但非限制性的为通过溅射过渡金属硼化物对应靶材沉积过渡金属硼化物获得。

优选的工艺参数为：氩气流量为100～400sccm；和/或，沉积压强为0.7～1.3Pa；和/或，过渡金属硼化物对应靶材功率为1.0～2.4KW；和/或，沉积时间为5～10min；和/或，基体偏压为0～-200V。

沉积碳和过渡金属硼化物，得到碳掺杂的过渡金属硼化物层的方法包括以下步骤：

通入氩气和碳源气体，以固定速率增加碳源气体流量并以相同的速率减少氩气流量，同时以固定速率降低过渡金属硼化物对应靶材功率，沉积碳和过渡金属硼化物，得到碳掺杂的过渡金属硼化物层。

优选地，碳源气体为乙炔气体。

优选地，碳源气体的起始流量为10～50sccm，并以2～5sccm/min的速率增加；氩气的起始流量为100～400sccm，并以与碳源气体增加速率相同的速率减少；和/或，过渡金属硼化物对应靶材起始功率为1～2.4KW，并以10～60W/min的速率降低。

优选地，沉积时间为10～50min，优选10～40min，进一步优选20～40min。

需要注意的是，氩气流量的减少、碳源气体流量的增加以及过渡金属硼化物对应靶材功率的降低同步进行、同步调节，以梯度沉积碳和过渡金属硼化物。

沉积类金刚石层可以用本领域已知的方法制备，典型但非限制性的例如为通过磁控溅射石墨靶沉积碳获得。

优选的工艺参数为：石墨靶功率为0.5～2KW；和/或，沉积时间为45～60min；和/或，基体偏压为0～-100V。

一种典型的碳-过渡金属硼化物复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

(a)预处理：先将基体放入丙酮溶液中超声清洗15～20min，再将基体用去离子水冲洗后放入无水乙醇溶液中超声清洗15～20min，取出后再次用去离子水冲洗，之后再将基体放入去离子水中超声清洗10～20min，然后用干燥氮气将衬底表面吹干，最后再将基体放入鼓风干燥箱中80～120℃烘干；并将烘干后的基片，固定在镀膜设备中的转架上；关闭真空室门，抽真空；当真空室压强抽到5.0×10^-3Pa以后，打开加热电源对真空室进行加热烘烤，加热温度为100～300℃，加热过程中开启转架系统，使基片转动；当真空度达到3.2×10^-3Pa时，开始进行辉光清洗；

(b)辉光清洗：打开氩气瓶主阀，减压阀、离子源阀、弧阀和靶阀以及质量流量计向真空室内通入氩气，氩气流量300～500sccm，工作压强为1.0～1.7Pa，基体偏压-500～-800V，对基体进行辉光清洗，清洗时间5～10min；

(c)离子刻蚀清洗：辉光清洗结束后，开启离子源对样品进行离子轰击清洗，离子源电流为50～90A，氩气流量200～500sccm，工作压强0.5～1.7Pa，基体偏压为-150～-500V，清洗时间10～20min；

(d)涂层沉积：离子刻蚀清洗结束后，通入氩气，流量为100～400sccm,调节真空室压强为0.7～1.3Pa，开启过渡金属硼化物靶和乙炔气体，靶起始功率为1.0～2.4KW，并以10～60W/min的速度降低，乙炔气体的起始流量为10～50sccm，并以2～5sccm/min的速度增加，同时氩气以相同速度减少，基底偏压0～-150V，梯度沉积碳和过渡金属硼化物，沉积时间10～50min；碳梯度掺杂结束后，开始沉积类金刚石层，关闭过渡金属硼化物靶，保持石墨靶开启功率为0.5～2KW，将样品调整到石墨靶位置，基底偏压0～-100V，沉积时间45～60min；

(e)涂层沉积结束后，关闭离子源电源以及偏压电源，继续通入氩气进行降温，待温度降到100℃以下后，关闭高阀，打开放气阀，待真空室内压强与外界气压一致时，打开真空室门，将样品取出。

该方法得到的碳-过渡金属硼化物复合涂层的结构例如图1，基体上依次沉积碳掺杂的过渡金属硼化物层和类金刚石层。

另一种典型的碳-过渡金属硼化物复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

(a)预处理：先将基体放入丙酮溶液中超声清洗15～20min，再将基体用去离子水冲洗后放入无水乙醇溶液中超声清洗15～20min，取出后再次用去离子水冲洗，之后再将基体放入去离子水中超声清洗10～20min，然后用干燥氮气将衬底表面吹干，最后再将基体放入鼓风干燥箱中80～120℃烘干；并将烘干后的基片，固定在镀膜设备中的转架上；关闭真空室门，抽真空；当真空室压强抽到5.0×10^-3Pa以后，打开加热电源对真空室进行加热烘烤，加热温度为100～300℃，加热过程中开启转架系统，使基片转动；当真空度达到3.2×10^-3Pa时，开始进行辉光清洗；

(b)辉光清洗：打开氩气瓶主阀，减压阀、离子源阀、弧阀和靶阀以及质量流量计向真空室内通入氩气，氩气流量300～500sccm，工作压强为1.0～1.7Pa，基体偏压-500～-800V，对基体进行辉光清洗，清洗时间5～10min；

(c)离子刻蚀清洗：辉光清洗结束后，开启离子源对样品进行离子轰击清洗，离子源电流为50～90A，氩气流量200～500sccm，工作压强0.5～1.7Pa，基体偏压为-150～-500V，清洗时间10～20min；

(d)涂层沉积：离子刻蚀清洗结束后，通入氩气，流量为100～400sccm,调节真空室压强为0.7～1.3Pa，开启过渡金属硼化物靶，靶功率为1.0～2.4KW，基底偏压0～-150V，进行过渡金属硼化物层的沉积，沉积时间为5～10min；过渡金属硼化物沉积结束后，开启乙炔气体进行碳梯度掺杂，在沉积过程中，过渡金属硼化物靶功率以10～60W/min的速度降低，设定乙炔气体的起始流量为10～50sccm，并以2～5sccm/min的速度增加，同时氩气以相同速度减少，沉积时间10～50min；碳梯度掺杂结束后，开始沉积类金刚石层，关闭过渡金属硼化物靶，保持石墨靶开启功率为0.5～2KW，将样品调整到石墨靶位置，基底偏压0～-100V，沉积时间45～60min；

(e)涂层沉积结束后，关闭离子源电源以及偏压电源，继续通入氩气进行降温，待温度降到100℃以下后，关闭高阀，打开放气阀，待真空室内压强与外界气压一致时，打开真空室门，将样品取出。

该方法得到的碳-过渡金属硼化物复合涂层的结构例如图3，基体上依次沉积过渡金属硼化物层、碳掺杂的过渡金属硼化物层和类金刚石层。

根据本实用新型的第二个方面，提供了一种包含所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层的切削工具。

使用该切削工具表面摩擦系数低、加工效率和切削加工使用寿命长。

下面通过具体的实施例和对比例进一步说明本实用新型，但是，应当理解为，这些实施例仅是用于更详细地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本实用新型。本实用新型涉及的各原料均可通过商购获取。

过渡金属硼化物以CrB₂为例。

实施例和对比例的碳掺杂的过渡金属硼化物层或碳-过渡金属硼化物复合涂层的制备方法采用V-Tech MF610型多功能离子镀膜系统(如图4所示)实施，包括转架500、放置于转架500上的基体400、离子源、CrB₂靶600和石墨靶700，采用磁控溅射技术，通过控制直流阴极连接的磁控CrB₂靶溅射CrB₂和乙炔气体得到碳掺杂的过渡金属硼化物层，进而通过直流阴极连接的石墨靶溅射C，得到碳-过渡金属硼化物复合涂层。本实施例和对比例中均采用尺寸为20mm×20mm×2mm的高速钢测试片作为基片。

实施例1

一种碳掺杂的CrB₂涂层，涂层中碳含量沿涂层厚度梯度递增。

该涂层的制备方法包括以下步骤：

(a)预处理：先将基体放入丙酮溶液中超声清洗15min，再将基体用去离子水冲洗后放入无水乙醇溶液中超声清洗15min，取出后再次用去离子水冲洗，之后再将基体放入去离子水中超声清洗10min，然后用干燥氮气将衬底表面吹干，最后再将基体放入鼓风干燥箱中90℃烘干；并将烘干后的基片，固定在镀膜设备中的转架上；关闭真空室门，抽真空；当真空室压强抽到5.0×10^-3Pa以后，打开加热电源对真空室进行加热烘烤，加热温度为200℃，加热过程中开启转架系统，使基片转动；当真空度达到3.2×10^-3Pa时，开始进行辉光清洗；

(b)辉光清洗：打开氩气瓶主阀，减压阀、离子源阀、弧阀和靶阀以及质量流量计向真空室内通入氩气，氩气流量400sccm，工作压强为1.5Pa，基体偏压-600V，对基体进行辉光清洗，清洗时间10min；

(c)离子刻蚀清洗：辉光清洗结束后，开启离子源对样品进行离子轰击清洗，离子源电流为80A，氩气流量200sccm，工作压强1Pa，基体偏压为-200V，清洗时间15min；

(d)涂层沉积：离子刻蚀清洗结束后，通入氩气，流量100sccm，调节真空室压强为0.7Pa，开启CrB₂靶和乙炔气体，CrB₂靶起始功率为1.0KW，乙炔气体起始流量为50sccm，基底偏压-150V，CrB₂靶功率以10W/min的速度降低，乙炔气体流量以5sccm/min的速度增加，同时氩气以相同速度减少，进行C和CrB₂沉积，沉积时间30min。

(e)涂层沉积结束后，关闭离子源电源以及偏压电源，继续通入氩气进行降温，待温度降到100℃以下后，关闭高阀，打开放气阀，待真空室内压强与外界气压一致时，打开真空室门，将样品取出。

实施例2

一种碳-CrB₂复合涂层，基体上包括层状结构设置的碳掺杂的CrB₂涂层和类金刚石层；沿碳掺杂的CrB₂涂层至类金刚石层的方向，碳掺杂的CrB₂涂层中碳含量梯度递增。

该复合涂层的制备方法包括以下步骤：

(a)-(c)、(e)同实施例1。

(d)涂层沉积：离子刻蚀清洗结束后，通入氩气，流量100sccm，调节真空室压强为0.7Pa，开启CrB₂靶和乙炔气体，CrB₂靶起始功率为1.0KW，乙炔气体起始流量为50sccm，基底偏压-150V，CrB₂靶功率以10W/min的速度降低，乙炔气体流量以5sccm/min的速度增加，同时氩气以相同速度减少，进行C和CrB₂沉积，沉积时间30min；碳梯度掺杂结束后，开始沉积类金刚石层，关闭CrB₂靶，保持石墨靶开启功率为1KW，将样品调整到石墨靶位置，基底偏压-100V，沉积时间60min。

实施例3

一种碳-CrB₂复合涂层，基体上包括层状结构设置的CrB₂层、碳掺杂的CrB₂涂层和类金刚石层；碳掺杂的CrB₂涂层位于CrB₂层和类金刚石层之间；沿碳掺杂的CrB₂涂层至类金刚石层的方向，碳掺杂的CrB₂涂层中碳含量梯度递增。

该复合涂层的制备方法包括以下步骤：

(a)-(c)、(e)同实施例1。

(d)涂层沉积：离子刻蚀清洗结束后，通入氩气，流量100sccm,调节真空室压强为0.7Pa，开启CrB₂靶，CrB₂靶起始功率为1.0KW，基底偏压-150V，进行CrB₂沉积，沉积时间为10min；CrB₂沉积结束后，开启乙炔气体进行碳梯度掺杂，乙炔气体起始流量为50sccm，CrB₂靶功率以10W/min的速度降低，乙炔气体流量以5sccm/min的速度增加，同时氩气以相同速度减少，进行C和CrB₂沉积，沉积时间30min；碳梯度掺杂结束后，开始沉积类金刚石层，关闭CrB₂靶，保持石墨靶开启功率为1KW，将样品调整到石墨靶位置，基底偏压-100V，沉积时间60min。

对比例1

一种CrB₂涂层，涂层的制备方法包括以下步骤：

(a)-(c)、(e)同实施例2。

(d)涂层沉积：离子刻蚀清洗结束后，通入氩气，流量100sccm,调节真空室压强为0.7Pa，开启CrB₂靶，CrB₂靶起始功率为1.0KW，基底偏压-150V，进行CrB₂沉积，沉积时间为100min。

对比例2

一种碳掺杂的CrB₂涂层，涂层的制备方法包括以下步骤：

(a)-(c)、(e)同实施例2。

(d)涂层沉积：离子刻蚀清洗结束后，通入氩气，流量100sccm，调节真空室压强为0.7Pa，开启CrB₂靶和乙炔气体，CrB₂靶功率为1.0KW，乙炔气体流量为50sccm，基底偏压-150V，进行C和CrB₂沉积，沉积时间30min。

对比例3

一种CrB₂/DLC硬质涂层，以CrB₂靶和石墨靶为原料，通过多靶磁控溅射在基体上交替溅射沉积形成由CrB₂层与DLC层周期性相互叠加而成，涂层的制备方法包括以下步骤：

(a)-(c)、(e)同实施例2。

(d)涂层沉积：通入氩气80sccm，控制真空室气压0.56Pa，采用双极脉冲磁控溅射的方法，CrB₂陶瓷靶为A靶，石墨靶为B靶，靶材与基体的距离为10cm，设置基体和支架参数为：基体偏压-100V，支架自转3rpm/min，公转2rpm/min，设置沉积温度300℃。开启并设置电源参数为：频率40kHz、功率4kW、A靶脉冲电源的占空比为75％。将样品挡板转置于两个溅射靶前，起辉，进行预溅射10min后，打开样品挡板，开始正式溅射沉积CrB₂/DLC多层涂层，沉积时间为3h。

对实施例1-3以及对比例1-3得到的涂层进行性能测试，具体采用以下试验方法进行评估：

(1)硬度测量：采用美国MTS生产的型号为NANO G200纳米压痕仪测量各膜系的硬度与弹性模量，其配置四面体Berkvich压头，选用连续刚度模式，最大压入深度为薄膜厚度的10％，每个样品测量6个矩阵点后取平均值。

(2)摩擦系数测量：采用浙江汇锦梯尔镀层科技有限公司生产的高温摩擦磨损试验机(HT4001)对涂层进行球盘摩擦磨损实验，测量涂层对Si₃N₄的摩擦系数，取平均值。

(3)涂层结合力测试：使用洛氏压痕法测试涂层结合力，载荷为60Kg，考察涂层是否剥落。

测试结果如表1所示。

表1

从表1的结果可以看出，本实用新型实施例2-3得到的复合涂层摩擦系数低，涂层硬度高，与基体结合力好，无剥落现象产生。

本实用新型结构的碳-过渡金属硼化物复合涂层性能明显好于对比例1-3的涂层性能。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本实用新型，然而应意识到，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下可作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本实用新型范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种碳-过渡金属硼化物复合涂层，其特征在于，包括：层状结构设置的碳掺杂的过渡金属硼化物层和类金刚石层；

沿所述碳掺杂的过渡金属硼化物层至所述类金刚石层的方向，所述碳掺杂的过渡金属硼化物层中碳含量梯度递增。

2.按照权利要求1所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层，其特征在于，所述碳-过渡金属硼化物复合涂层还包括：过渡金属硼化物层；所述碳掺杂的过渡金属硼化物层位于所述过渡金属硼化物层和所述类金刚石层之间。

3.按照权利要求1所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层，其特征在于，过渡金属硼化物包括ReB₂、IrB_1.1、WB、WB₄、TiB₂或CrB₂。

4.按照权利要求1所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层，其特征在于，过渡金属硼化物为CrB₂。

5.按照权利要求1-4任一项所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层，其特征在于，所述碳掺杂的过渡金属硼化物层的厚度为0.1～0.5μm。

6.按照权利要求1-4任一项所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层，其特征在于，所述碳掺杂的过渡金属硼化物层的厚度为0.1～0.3μm。

7.按照权利要求1-4任一项所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层，其特征在于，所述类金刚石层的厚度为0.7～1.2μm。

8.按照权利要求1-4任一项所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层，其特征在于，所述类金刚石层的厚度为0.8～1μm。

9.按照权利要求2-4任一项所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层，其特征在于，所述过渡金属硼化物层的厚度为0.2～1μm。

10.一种包含权利要求1-9任一项所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层的切削工具。