一种W-B-C硬质涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种W-B-C硬质涂层及其制备方法和应用，属于金属材料表面沉积硬质耐磨涂层技术领域。采用直流磁控溅射的方法，通过调控C2H2分压、沉积温度和衬底偏压，在硬质合金基体上制备了W-B-C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。本发明专利技术所涉及的这种W-B-C(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。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于金属材料表面沉积硬质耐磨涂层
，具体地说是一种W-B-C硬质涂层及其制备方法和应用。
技术介绍
：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。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。近年来AlB2-type WB2被认为是一种极具潜力的超硬自润滑薄膜，已经成为了计算和实验领域的研究热点。1966年Woods等人首次采用热丝化学气相沉积制备出AlB2-type WB2，之后一些研究人员尝试采用粉末冶金法制备该相，但都归于失败，因为理论计算表明AlB2-type WB2是一种高压相。直到2013年，Jiang等通过直流磁控溅射的方法在680℃制备出光滑致密、高硬度低磨损的AlB2-type WB2薄膜，并对其相关的物理性能及生长机制进行了研究。但是Jiang的沉积温度过高，很难在工业中推广，同时其没有对WB2基薄膜的结构及性能进行研究和改善。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。因此，通过适当的掺杂制备高性能的W-B-C薄膜，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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种W-B-C(AlB2型)硬质涂层及其制备方法和应用，该涂层能够提高刀具或工件表面硬度和耐磨性。本专利技术的技术方案是：一种W-B-C硬质涂层的制备方法，所述W-B-C硬质涂层为具有AlB2结构的C掺杂WB2薄膜，C掺杂量为26.4-72.5at.％；该硬质涂层选用WB2型WB2靶材，采用直流磁控溅射技术并通过控制C2H2气体分压、沉积温度和衬底偏压，在硬质合金等基材上制备而成。采用成分计量比的相应靶材，保证靶材成分B/W(at.％＝2)，精确控制C2H2气体分压、沉积温度和衬底偏压等工艺参数，利于涂层成分和结构的有效控制。采用直流磁控溅射技术制备所述W-B-C硬质涂层包括如下步骤：(1)对基材进行预处理后放入直流磁控溅射技术设备的真空室内，待真空室内真空度达到5×10-3Pa～1×10-2Pa时，然后通入氩气，氩气气压控制在0.5～2Pa，再开启基体偏压至-100V～-300V，使氩气发生辉光放电，对基材进行辉光清洗5～15分钟；(2)沉积W-B-C硬质涂层：沉积过程工艺参数为：靶基距为50～100mm，C2H2分压0.004-0.05Pa，靶电压300～400V，电流0.5～1.5A，脉冲偏压为-50～-300V，占空比20～40％，沉积温度100～600℃，涂层厚度为1～3μm。上述步骤(1)中，对基材进行预处理过程为：将基材表面打磨至Ra＝0.4μm，随后采用丙酮超声清洗15min，再用酒精漂洗后烘干。上述步骤(2)沉积结束后，停止通入C2H2和Ar气体，关闭基体偏压，关闭溅射电源开关，继续抽真空，直至所得涂层样品随炉冷却至50℃以下，取出。本专利技术具有以下优点及有益效果：1、本专利技术是在硬质合金表面合成的W-B-C涂层，薄膜硬度可达到40GPa以上，膜/基结合力达到50N以上，以及良好的摩擦磨损性能(摩擦系数～0.316，磨损率低达7.7×10-8mm3/mN)。2、本专利技术证明了WB2高压相及其掺杂在低温低压条件下进行合成的可能性。3、本专利技术所涉及的W-B-C(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为不同C2H2分压下制备的W-B-C薄膜的X射线衍射谱。图2为不同C2H2分压下制备的W-B-C薄膜的截面SEM和表面AFM形貌图。图3为不同C2H2分压下制备的W-B-C薄膜的硬度H和有效弹性模量E*。图4为不同C2H2分压下制备的W-B-C薄膜的摩擦系数及磨损。具体实施方式：下面通过实例对本专利技术做进一步详细说明。实施例1基材采用YG8硬质合金。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，基体加直流负偏压至-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，C2H2气体分压(PC2H2)分别选择0Pa、0.004Pa、0.006Pa、0.008Pa、0.01Pa、0.02Pa、0.03Pa、0.04Pa、0.05Pa，设定C2H2和氩气的总气压为0.5Pa，靶电流0.5A，脉冲偏压为-50V，占空比30％，沉积温度400℃，总沉积时间为90分钟。沉积结束后，气体流量通入会自动关闭，此时迅速降偏压，关闭靶电源开关，停气，继续抽真空，随炉冷却至真空室温度降至50℃以下时，最后放掉真空取出工件。涂层的XRD图谱如图1所示，从图中可以看出，C2H2分压的大小可以显著地改变薄膜的相结构。纯WB2薄膜呈现出(101)择优取向生长；当C2H2分压从0.004Pa增加到0.008Pa时，薄膜的择优取向由(101)转变为(001)；而当PC2H2＝0.01Pa时，薄膜的衍射图谱中仅出现非常微弱且宽化的(001)衍射峰；随着C2H2分压的进一步增大，薄膜中WB2相的衍射峰全部消失，取而代之的是XRD非晶结构。根据XRD数据，随着C2H2分压的增加，薄膜的晶格常数逐渐变大，这说明较小的C原子倾向间隙固溶于h-WB2晶格中形成间隙固溶体。从图1中还可以发现，当0.004Pa≤PC2H2≤0.008Pa时，W-B-C薄膜的结晶度高于纯的WB2薄膜。另外，对于结晶的W-B-C薄膜，随着C2H2分压的增加，薄膜的(001)衍射峰逐渐宽化，表明薄膜的晶粒尺寸逐渐降低，一方面C可以促进二次形核，另一方面聚集在晶界附近的C可以阻止晶粒的长大。另外，在所有样品的XRD衍
射图谱中没有发现其它相的生成，如WC等。图2给出了四张典型的不同C2H2分压下制备的W-B-C薄膜的截面SEM以及表面AFM形貌图。由图可得，纯的WB2薄膜(PC2H2＝0Pa)截面呈现出典型的柱状结构；当PC2H2＝0.006Pa时，薄膜的柱状单元尺寸减小而转变为较细的纤维状结构；随着薄膜中C含量的进一步增加(PC2H2＝0.01Pa)，薄膜的微观结构转变为致密的无定型结构，此时样品主要由h-WBxCy/a-WC/a-C组成；当C2H2分压增加至0.03Pa时，薄膜截面呈现出玻璃状形貌，此时薄膜主要由一些球状或者片状的无序a-C组成。随着薄膜中C含量增加，薄膜截面形貌的的这种演变也在WC/a-C纳米复合薄膜中被观察到。从薄膜的表面AFM形貌图可以看出，在PC2H2＝0，0.006Pa下制备的薄膜中观察到了纳米尺寸的纺锤状粒子，表明薄膜的各向异性生长，另外薄膜的团簇尺寸随着C2H2分压的增加而显著降低，和截面形貌的变化趋势一致，这主要是因为C原子的加入可以细化晶粒，同时也使薄膜的结构越来越致密；当PC2H2＝0.01Pa时，薄膜呈现无定型的表面形貌；PC2H2＝0.03Pa，薄膜表面出现片状的团簇粒子，这些粒子可能是a-C。图3为不同C2H2分压下制备的W-B-C薄膜的硬度H和有效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种W‑B‑C硬质涂层的制备方法，其特征在于：所述W‑B‑C硬质涂层为具有AlB2结构的C掺杂WB2薄膜；该硬质涂层选用WB2型WB2靶材，采用直流磁控溅射技术并通过控制C2H2气体分压、沉积温度和衬底偏压，在硬质合金基材上制备而成。

【技术特征摘要】
1.一种W-B-C硬质涂层的制备方法，其特征在于：所述W-B-C硬质涂层为具有AlB2结构的C掺杂WB2薄膜；该硬质涂层选用WB2型WB2靶材，采用直流磁控溅射技术并通过控制C2H2气体分压、沉积温度和衬底偏压，在硬质合金基材上制备而成。2.根据权利要求1所述的W-B-C硬质涂层的制备方法，其特征在于：所述WB2靶材的化学成分中，B与W的原子百分含量的比值为2。3.根据权利要求1所述的W-B-C硬质涂层的制备方法，其特征在于：采用直流磁控溅射技术制备所述W-B-C硬质涂层包括如下步骤：(1)对基材进行预处理后放入直流磁控溅射技术设备的真空室内，待真空室内真空度达到5×10-3Pa～1×10-2Pa时，然后通入氩气，氩气气压控制在0.5～2Pa，再开启基体偏压至-100V～-300V，使氩气发生辉光放电，对基材进行辉光清洗5～15分钟；(2)沉积W-B-C硬质涂层：沉积过程工艺参数为：靶基距为50～100mm，C2H2分压0.004-0.05Pa...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴志亮，刘艳明，蒋春磊，宫骏，孙超，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21