一种单相六方碳化钨硬质涂层材料及其低温合成方法技术

本发明专利技术涉及一种单相六方碳化钨硬质涂层材料及其低温合成方法，属于薄膜材料技术领域。其主要解决的技术问题是将单相六方碳化钨涂层的合成温度从现有技术的１０００℃以上降低至３００℃，同时显著提高其显微硬度。本发明专利技术采用磁控溅射法，以Ｗ为靶源，Ａｒ，ＣＨ↓［４］及Ｎ↓［２］为放电气体，沉积系统采用直流电源，对碳化钨涂层进行少量Ｎ掺杂，使Ｎ取代部分Ｃ原子，其中Ｎ原子的掺杂浓度为０．５～９％。该方法能促进六方碳化钨的生成，降低其制备温度并提高硬度。本发明专利技术可使六方碳化钨涂层运用于热稳定性较低的基底材料，降低生产成本，拓宽运用领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于薄膜材料
，涉及一种单相六方碳化钩硬质涂层的低温合成方法。
技术介绍
碳化钩涂层由于其优良的耐磨损，耐冲击，耐疲劳和耐腐蚀性能被广泛运用于刀具工业 和航空工业。尤其是近几年的高速燃氧碳化钨涂层技术的开发，使得碳化钨涂层在许多特殊 要求的应用领域逐渐取代了传统的硬铬涂层。碳化钨的相结构复杂，包括六方a-WC，六方 a-W2C,立方P-WC,立方p-Wd《，正交(3-W2C，单斜W3C和四角WC等。并且不同的相结 构其性质不同，对于要求力学性能的硬质保护涂层方面，六方ot-WC在硬度，模量和耐磨损 性能方面都明显优于其它相，所以直接在基底材料上沉积出单相六方a-WC —直是研究的目 标。但是，碳化钩涂层难于结晶，并且多数情况下结晶碳化钩的相成分是立方卩-Wd《或多 相共存。对于六方a-WC,由于它是一种高温热稳定相，这使得单相六方a-WC更加难于结 晶。现有的报道中，M.Katoh等(Jpn.J.Appl.Phys. 1995， H 3628)使用等离子体增强化学 气相沉积(PE-CVD)方法在单晶W (110)表面800'C外延生长出了a-WC。但是这种方法 的特点是借助基底材料的模板效应强迫碳化钨结晶，对基底要求高，并且涂层厚度较低，很 难实际运用。E. C.Weigert等(J. Vac. Sci. Technol. A2008, 26, 23)在不同基片上使用磁控溅 射(PVD)方法沉积碳化钨发现只有在104(TC以上才能得到单相a-WC。大多数基底材料无法承受IOOO'C的高温，而聚合物等热敏衬底的热稳定性则更差。上 述背景技术中制备a-WC的温度为IOO(TC以上，显然，如此高的沉积温度难以满足大多数 基底材料的低温镀膜需要。所以，为了拓宽a-WC涂层的应用范围并使其工业化，研究开发 单相a-WC的低温沉积技术显得十分必要。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是，在不削弱涂层性能的前提下，降低单相a-WC涂层的沉积温度， 提供一种低温沉积方法，减小制备难度，拓宽单相a-WC涂层的应用范围。 本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现一种单相六方碳化钨硬质涂层材料，在碳化钨涂层中掺杂N，用N取代部分C原子， 不形成WN相，N的原子百分含量范围为0.5~9%;涂层材料的相结构为单相六方a-WC， 其空间群为i^附2;涂层中各元素的原子数量比为W/ (C+N)=1:1。3一种用于上述的单相六方碳化钨硬质涂层材料的低温合成方法，采用磁控溅射法，以W 为靶源，Ar， CH4及N2为放电气体，沉积系统采用直流电源，具体工艺步骤是a) 选取基体材料，包括硅片、陶瓷、金属、有机或复合材料，沉积前对基底进行抛光、 清洗预处理；b) 将沉积系统真空室分别用机械泵和分子泵抽至2xlO^Pa以下，然后将Ar、 CH4和N2 送入真空室底部，通过调节气体流量使其达到一定配比，同时调节真空室的压强为0.6 2Pa、 基底温度为300~1000°C，偏压0 -200V，沉积电流0.2~0.45A，气体流量Ar为10 80sccm， CH4为2 20sccm， N2为0.3 15sccm;c) 沉积过程保持Ar和CH4流量不变，通过改变N2流量控制涂层中的N含量，沉积时 间10~300分钟。所述的抛光、清洗预处理包括先用水砂纸粗磨基底使其减薄1.0~2.0阿，然后用400 #-1000#水砂纸细磨，再用M2.5金刚石研磨膏双面抛光，最后丙酮超声处理10-30分钟， 酒精超声处理10-30分钟，去离子水反复冲洗后吹干。基底温度的升温速率控制在l-10'C/min之间，在基底温度达到所设定的温度后，保温 10-60分钟，去除吸附在基底上的空气；在沉积前先对W靶预溅射5 15分钟，除去靶材上 残存的污染物。所述的气体流量配比Ar: CH4=4: 1。本专利技术的单相a-WC硬质保护涂层的结构特点是(1) 沉积出的涂层为单相a-WC，不包括除六方a-WC以外的相。(2) N含量的原子百分比范围为0.5 9。/。。(3) 涂层中各元素的原子浓度比约为W/(C+N)=1: 1。 本专利技术的单相a-WC硬质保护涂层的沉积温度范围为300~1000°C。 本专利技术的单相a-WC硬质保护涂层的突出特点是低温沉积，最低沉积温度达到30(TC，可用于热稳定性较低的基底材料，从而解决了热敏材料难以低温沉积硬质保护涂层的问题； 并且，由于降低了沉积温度，使得生产成本大幅降低。本专利技术的方法制备的a-WC涂层，不含杂相，结构致密，力学性能稳定。该制备方法简 单、经济、高效，力学性能理想，具有良好的应用前景。附图说明图1是本专利技术的碳化钨超硬硬质涂层中N2流量与元素浓度原子百分比关系图。图2是不同N含量下的碳化鹆涂层的相结构。图3是实施例2中不同N含量下的涂层硬度测试结果。具体实施方式下面结合附图所示实施例进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式-本专利技术是通过以下技术手段实现的利用磁控溅射法在碳化钨涂层中掺入少量的N元 素，使N原子取代部分C原子。N元素的加入能促进单相(X-WC的形成，从而大幅度地降 低a-WC的制备温度，同时N的加入还可以细化晶粒，增强涂层的力学性能。本专利技术是通过N掺杂的方式降低a-WC的成核势垒，促进低温下a-WC的生成。该方法 避免了传统制备方法需要提高温度达到a-WC生长的热力学条件的问题。本专利技术的单相a-WC涂层硬质保护涂层的制备方法是采用磁控溅射法，W为靶源， Ar， CH4及N2为放电气体，沉积系统采用直流电源；以硅片，陶瓷，金属，有机，复合材 料等作为基底；沉积前先对基底进行抛光，清洗等预处理。沉积时先将沉积系统真空室分别 用机械泵和分子泵抽至2xlO^Pa以下，然后调节基底温度为300~1000°C，偏压0~-200V,沉 积压强0.6 2Pa，沉积电流0.2~0.45A,沉积时间10~300分钟。气体流量Ar为10 80sccm， CH4为2-20sccm， N2为0.3 15scctn。上述的基底在沉积前需进行抛光、清洗预处理，可以先用水砂纸粗磨基底使其减薄 1.0~2.0拜，然后用400#-1000#水砂纸细磨，再用M2.5金刚石研磨膏双面抛光，最后丙酮 超声处理10分钟，酒精超声处理10分钟，去离子水反复冲洗后吹干。这样可以保证基底与 涂层之间的结合力。要制得品质优秀的涂层，升温速率需要控制在l-10'C/min之间；在基底温度达到所设定 的温度后，保温10-60分钟，这样可以去除吸附在基底上的空气；在沉积前先对W靶预溅 射5 15分钟，以除去靶材上残存的污染物。实施例1本专利技术的单相ot-WC涂层硬质保护涂层的具体制备方法。基底材料以Si (100)为例，基底在实验前需依次经过丙酮、酒精、和去离子水清洗。 以保证其与涂层的结合力。实验采用磁控溅射方法进行涂层沉积。该沉积系统是中国科学院 沈阳科学仪器公司生产的DPS-m型超髙真空多靶磁控溅射设备。以W为靶源，Ar、 CH4和 N2为放电气体，放电电极采用直流电源。沉积涂层前，用分子泵将磁控溅射系统的真空抽 至2xl(^Pa以下，然后将Ar、 CH4和N2从真空室底部送入，调节流量计使气体流量达到一 定配比，通过真空室与分子泵之间的旁抽阀调节真空室的压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单相六方碳化钨硬质涂层材料，其特征在于：在碳化钨涂层中掺杂Ｎ，用Ｎ取代部分Ｃ原子，不形成ＷＮ相，Ｎ的原子百分含量范围为０．５～９％；涂层材料的相结构为单相六方α－ＷＣ，其空间群为Ｐ６ｍ２；涂层中各元素的原子数量比为：【Ｗ】／（【Ｃ】＋【Ｎ】）＝１：１。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑伟涛，胡超权，苏亚东，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]