[发明专利]一种AlB2型WB2硬质涂层及其制备工艺

说明书

技术领域：

本发明属于金属材料表面沉积硬质耐磨涂层技术领域，具体涉及一种AlB₂型WB₂硬质涂层及其制备工艺。

背景技术：

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。金刚石目前仍保持着自然界中已知的最硬材料。可是金刚石在使用中也有局限，切削金属时易发生化学反应而迅速磨损。相反，具有同金刚石类似结构的立方氮化硼-目前已知第二硬的材料，则具有较高的热稳定性及化学惰性，可用于加工黑色金属。但是它形成条件较为苛刻，需要在高温高压条件下进行合成，导致使用成本较高。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。

目前，过渡金属硼化物已成为研究热点。其中，WB₂被认为是WB_x体系中极具应用前景的潜在超硬材料。实验中发现，WB₂具有两种不同的晶体结构（即WB₂和AlB₂型）。目前该材料（WB₂型）可商业生产，但关于该材料（AlB₂型）的合成却鲜有报道。至今也没有发现关于AlB₂型WB₂的成功制备及其物理和力学性能方面的实验报道。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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种AlB₂型WB₂硬质涂层及其制备工艺，以提高刀具或工件表面硬度和耐磨性的要求。

本发明的技术方案是：

一种AlB₂型WB₂硬质涂层，该涂层沉积在高速钢或硬质合金基材表面，涂层与基材的结合力大于50N，涂层硬度≥40GPa；涂层厚度为1～3.0μm，涂层的平均摩擦系数为～0.23，磨损率为6.5x10^-6mm³N^-1m^-1。

上述AlB₂型WB₂硬质涂层的制备工艺，该工艺是选择WB₂型WB₂为靶材，采用直流磁控溅射技术在基材表面沉积AlB₂型WB₂涂层。具体包括如下步骤：

（1）预处理过程：沉积前需对基材进行预处理，具体为：将基材打磨至Ra＝0.4μm，然后先用丙酮超声清洗15min，再用酒精漂洗后烘干；待真空室内真空度达到5×10^-3Pa～1×10^-2Pa时，先通入氩气，气压控制在0.5～2Pa之间，然后开启基体偏压至-100V～-300V范围，使气体发生辉光放电，对基材进行辉光清洗5～15分钟；

（2）采用直流磁控溅射技术沉积WB₂涂层，工艺参数为：靶基距50～100mm，设定气压为0.2-0.8Pa,靶电压300～400V，电流0.5～1.5A，基体偏压为0～-300V，占空比20～40％，沉积温度100～700℃；根据所需涂层厚度设定沉积时间。

（3）沉积结束后，停止通入氩气，关闭基体偏压电源，关闭溅射电源开关，继续抽真空，样品随炉冷却至50℃以下，将样品从炉内取出。

本发明具有以下优点：

1、本发明是在高速钢或硬质合金表面沉积WB₂（AlB₂型）涂层，选用WB₂型WB₂靶材（保证靶材成分B/W(at.%)=2），采用直流磁控溅射技术沉积，沉积过程中通过精确控制氩气流量、沉积温度和基体偏压等工艺参数，获得性能优异的WB₂（AlB₂型）硬质涂层。

2、本发明所制备的薄膜，其硬度可达到40GPa以上，膜/基结合力达到50N以上，以及良好的摩擦磨损性能（平均摩擦系数～0.23，磨损率6.5x10^-6mm³N^-1m^-1）。

3、本发明证明了一些高压相在非平衡条件下通过PVD方法在原子尺度范围内进行合成的可能性。