專利名稱：一種制備硼碳氮硬質涂層的方法
技術領域：
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本發明屬于涂層材料制備領域，進一步涉及一種用電弧增強磁控濺射方法
制備納米復合硼碳氮(BCN)硬質涂層的方法。
背景技術：
早期研究表明，碳氮(CN)涂層和立方氮化硼(c-BN)涂層具有高硬度和 低摩擦系數等優異性能，在耐磨減摩表面改性領域應用潛力很大。但CN涂層 在50(TC后熱穩定性和抗氧化性能會變差，雖然c-BN涂層的熱穩定性和抗氧 化性高達100(TC以上，在高溫下具有較好的性能，但涂層制備過程中存在有 較大的殘余應力，涂層在使用過程中容易早期剝離。這些不足限制了 CN和 c-BN涂層的進一步廣泛應用。
隨后研究者開始探索在CN和c-BN涂層中分別摻入硼和碳元素，形成 BCN涂層，以期通過成分和微結構優化，改善涂層的力學性能和應用效果。 目前，BCN涂層的制備方法主要是磁控濺射方法，然而由于常規磁控濺射的 離化率低，導致反應室內等離子體密度和離子能量均較低，所制備的BCN 涂層中sp3B-N鍵的含量不高，且涂層常常是非晶結構。因此，涂層的硬度 較低，結合力也不高，涂層的應用效果不理想。
發明內容
基于上述BCN涂層制備方法的不足，本發明的目的在于，用新型電弧增強 磁控濺射方法制備強結合、高硬度、低摩擦和耐磨損的BCN硬質涂層，以滿足 模具、刀具等行業對高性能涂層的要求。為了實現上述任務，本發明采取如下的解決方案 一種制備硼碳氮硬質涂層的方法，該方法包括下列步驟
(1) 基體預處理將基體表面除油、拋光、丙酮超聲清洗后烘干；
(2) 將預處理好的基體放入電弧增強磁控濺射離子鍍膜設備的轉架桿4 上面，轉架桿4固定在臺架2上，轉架桿4自轉，柱弧Ti靶7作為Ti源， 平面B4C耙5作為硼和碳元素的來源，采用平面對耙的方式將平面B4C靶5 安置在爐體內壁上；
(3) 通入氬氣到真空室l，對真空室和預處理好的基體進行清洗；
(4) 清洗完成后，調節氬氣流量到16 22ml/min、將真空室1氣壓調至 0.29 0. 32Pa，然后開啟柱弧Ti靶7，柱弧電流50A，調整偏壓到-450V并 保持3min，在基體表面鍍Ti基層，然后通入&，流量由0 ml/min加到6 8ml/min，柱弧Ti耙7電流不變，基體偏壓調至-150 -250V，保持3min， 在Ti基層上鍍TiN過渡層，在該TiN過渡層形成后，打開平面B4C靶5的控 制電源，將平面B4C靶5的電源功率在20min內調至1. 8KW，并將柱弧Ti靶 7的電流從50A減小到0A，在TiN過渡層上制備TiBCN過渡層；然后保持平 面B4C耙5的功率1. 8KW不變，在TiBCN過渡層上制備硼碳氮硬質涂層，鍍 膜過程中真空室溫度為23(TC、基體偏壓-150 -250V，鍍膜時間為90min。
所述步驟(3)中的清洗過程是以20ml/min的流量通入氬氣到爐內真空室 1內，當真空室氣壓達到5 7Pa并穩定時，調偏壓至-800 -1000V對真空室 1和基體表面進行轟擊清洗，清洗30mim然后開啟柱弧Ti靶7、柱弧電流 50A，利用電弧進一步對真空室l和基體轟擊清洗，清洗5min;
所述基體為高速鋼。
所述步驟四中，清洗完成后，調節氬氣流量到18 20ml/min、將真空室 1氣壓調至0. 30 0. 31Pa，然后開啟柱弧Ti靶(7)，柱弧電流50A，調整偏 壓到-450V并保持3min，在基體表面鍍Ti基層，然后通入N2，流量由0 ml/min加到7ml/min，柱弧Ti靶7電流不變，基體偏壓調至-180 -230V，保持3min， 在Ti基層上鍍TiN過渡層，在該TiN過渡層形成后，打開平面B4C靶5的控 制電源，將平面B4C靶5的電源功率在20min內調至1.8KW，并將柱弧Ti靶 7的電流從50A減小到0A，在TiN過渡層上制備TiBCN過渡層；然后保持平 面B4C靶5的功率1. 8KW不變，在TiBCN過渡層上制備硼碳氮硬質涂層，鍍 膜過程中真空室溫度為23(TC、基體偏壓-180 -230V,鍍膜時間為90min。
所述硼碳氮硬質涂層為納米晶和非晶組成的復合結構，納米晶以立方氮 化硼相為主，涂層光滑致密，涂層中sp3B-N鍵摩爾含量在6(F。以上，涂層的 硬度為32GPa，膜基結合力為45N，涂層厚度約為2um。
采用本發明的方法制備的BCN涂層，通過銷盤實驗對涂層的摩擦磨損性
能進行檢測發現，在室溫和空氣氣氛中當摩擦副為Si3N4時的摩擦系數約為 0.02 0.05，涂層磨痕分布均勻。
圖1為電弧增強磁控濺射鍍膜設備結構示意圖。
圖2為BCN涂層的納米晶和非晶復合相的微觀結構形貌。
圖3為BCN涂層的摩擦系數曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述
參見圖1、 2、 3， 一種制備硼碳氮硬質涂層的方法，該方法包括下列步 驟(1)將常規熱處理(HRC62)的高速鋼(W18Cr4V)板材切割成 16mmX16iraiiX6mm和(l)24x9mm的試樣作為基體基體，經表面除油、拋光、丙酮 超聲清洗后用熱風機烘干備用；
(2)將預處理好的基體基體放入電弧增強磁控濺射離子鍍膜設備中。如圖1所示，電弧增強磁控濺射鍍膜設備至少包括真空室1、轉臺架2、偏壓3、 轉架桿4、平面靶B4C5、永磁體6、柱弧7、加熱器8、泵組9，基體置于轉 架桿4上，轉架桿4可以隨轉臺架2轉動，同時轉架桿自轉，這樣就避免了
涂層只能單面鍍以及鍍膜不均的問題，保證了鍍膜過程的均勻性；
(3) 采用c))60mmx495mni柱弧Ti靶7作為Ti源；采用尺寸為
435mmx95腿xl0咖(長435mm、寬95mm、高10mm)的平面B4C耙5作為硼和 碳元素的來源，采用平面對靶的方式將平面BX靶5安置在爐體內壁上，并 通過調整中頻脈沖電源的功率控制上述平面B4C耙5的濺射率;采用99. 9996% 高純氬氣作為主要離化氣體，保證有效的輝光放電過程，采用99.9996%高純 N"乍為反應氣體，以形成BCN涂層。
(4) 電弧增強磁控濺射沉積BCN涂層工藝條件為鍍膜前，以20ml/min 的流量通入氬氣到爐內真空室內，當真空室氣壓達到6Pa并穩定時，逐漸調 偏壓至-IOOOV對真空室和基體表面進行轟擊清洗，持續30min;然后開啟柱 弧Ti耙，柱弧電流50A，利用電弧進一步對真空室和基體轟擊清洗，持續5min;
清洗完成后，通過調節氬氣流量到20ml/min和抽氣速度將真空室氣壓調至 0. 3Pa，然后開啟柱弧Ti靶，柱弧電流50A，調整偏壓到-450V并保持3min， 在基體表面鍍Ti基層，然后通入N2，流量由0 ml/min逐漸加到7ml/min， Ti靶電流不變，基體偏壓調至-150V，保持3min，鍍TiN過渡層。在上述TiN 過渡層形成的基礎上，完成后打開平面B4C靶的控制電源，逐漸將平面B4C 靶的電源功率在20min內調至1. 8KW，并逐漸將柱弧Ti靶的電流從50A減小 到OA來制備TiBCN過渡層；然后保持平面B4C耙的功率1. 8KW不變，在基體 表面的過渡層上制備硼碳氮硬質涂層，鍍膜過程中真空室溫度為23(TC，基 體偏壓-150V -250V，鍍膜時間為90min。
在上述工藝條件下，通過過渡層設計可在高速鋼表面制備出結合力良好的BCN涂層。經測定涂層為納米晶和非晶組成的復合結構，納米晶為立方氮 化硼，涂層光滑致密，涂層中sp3B-N鍵摩爾含量高達60y。以上，涂層的硬度 為32GPa，膜基結合力達到45N,涂層厚度約為2um。
通過銷盤實驗對涂層的摩擦磨損性能進行檢測發現，在室溫和空氣中摩
擦副為SisN4球時的摩擦系數約在0. 02 0. 05之間，經過30min磨損實驗后
涂層的磨痕分布均勻，顯示涂層具有較好的減摩耐磨性能。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，
不能認定本發明的具體實施方式
僅限于此，對于本發明所屬技術領域的普通
技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演
或替換，都應當視為屬于本發明由所提交的權利要求書確定專利保護范圍。
權利要求
1、一種制備硼碳氮硬質涂層的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟(1)基體預處理將基體表面除油、拋光、丙酮超聲清洗后烘干；(2)將預處理好的基體放入電弧增強磁控濺射離子鍍膜設備的轉架桿(4)上面，轉架桿(4)固定在臺架(2)上，轉架桿(4)自轉，柱弧Ti靶(7)作為Ti源，平面B4C靶(5)作為硼和碳元素的來源，采用平面對靶的方式將平面B4C靶(5)安置在爐體內壁上；(3)通入氬氣到真空室(1)，對真空室和預處理好的基體進行清洗；(4)清洗完成后，調節氬氣流量到16～22ml/min、將真空室(1)氣壓調至0.29～0.32Pa，然后開啟柱弧Ti靶(7)，柱弧電流50A，調整偏壓到-450V并保持3min，在基體表面鍍Ti基層，然后通入N2，流量由0ml/min加到6～8ml/min，柱弧Ti靶(7)電流不變，基體偏壓調至-150～-250V，保持3min，在Ti基層上鍍TiN過渡層，在該TiN過渡層形成后，打開平面B4C靶(5)的控制電源，將平面B4C靶(5)的電源功率在20min內調至1.8KW，并將柱弧Ti靶(7)的電流從50A減小到0A，在TiN過渡層上制備TiBCN過渡層；然后保持平面B4C靶(5)的功率1.8KW不變，在TiBCN過渡層上制備硼碳氮硬質涂層，鍍膜過程中真空室溫度為230℃、基體偏壓-150～-250V，鍍膜時間為90min。
2、 根據權利要求1所述的一種制備硼碳氮硬質涂層的方法，其特征在于 所述步驟(3)中的清洗過程是以20ml/min的流量通入氬氣到爐內真空室(1) 內，當真空室氣壓達到5 7Pa并穩定時，調偏壓至-800 -IOOOV對真空室(1)和基體表面進行轟擊清洗，清洗30min;然后開啟柱弧Ti耙(7)、柱弧 電流50A，利用電弧進一步對真空室(1)和基體轟擊清洗，清洗5min。
3、 根據權利要求1所述的一種制備硼碳氮硬質涂層的方法，其特征在于 所述基體為高速鋼。
4、 根據權利要求1所述的一種制備硼碳氮硬質涂層的方法，其特征在于所述步驟四中，清洗完成后，調節氬氣流量到18 20ml/min、將真空室(1) 氣壓調至0.30 0.31Pa，然后開啟柱弧Ti靶(7)，柱弧電流50A，調整偏壓 到-450V并保持3min,在基體表面鍍Ti基層，然后通入&，流量由Oml/min 加到7ml/min，柱弧Ti靶(7)電流不變，基體偏壓調至-180 -230V,保持 3min，在Ti基層上鍍TiN過渡層，在該TiN過渡層形成后，打開平面BX靶 (5)的控制電源，將平面B4C靶(5)的電源功率在20min內調至1.8KW，并 將柱弧Ti耙(7)的電流從50A減小到0A，在TiN過渡層上制備TiBCN過渡 層；然后保持平面B4C靶(5)的功率1.8KW不變，在TiBCN過渡層上制備硼 碳氮硬質涂層，鍍膜過程中真空室溫度為23(TC、基體偏壓-180 -230V，鍍 膜時間為90min。
5、根據權利要求1所述的一種制備硼碳氮硬質涂層的方法，其特征在于 所述硼碳氮硬質涂層為納米晶和非晶組成的復合結構，納米晶以立方氮化硼 相為主，涂層光滑致密，涂層中sp3B-N鍵摩爾含量在6(m以上，涂層的硬度 為32GPa，膜基結合力為45N，涂層厚度為2"m。
全文摘要
本發明公開了一種制備硼碳氮硬質涂層的方法，該方法包括下列步驟將預處理好的基體放入電弧增強磁控濺射離子鍍膜設備的轉架桿上面，采用平面對靶的方式將平面B<sub>4</sub>C靶安置在爐體內壁上；通入氬氣到真空室，對真空室和預處理好的基體進行清洗；清洗完成后，在基體表面鍍Ti基層，然后鍍TiN過渡層；在該TiN過渡層形成的基礎上制備TiBCN過渡層，在基體表面的TiBCN過渡層上制備硼碳氮硬質涂層。該方法制備的硼碳氮硬質涂層為納米晶和非晶組成的復合結構，硬度高達32GPa，膜基結合力達到45N，在室溫和空氣環境中，當摩擦副為Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>時的摩擦系數約在0.02～0.05之間，顯示涂層具有較好的減摩和耐磨性能。
文檔編號C23C14/35GK101525734SQ20091002176
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月31日 優先權日2009年3月31日
發明者陳向陽, 馬勝利 申請人:西安交通大學