碳掺杂的过渡金属硼化物涂层、碳‑过渡金属硼化物复合涂层、制备方法及应用和切削工具技术

本发明专利技术公开了一种碳掺杂的过渡金属硼化物涂层、碳‑过渡金属硼化物复合涂层、制备方法及应用和切削工具，涉及陶瓷涂层技术领域。该C掺杂的过渡金属硼化物涂层中碳含量沿涂层厚度梯度递增；碳‑过渡金属硼化物复合涂层包括上述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层；涂层采用磁控溅射方法制备。本发明专利技术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，本发明专利技术通过采用涂层中碳含量沿涂层厚度梯度递增的方式不仅能够提高涂层与基体的结合力，而且涂层接触面摩擦系数低，整个涂层硬度高，不易脱落。

【技术实现步骤摘要】
碳掺杂的过渡金属硼化物涂层、碳-过渡金属硼化物复合涂层、制备方法及应用和切削工具
本专利技术涉及陶瓷涂层
，具体而言，涉及一种碳掺杂的过渡金属硼化物涂层、碳-过渡金属硼化物复合涂层、制备方法及应用和切削工具。
技术介绍
过渡金属硼化物如ReB2、IrB1.1、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-LIKECARBON，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。CN106086886A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，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种碳掺杂的过渡金属硼化物涂层，通过采用涂层中碳含量沿涂层厚度梯度递增的方式不仅能够提高涂层与基体的结合力，而且涂层接触面摩擦系数低，整个涂层硬度高，不易脱落。本专利技术的目的之二在于提供一种碳掺杂的过渡金属硼化物涂层的制备方法，采用磁控溅射方法在基体上梯度沉积碳和过渡金属硼化物，可操作性强、可控性好、易于实施，便于大规模连续化工业生产。本专利技术的目的之三在于提供一种包括碳掺杂的过渡金属硼化物涂层的碳-过渡金属硼化物复合涂层，具有上述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层相同的优势。本专利技术的目的之四在于提供一种碳-过渡金属硼化物复合涂层的制备方法，采用磁控溅射法可操作性强、可控性好、易于实施和进行大规模连续化工业生产。本专利技术的目的之五在于提供一种所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层或上述碳-过渡金属硼化物复合涂层在刀具、模具或微电子表面防护中的应用。本专利技术的目的之六在于提供一种包含所述的碳掺杂的过渡金属硼化物涂层或所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层的切削工具。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：第一方面，提供了一种碳掺杂的过渡金属硼化物涂层，所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层中碳含量沿涂层厚度梯度递增。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，过渡金属硼化物包括ReB2、IrB1.1、WB、WB4、TiB2或CrB2中的一种或至少两种；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。第二方面，提供了一种上述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层的制备方法，包括以下步骤：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涂层；优选地，所述方法包括以下步骤：采用磁控溅射方法，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，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涂层；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；和/或，沉积时间为10～50min，优选10～40min，进一步优选20～40min；和/或，沉积压强为0.5～1.5Pa，优选0.7～1.3Pa，进一步优选0.8～1Pa；和/或，基体偏压为0～-200V，优选0～-150V，进一步优选0～-100V。第三方面，提供了一种包括所述的碳掺杂的过渡金属硼化物涂层的碳-过渡金属硼化物复合涂层。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，所述碳-过渡金属硼化物复合涂层包括：层状结构设置的所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层和类金刚石层；沿所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂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涂层中碳含量梯度递增；或，所述碳-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和所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层；沿所述过渡金属硼化物层至所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层的方向，所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层中碳含量梯度递增；或，所述碳-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、所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层和类金刚石层；所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层位于所述过渡金属硼化物层和所述类金刚石层之间；沿所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂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涂层中碳含量梯度递增。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，碳掺杂的过渡金属硼化物涂层的厚度为0.1～0.5μm，优选0.1～0.3μm；优选地，过渡金属硼化物层的厚度为0.2～1μm，优选0.2～0.8μm；优选地，类金刚石层的厚度为0.7～1.2μm，优选为0.8～1μm。第四方面，提供了一种所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层的制备方法，包括以下步骤：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涂层，再在碳掺杂的过渡金属硼化物涂层上沉积类金刚石层，得到碳-过渡金属硼化物复合涂层；或，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-过渡金属硼化物复合涂层；或，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涂层，再在碳掺杂的过渡金属硼化物涂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，在本专利技术技术方案的基础上，过渡金属硼化物层的制备方法包括以下步骤：采用磁控溅射方法，通入氩气，通过溅射过渡金属硼化物对应靶材沉积过渡金属硼化物，得到过渡金属硼化物层；优选地，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；优选地，碳掺杂的过渡金属硼化物涂层的制备方法包括以下步骤：采用磁控溅射方法，通入氩气和碳源气体，以固定速率增加碳源气体流量并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳掺杂的过渡金属硼化物涂层，其特征在于，所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层中碳含量沿涂层厚度梯度递增。

【技术特征摘要】
1.一种碳掺杂的过渡金属硼化物涂层，其特征在于，所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层中碳含量沿涂层厚度梯度递增。2.按照权利要求1所述的碳掺杂的过渡金属硼化物涂层，其特征在于，过渡金属硼化物包括ReB2、IrB1.1、WB、WB4、TiB2或CrB2中的一种或至少两种；优选地，过渡金属硼化物为TiB2或CrB2；进一步优选地，过渡金属硼化物为CrB2。3.一种权利要求1或2所述的碳掺杂的过渡金属硼化物涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：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涂层；优选地，所述方法包括以下步骤：采用磁控溅射方法，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，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涂层；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；和/或，沉积时间为10～50min，优选10～40min，进一步优选20～40min；和/或，沉积压强为0.5～1.5Pa，优选0.7～1.3Pa，进一步优选0.8～1Pa；和/或，基体偏压为0～-200V，优选0～-150V，进一步优选0～-100V。4.包括权利要求1或2所述的碳掺杂的过渡金属硼化物涂层的碳-过渡金属硼化物复合涂层。5.按照权利要求4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包括：层状结构设置的所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层和类金刚石层；沿所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂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涂层中碳含量梯度递增；或，所述碳-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和所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层；沿所述过渡金属硼化物层至所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层的方向，所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层中碳含量梯度递增；或，所述碳-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、所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层和类金刚石层；所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂层位于所述过渡金属硼化物层和所述类金刚石层之间；沿所述碳掺杂的过渡金属硼化物涂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涂层中碳含量梯度递增。6.按照权利要求5所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层，其特征在于，碳掺杂的过渡金属硼化物涂层的厚度为0.1～0.5μm，优选0.1～0.3μm；优选地，过渡金属硼化物层的厚度为0.2～1μm，优选0.2～0.8μm；优选地，类金刚石层的厚度为0.7～1.2μm，优选为0.8～1μm。7.按照权利要求5或6所述的碳-过渡金属硼化物复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：先在基体上梯度沉积碳和过渡金属硼化物...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，蒋春磊，石磊，项磊，孟醒，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44