[发明专利]一种高硬度耐磨损的硼化钒涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷涂层领域，特别是涉及一种高硬度耐磨损的硼化钒涂层及其制备方法。

背景技术

随着现代工业技术的发展，对各种机械零部件的表面性能要求越来越高。尤其是在高温、高压下工作的零部件，常因表面磨损而报废，最终导致整台设备停运或破坏。通过反应磁控溅射法制备出二元及多元氮化物涂层，如氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、钛铝氮(TiAlN)、钛硅氮(TiSiN)、钛铝碳氮(TiAlCN)、氮化铬(CrN)、钒铝氮(VAlN)等耐磨涂层，都很好的实现了对工件表面的保护。但制备该类氮化物类涂层时都需要N₂参与反应，其中N₂的流量、气压以及离化程度等都对氮化物涂层的形成至关重要。然而在实际生产操作中却很难精确控制涂层中N的含量，涂层因缺氮或过氮现象而导致涂层性能降低的例子比比皆是。

过渡金属硼化物如TiB₂，ZrB₂，CrB₂等新型陶瓷材料。因其具有高熔点(＞1500℃)，高硬度，高弹性模量，高温抗氧化性等诸多优异性能，被认为是最具潜力的耐磨材料之一。通过镀膜技术制备该类陶瓷材料的涂层，并用于增加工件表面的耐磨性，具有很强的可操作性和应用前景。具体表现在：一、很容易制备该类硼化物陶瓷的靶材；二、沉积该类涂层时不需要气体参与反应，涂层成分稳定；目前，对该类硼化物涂层的研究主要集中在TiB₂和CrB₂体系。如奥地利莱奥本矿业大学的Mayrhofer小组通过磁控溅射法制备出硬度超过60GPa的TiB₂涂层(Mayrhofer et al,Self-organized nanocolumnar structure in superhard TiB₂thin films,Applied physics letters,2005,86(13),131909)。比利时天主教鲁汶大学Prakash小组通过直流磁控溅射法制备了TiB₂涂层，并发现该涂层具有较好的耐磨性，磨损率为10^-15m³/N·m数量级，摩擦系数为0.6(Prakash et al,Fretting wear behavior of PVD TiB₂coatings,Surface and Coatings Technology,2002,154,182–188)。英国谢菲尔德大学Audronis教授通过磁控溅射法制备了CrB₂涂层，该涂层的硬度为21～38GPa，摩擦系数为0.5，磨损率在10^-14m³/N·m数量级(Audronis et al,Tribological behaviour of pulsed magnetron sputtered CrB₂coatings examined by reciprocating sliding wear testing against aluminum alloy and steel,Surface and Coatings Technology,2008,202,1470-1478)；

VB₂块体与CrB₂和TiB₂块体性能相近，而VB₂作为耐磨涂层很少有这方面的报道，并且相关实验研究表明，钒具有高温自润滑性。基于以上原因，本发明制备了硼化钒涂层。

发明内容

本发明提供一种高硬度耐磨损的二元硼化物涂层及其制备方法，特别是一种高硬度耐磨损的硼化钒涂层及其制备方法。

本发明人经过长期广泛而深入的研究，针对现有氮化物硬质涂层的技术不足，开发出一种过渡金属硼化物涂层，优选为硼化矾涂层。通过对该硼化矾涂层结构的调控，使得制备的硼化钒涂层具有高硬度H≥35GPa，摩擦系数为0.4～0.6，对直径6mm的Al₂O₃研磨球在5N的作用力下，涂层的磨损率为～10^-16m³/N·m数量级。

本发明的第一方面提供了一种具有高硬度耐磨损的硼化钒涂层，所述的涂层由VxB_y组成，其中y/x＝1.5～2.4，优选为2～2.4。