[发明专利]一种Cu-CrBN纳米复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Cu‑CrBN纳米复合涂层及其制备方法，属于表面改性领域，解决了CrBN硬质涂层韧性低，易碎裂的缺点。本发明包括金属Cu掺杂在CrBN涂层中，所述金属Cu以自由态形式存在；利用磁控溅射技术，在Ar和N₂混合气氛中，共溅射CrB₂靶（直流磁控）和Cu靶（射频磁控）；或在Ar和N₂混合气氛中，共溅射Cr靶（直流磁控）、Cu靶（直流磁控）和B靶（射频磁控），在钢基材上制备硬韧兼俱的Cu‑CrBN纳米复合涂层。本发明中Cu‑CrBN涂层的B元素可来源于化合物CrB₂靶或单质B靶，对靶位配置数不同的磁控溅射系统均适用。

技术领域

本发明涉及表面改性领域，尤其涉及一种Cu-CrBN纳米复合涂层的制备方法。

背景技术

众所周知，硬度(H)不仅是评价材料抵抗塑性变形能力的重要参数，也是评价材料抗磨损能力的主要力学性能，被普遍认为是决定材料耐磨性的直接指标。因此，硬质涂层(H>20GPa)就成为机械零件表面耐磨材料的首选。CrBN涂层因具有CrN、CrB₂纳米晶粒(nc-CrN、nc-CrB₂)分布在非晶BN基质(a-BN)中的结构，这种复合结构具有硬化效果，使得CrBN涂层被视为一种能有效增强零件表面耐磨性的硬质涂层材料。然而，CrBN涂层的相关研究表明，硬度更高的CrBN涂层反而表现出更差的耐磨性，因为CrBN涂层的韧性(抵抗裂纹的能力)随着自身硬度的增加反而减弱。在这种情况下，CrBN涂层在磨损过程中主要以裂纹形成、扩展及碎裂的形式发生材料损失。因此，CrBN硬质涂层韧性的提高是保证其良好耐磨性的关键点，而关于改善CrBN硬质涂层韧性的研究还很少。

发明内容

本发明提供了一种Cu-CrBN纳米复合涂层及其制备方法，所述Cu-CrBN纳米复合涂层硬韧兼具，所述制备方法可根据磁控溅射系统靶源的配置数，有针对性地选择溅射靶材种类。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种Cu-CrBN纳米复合涂层，包括金属Cu掺杂在CrBN涂层中，所述金属Cu以自由态形式存在。

一种Cu-CrBN纳米复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)基材预处理：将基材精抛钢进行清洗，去除基材表面残留物并活化基材沉积表面；

(2)过渡层制备：保持通入高纯Ar气，在设定的脉冲偏压下，通过直流磁控溅射化合物CrB₂靶或者通过直流磁控溅射金属Cr靶，在步骤(1)预处理过的钢基材上沉积一层CrB₂或金属Cr过渡层；

(3)Cu-CrBN纳米复合涂层制备：通入高纯Ar和N₂气，在设定的脉冲偏压下，通过直流磁控溅射化合物CrB₂靶，射频磁控溅射金属Cu靶，在CrB₂过渡层上制备Cu-CrBN纳米复合涂层；或者通入高纯Ar和N₂气，在设定的脉冲偏压下，通过直流磁控溅射金属Cr、Cu靶，射频磁控溅射非金属B靶，在金属Cr过渡层上制备Cu-CrBN纳米复合涂层。

以上所述步骤中，步骤(2)和步骤(3)中所述的脉冲偏压为-100V，占空比为60％；步骤(2)中所述的过渡层厚度为100～200nm。

步骤(1)基材预处理包括：依次用丙酮、酒精和去离子水对精抛钢基材进行超声清洗，随后装夹在磁控溅射设备的圆形载物台上；当腔体达到高真空后通入高纯Ar气，利用离子束枪离化Ar气，在设定的脉冲偏压下对基材进行加速轰击，去除基材表面残留物并活化基材沉积表面。