本实用新型涉及金刚石涂层制备技术领域，特别是涉及一种具有富硼化钨涂层的工件。
背景技术：
过渡金属硼化物具有熔点高、硬度大、耐磨等优良性能。可以作为刀具、模具以及其他工件的涂层材料。随着现代制造业的不断发展，对加工精度和加工效率的要求也不断提高，高速切削、干式切削应运而生，很多普通硬质涂层材料已经难以满足加工要求，这就催生了对新型超硬涂层材料的研究。而硼含量较高的过渡金属硼化物(过渡金属富硼化物)因具有更高的强度，而受到业内人士的青睐。然而，过渡金属富硼化物随着硼含量的增多其硬度身高，但相应的膜基结合强度却降低，很难在基体上沉积出粘附性很好的涂层，成为了其在工业发展中的主要瓶颈。
技术实现要素：
鉴于此，本实用新型提供了一种具有富硼化钨涂层的工件，其通过在工件基体上先沉积一金属钨层，再沉积一硼含量梯度增加的硼化钨过渡层，最后沉积硼含量固定不变的富硼化钨涂层，以解决解决硼化钨涂层的断裂韧性差以及膜基结合强度低等问题。
第一方面，本申请提供了一种具有富硼化钨涂层的工件，包括工件基体，以及依次设置于所述工件基体上的钨层、硼化钨梯度层和富硼化钨涂层；沿所述工件基体向所述钨层的厚度方向，所述硼化钨梯度层中的硼含量逐渐增加；所述富硼化钨涂层中的晶粒为WBy，其中，y为2.5-4的数值。
优选地，所述y为2.5，3，3.3或4。进一步地，所述y为3或4。
可选地，所述富硼化钨涂层的厚度为0.3-1.5μm。进一步优选为0.6-1.2μm。所述富硼化钨涂层中的晶粒尺寸为50-100纳米。
本申请中，所述硼化钨梯度层中的晶粒为WBx，其中，x的取值范围为0～t，t为2～4。优选为2.5～4。更优选为3或4。
可选地，所述硼化钨梯度层中的硼含量(摩尔含量)由零开始逐渐增加至75-80％。
本申请中，金属钨层作为打底层，它的存在可以提高硼化钨牢固结合在基体上；硼化钨梯度层中，硼含量逐渐增加，其成分、硬度和热膨胀系数均呈梯度分布，无新界面的产生和成分突变的界面；硼化钨梯度层的存在，使富硼化钨涂层与金属钨层之间有了逐渐变化的过渡性链接，有效提高各层间的结合强度，并将整体涂层的应力降至趋于零，提高整体的韧性和结合力。
本申请中，钨层、硼化钨梯度层和富硼化钨涂层的厚度可根据实际需要设定，例如根据工件的尺寸、用途等设定。
所述工件基体的材质可以是硬质合金、不锈钢。工件基体可以是刀具或其他工具(如模具)、机械零部件(如航空航天、汽车领域)等。
可选地，所述钨层的厚度为0.1-0.3μm。
本申请中，为了使富硼化钨涂层获得更好的膜基结合强度，富硼化钨涂层的设置厚度最好不超过4倍所述硼化钨梯度层的厚度，例如可以是1-3倍或1-2倍的所述硼化钨梯度层的厚度。
可选地，所述硼化钨梯度层的厚度为0.3-0.5μm。适宜厚度的硼化钨梯度层，有利于形成良好的中间过渡层，能够保证钨层很好地附着在基体表面，以及为后续沉积硼化钨梯度层与所述富硼化钨涂层提供良好基础，且不会引起由于过渡层过厚而使富硼化钨涂层与基体之间的结合强度的减弱。
进一步地，所述硼化钨梯度层中，WBx的晶粒大小为纳米级别，具体可以是30-80纳米。
本申请第一方面提供的具有富硼化钨涂层的工件，通过在工件基体与富硼化钨涂层之间设置硼含量由零开始逐渐增加的硼化钨梯度层，在保证高硬度的同时，使得富硼化钨涂层的断裂韧性较高，提高了富硼化钨涂层与工件基体之间的结合力。
相应地，本申请第二方面提供了一种具有富硼化钨涂层的工件的制备方法，包括以下步骤：
提供工件基体，对所述工件基体进行前处理；所述前处理包括超声清洗、辉光清洗和离子刻蚀清洗中的一种或多种；
在所述工件基体上沉积钨层；
以钨靶和硼靶作为靶材，采用磁控溅射的方式在所述钨层上先沉积硼化钨梯度层再沉积富硼化钨涂层，沉积过程中保持所述钨靶的功率不变，使所述硼靶的功率逐渐增大，之后保持不变，得到具有富硼化钨涂层的工件；其中，所述富硼化钨涂层中的晶粒为WBy，其中，y为2.5-4的数值。
在本申请一实施方式中，可以先进行超声清洗，之后将超声清洗后的基底置于一镀膜设备的真空室内，先进行辉光清洗，再进行离子刻蚀清洗。这样可以更好地保证待处理工件表面的清洁度，以获得更好的沉积制备金刚石涂层的表面。
其中，所述超声清洗是依次在去离子水、丙酮、乙醇中进行超声5-30min。在超声清洗后，需要将基底吹干，再进行其他预处理。
所述辉光清洗和离子刻蚀清洗是在一镀膜设备的真空室内进行；所述辉光清洗和所述离子刻蚀清洗均需要在真空度为5.0×10-3Pa以下进行。
具体地，所述辉光清洗的条件为:向真空室内通入氩气，氩气流量300～500sccm，工作气压为1.0～1.7Pa，在基体架上加载的负偏压为-500～-800V，所述辉光清洗的时间为10～30min。
具体地，所述离子刻蚀清洗的条件为：开启离子源，向真空室内通入氩气，控制离子源的电压为50～90V，氩气流量为70～500sccm，腔内气压为0.5～1.2Pa，基体加载偏压为-100～-800V；所述离子刻蚀清洗的时间为10～30min。
本申请一实施方式中，所述钨层的沉积方式为磁控溅射法，具体包括：以钨作靶材，施加钨靶材的功率为1-2.4kW，溅射气氛为氩气环境，溅射时的腔内压强为0.2-1.3Pa，腔内温度为350～600℃，基体架所加偏压为-100～-300V。可选地，沉积时间为2～10min。本申请中并不限于溅射的沉积方式来制备钨层。
本申请中，在所述先沉积硼化钨梯度层再沉积富硼化钨涂层的过程中，控制腔内压强为0.4-1.0Pa，沉积温度350～500℃，基体架所加偏压为-30～-200V；保持钨靶的功率为300～500W，所述硼靶的功率从零逐渐增加至1-2.4kW。
可选地，所述硼靶的功率增加速率为1～10W/s。可选地，在所述硼靶的功率保持不变后，再沉积40～100min。
可选地，所述硼化钨梯度层的厚度为0.3-0.5μm。
可选地，所述富硼化钨涂层的厚度为0.3-1.5μm。进一步优选为0.6-1.2μm。
本申请提供的具有富硼化钨涂层的工件的制备方法，通过在基体沉积完金属钨层之后，先沉积硼含量增加的硼化钨梯度层，再沉积硼含量不变的富硼化钨涂层，可有效提高各层间的结合强度，使各层之间的弹性模量和热膨胀系数从基体到顶层薄膜呈梯度变化，将整体涂层的应力降至趋于零，提高富硼化钨涂层的韧性和结合力。本申请采用同一台沉积设备，即可实现了钨层、硼化钨梯度层、富硼化钨涂层的连续性制备，整个工艺流程时间大大缩短，工艺参数易于控制，制备成本大幅降低，非常适用于大规模工业化生产。
本申请的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本申请实施例的实施而获知。
附图说明
图1为本实用新型实施例中具有富硼化钨涂层的工件的结构示意图。
具体实施方式
以下所述是本申请实施例的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请实施例的保护范围。
实施例1
一种具有富硼化钨涂层的工件的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体预处理：
以国内市场上出售的YG6X(WC-6wt.％Co)硬质合金转位刀片作为基体，首先用蒸馏水将该基体超声清洗10min，再依次用丙酮和无水乙醇超声清洗20min，然后用氮气将基体吹干，并放入鼓风干燥箱中于80-100℃烘干；
将烘干后的上述基体固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备(厂家:大连维钛克，MF610/610型号)真空腔内的转架上；关闭真空室门，打开水冷机将离子源、多弧靶、分子泵、真空腔室的水路接通，打开空压机和复合镀膜机的总电源，然后开启机械泵和旁抽阀以及分子泵，使分子泵进入爬升状态；当分子泵达到全速以后，关闭旁抽阀，打开粗抽阀，对真空室进行粗抽；当真空室内压强达到10Pa以下后，再次打开旁抽阀；当真空室压强达到3Pa以下后，关闭粗抽阀，开启高阀对真空室抽高真空。当真空室压强抽到5.0×10-3Pa以后，打开加热电源对真空室进行加热烘烤，加热温度为350℃，加热过程中开启转架系统，使样品进行公自传，基体架转速为20转/分钟；当真空度达到3.0×10-3Pa时，开始进行辉光清洗；
辉光清洗结束后，开启离子源对样品进行离子轰击清洗，离子源电压为90V，氩气流量200sccm，氩气的工作气压为1.0Pa，基体加载的偏压为-200V；离子源清洗时间为30min；
(2)金属钨层的沉积：在上述离子刻蚀清洗结束后，向真空室内通入氩气，调节氩气流量使真空室的压强为1.3Pa，开启金属钨靶，控制W靶的功率为2.4KW，基底偏压为-100V，沉积时间为3min；所得钨层的厚度为0.1μm。
(3)金属钨层沉积结束后，向真空室内通入氩气，调节质量流量计使真空室内的压强为0.8Pa，基底偏压为-150V，以钨靶和硼靶作为靶材，保持金属W靶功率为600W，将B靶的功率从零开始以1W/s的速度逐渐增加至2.4kW，得到硼含量逐渐增加的硼化钨梯度层；
之后保持B靶的功率为2.4kW及W靶功率为600W，继续沉积100min，得到富硼化钨涂层；
(4)涂层沉积结束后，关闭离子源电源以及偏压电源，然后关闭气体质量流量计和气瓶主阀和减压阀；设置降温程序，待温度降到100℃以下后，关闭高阀，打开放气阀，待真空室内压强与外界气压一致时，打开真空室门，然后将样品取出。
图1为本实用新型实施例1制备的具有富硼化钨涂层的工件的结构示意图；图中，101为工件基体，102为钨层，103为硼含量逐渐增加的硼化钨梯度层，104为富硼化钨涂层。
本实施例中，所得硼化钨梯度层103的厚度为0.5μm，沿所述工件基体向所述钨层的厚度方向，硼化钨梯度层中B的含量由零开始逐渐增加至80％；富硼化钨涂层104的厚度为1.2μm，晶粒尺寸为80nm左右，晶粒为WB4。
实施例2
一种具有富硼化钨涂层的工件的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体预处理：
以国内市场上出售的YG8(WC-8％Co)硬质合金转位刀片作为基体，首先用蒸馏水将该基体超声清洗5min，再置于丙酮中超声清洗15分钟，之后再放入无水乙醇中超声清洗10min，然后用氮气将基体吹干，并放入鼓风干燥箱中100℃烘干；
将烘干后的上述基体固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备的真空腔室内，采用与例1相同的方式抽真空至3.0×10-3Pa，打开氩气瓶主阀，减压阀、离子源阀、弧阀和靶阀以及质量流量计向真空室内通入氩气对基体进行辉光清洗，其中，辉光清洗的条件为向真空室内通入氩气，氩气流量400sccm，工作压强为1.4Pa，基底偏压-500V，辉光清洗时间为30min；
辉光清洗结束后，开启离子源对样品进行离子轰击清洗，离子清洗条件为：离子源电压为50V，氩气流量70sccm，氩气的工作气压为0.5Pa，基底偏压为-100V，基体架转速为20转/分钟；离子源清洗时间为30min；
(2)金属钨层的沉积：在上述离子清洗结束后，向真空室内通入氩气，调节氩气流量使真空室的压强为1.0Pa，开启金属钨靶，控制W靶的功率为2KW，基底偏压为-150V，沉积时间为7min；所得钨层的厚度为0.2μm。
(3)金属钨层沉积结束后，向真空室内通入氩气，调节质量流量计使真空室内的压强为0.9Pa，基底偏压为-80V，沉积温度为400℃，以钨靶和硼靶作为靶材，保持金属W靶功率为500W，将B靶的功率从零开始以10W/s的速度逐渐增加至2.0kW，得到硼含量逐渐增加的硼化钨梯度层；
之后保持B靶的功率为2.0kW及W靶功率为500W，继续沉积100min，得到富硼化钨涂层；
(4)涂层沉积结束后，关闭离子源电源以及偏压电源，然后关闭气体质量流量计和气瓶主阀和减压阀；设置降温程序，待温度降到100℃以下后，关闭高阀，打开放气阀，待真空室内压强与外界气压一致时，打开真空室门，然后将样品取出。
本实施例中，所得硼化钨梯度层的厚度为0.3μm，沿所述工件基体向所述钨层的厚度方向，硼化钨梯度层中B的含量由零开始逐渐增加至80％；富硼化钨涂层的厚度为0.9μm，晶粒尺寸为90纳米左右，晶粒为WB4。
实施例3
一种具有富硼化钨涂层的工件的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体预处理：
以国内市场上出售的YT15(WC-15％TiC)硬质合金转位刀片作为基体，首先用蒸馏水将该基体超声清洗20min，再置于丙酮中超声清洗10分钟，之后再放入无水乙醇中超声清洗15min，然后用氮气将基体吹干，并放入鼓风干燥箱中120℃烘干；
将烘干后的上述基体固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备的真空腔室内，采用与例1相同的方式抽真空至2.0×10-3Pa，打开氩气瓶主阀，减压阀、离子源阀、弧阀和靶阀以及质量流量计向真空室内通入氩气对基体进行辉光清洗，其中，辉光清洗的条件为向真空室内通入氩气，氩气流量500sccm，工作压强为1.5Pa，基底偏压-600V，对基底进行辉光清洗20min；
辉光清洗结束后，开启离子源对样品进行离子轰击清洗,离子刻蚀清洗条件为：离子源电压为70V，氩气流量150sccm，氩气的工作气压为0.9Pa，基底偏压为-550V；基体架转速为20转/分钟，离子清洗时间20min；
(2)金属钨层的沉积：在上述离子清洗结束后，向真空室内通入氩气，调节氩气流量使真空室的压强为0.7Pa，开启金属钨靶，控制W靶的功率为2KW，基底偏压为-200V，沉积时间为10min；所得钨层的厚度为0.3μm。
(3)金属钨层沉积结束后，向真空室内通入氩气，调节质量流量计使真空室内的压强为0.4Pa，基底偏压为-200V，沉积温度为500℃；以钨靶和硼靶作为靶材，保持金属W靶功率为300W，将B靶的功率从零开始以5W/s的速度逐渐增加至1.0kW，得到硼含量逐渐增加的硼化钨梯度层；
之后保持B靶的功率为1.0kW及W靶功率为300W，继续沉积40min，得到富硼化钨涂层；
(4)涂层沉积结束后，关闭离子源电源以及偏压电源，然后关闭气体质量流量计和气瓶主阀和减压阀；设置降温程序，待温度降到100℃以下后，关闭高阀，打开放气阀，待真空室内压强与外界气压一致时，打开真空室门，然后将样品取出。
本实施例中，所得硼化钨梯度层的厚度为0.4μm，沿所述工件基体向所述钨层的厚度方向，硼化钨梯度层中B的含量由零开始逐渐增加至75％；富硼化钨涂层的厚度为0.6μm，晶粒尺寸为50纳米左右，晶粒为WB3。
需要说明的是，根据上述说明书的揭示和和阐述，本申请所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本申请并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本申请的一些等同修改和变更也应当在本申请的权利要求的保护范围之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本申请构成任何限制。