CN101386972B - 一种金银币模具表面的耐磨物理气相沉积涂层及制备方法 - Google Patents
一种金银币模具表面的耐磨物理气相沉积涂层及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种金银币模具表面的耐磨物理气相沉积涂层及制备方法，所述涂层由纯Cr层、CrN过渡层、TiN层和CrN层交替重叠层及纯Cr层组成；其中：纯Cr层厚度0.1μm，CrN过渡层0.2μm，每层TiN层、CrN层厚度在6～10纳米，涂层整体厚度为2～2.5μm；涂层制备采用非平衡场磁控溅射设备，在磁控溅射炉内圆柱形的真空室中围绕置于中心的工件架放置两个Cr靶和一个Ti靶，工作气体采用氩气，反应气体采用氮气。本发明的涂层显微硬度达1900～2100HV0.01；表面平滑致密；涂层与基体结合力的临界载荷大于60N，韧性佳，结合力优良；制备工艺稳定性、可重复性好，可靠性佳，能适应大生产要求。
Description
技术领域
本发明涉及造币技术领域，具体地说是一种金银币模具表面的耐磨物理气相沉积涂层及制备方法。
背景技术
近些年来随着造币行业竞争的不断激烈化、高速压印机的大量使用，新的压印金属和合金的出现，以及大众对钱币质量要求的不断提高，造币厂的造币技术已经达到了相当高的水平。因此降低制模成本，提高产品质量、产量的需求变得极其重要。目前世界上大多数造币厂在精制金银币生产中都采用模具表面施加硬质涂层的技术，即传统的化学镀铬涂层。由于电镀过程中从CrO3释放出的Cr6+会致癌，美国已对该类行业强制征税。且电镀硬铬层的硬度不高，通常为750-800HV0.01，模具往往压印一两百枚产品后即因其表面“闪金光”现象严重而失效。“闪金光”现象即为模具表面铬层出现沿径向的向外辐射状短线条，在金银币模具大面积镜面处理部位尤其明显，极大地影响了金银币的质量。因而开发一种环保的模具表面硬质涂层技术，替代现有的化学镀铬工艺，提升金银币的质量，同时提高金银币模具的寿命势在必行。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种金银币模具表面的耐磨物理气相沉积涂层及制备方法，该涂层具有较高的硬度，耐摩擦性能良好；同时又具有较好的韧性；制备方法保证涂层与模具钢基体的良好结合力，从而对于提高模具寿命具有显著作用。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种金银币模具表面的耐磨物理气相沉积涂层，其涂层结构为：底层：纯Cr层；过渡层：CrN层；中间层：TiN层和CrN层交替重叠；面层：纯Cr层；其中：纯Cr层厚度0.1μm，CrN过渡层0.2μm，每层TiN层、CrN层厚度在6～10纳米，涂层整体厚度为2～2.5μm。
制备上述涂层包括以下具体步骤：
(1)、采用非平衡场磁控溅射设备，在磁控溅射炉内圆柱形的真空室中围绕置于中心的工件架放置两个Cr靶和一个Ti靶，工作气体采用氩气，反应气体采用氮气。
(2)、将金银币模具放入洗涤容器中，采用超声波清洗5～8min，清洗介质为无水酒精，洗涤后以干燥氮气吹干。
(3)、将洗涤后的上述模具装入夹具，放入位于炉内一轴位置的工装上，保持模具的浮雕表面与圆柱形真空室的内壁平行。
(4)、关闭炉门，运行抽真空程序至炉内真空度达到10-4mbar以下；沉积涂层过程中模具沿中心轴旋转，转速为4圈/分钟。
(5)、采用-350V～-400V偏压，用Ar离子预溅射5～10分钟，Cr靶电流为0.4A～0.8A，去除靶材及模具表面的污染物。
(6)、采用-100V～-150V偏压，用Ar离子溅射3～8分钟，Cr靶电流为1A～2A，进一步去除靶材以及模具表面的污染物。
(7)、用Cr靶电流为3A～6A，在-45V～-70V偏压下在模具表面沉积纯Cr层，沉积时间为5～10分钟。
(8)、随后通入N2，用Cr靶电流为3A～6A，在-45V～-70V偏压下，对模具的纯Cr层表面沉积CrN层，沉积时间为15～30分钟。
(9)、在反应气体N2的作用下，用Cr靶电流为3A～6A和Ti靶电流为1A～4A，在-45V～-70V偏压下，当模具表面旋转至面对Cr靶材时沉积CrN层，而旋转至面对Ti靶材时沉积TiN层，形成TiN层和CrN层依次交替重叠；沉积时间为80～150分钟。
(10)、采用-30V～-50V偏压，用Cr靶电流为3A～6A，在模具已沉积了的TiN层和CrN层交替重叠层上再沉积纯Cr层，沉积时间为5～10分钟。
(11)、待模具冷却后出炉。
所述Cr靶为99.99％的高纯Cr靶；所述Ti靶为99.99％的高纯Ti靶，所述氩气的纯度为99.99％；所述氮气的纯度为99.99％。
本发明的优点及积极效果如下：
①、涂层的显微硬度达1900～2100HV0.01左右。
②、涂层的表面平滑致密，表面粗糙度小，达到精制金银币镜面要求。
③、涂层与模具基体结合力的临界载荷大于60N，韧性佳，结合力优。
④、具有涂层的精制金银币模具经过1000次压印后，镜面上仍未出现明显的“闪金光”现象，提高了产品质量，同时模具寿命较化学镀铬涂层提高3倍以上。
⑤、涂层的制备工艺稳定性、可重复性好，可靠性佳，能适应大生产要求。
具体实施方式
实施例1
用于银币模具表面的耐磨物理气相沉积涂层，具体制备步骤如下：
(1)、磁控溅射炉内圆柱形的真空室中围绕置于中心的工件架放置2个99.99％的高纯Cr靶和1个99.99％的高纯Ti靶，工作气体采用纯度为99.99％的高纯氩气，反应气体采用纯度为99.99％的高纯氮气。
(2)、将银币模具装入丙酮容器中，采用超声波清洗8min，然后以干燥氮气吹干。
(3)、将洗涤后的上述模具装入夹具后，放入位于炉内一轴位置的工装上，保持模具的浮雕表面与圆柱形真空室的内壁平行。
(4)、关闭炉门，运行抽真空程序至炉内真空度达到10-4mbar以下；沉积涂层过程中模具沿中心轴旋转，转速为4圈/分钟。
(5)、采用-400V偏压，用Ar离子预溅射5分钟，Cr靶电流为0.8A，去除靶材及模具表面的污染物。
(6)、采用-150V偏压，用Ar离子溅射3分钟，Cr靶电流为1A，进一步去除靶材以及模具表面的污染物。
(7)、用Cr靶电流为3A，在-70V偏压下在模具表面沉积纯Cr层，沉积时间为8分钟。
(8)、随后通入N2，用Cr靶电流为6A，在-70V偏压下，对模具的纯Cr层表面沉积CrN层，沉积时间为15分钟。
(9)、在反应气体N2的作用下，用Cr靶电流为5A和Ti靶电流为3A，在-70V偏压下，当模具表面旋转至面对Cr靶材时沉积CrN层，而旋转至面对Ti靶材时沉积TiN层，形成TiN层和CrN层依次交替重叠；沉积时间为100分钟。
(10)、采用-40V偏压，用Cr靶电流为3A，在模具已沉积了的TiN层和CrN层交替重叠层上再沉积纯Cr层，沉积时间为10分钟。
(11)、待模具冷却后出炉。
实施例2
用于金币模具表面的耐磨物理气相沉积涂层，具体制备步骤如下：
(1)、磁控溅射炉内圆柱形的真空室中围绕置于中心的工件架放置2个99.99％的高纯Cr靶和1个99.99％的高纯Ti靶，工作气体采用纯度为99.99％的高纯氩气，反应气体采用纯度为99.99％的高纯氮气。
(2)、将金币模具装入丙酮容器中，采用超声波清洗5min，然后以干燥氮气吹干。
(3)、将洗涤后的上述模具装入夹具后，放入位于炉内一轴位置的工装上，保持模具的浮雕表面与圆柱形真空室的内壁平行。
(4)、关闭炉门，运行抽真空程序至炉内真空度达到10-4mbar以下；沉积涂层过程中模具沿中心轴旋转，转速为4圈/分钟。
(5)、采用-350V偏压，用Ar离子预溅射10分钟，Cr靶电流为0.4A，去除靶材及模具表面的污染物。
(6)、采用-100V偏压，用Ar离子预溅射8分钟，Cr靶电流为2A，进一步去除靶材以及模具表面的污染物。
(7)、用Cr靶电流为6A，在-60V偏压下在模具表面沉积纯Cr层，沉积时间为6分钟。
(8)、随后通入N2，用Cr靶电流为4A，在-60V偏压下，对模具的纯Cr层表面沉积CrN层，沉积时间为30分钟。
(9)、在反应气体N2的作用下，用Cr靶电流为4A和Ti靶电流为2A，在-60V偏压下，当模具表面旋转至面对Cr靶材时沉积CrN层，而旋转至面对Ti靶材时沉积TiN层，形成TiN层和CrN层依次交替重叠；沉积时间为120分钟。
(10)、采用-50V偏压，用Cr靶电流为6A，在模具已沉积了的TiN层和CrN层交替重叠层上再沉积纯Cr层，沉积时间为5分钟。
(11)、待模具冷却后出炉。
Claims (5)
1.一种金银币模具表面的耐磨物理气相沉积涂层，其特征在于：所述涂层结构为：底层：纯Cr层；过渡层：CrN层；中间层：TiN层和CrN层交替重叠；面层：纯Cr层；其中：纯Cr层厚度0.1μm，CrN过渡层0.2μm，每层TiN层、CrN层厚度在6～10纳米，涂层整体厚度为2～2.5μm。
2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于所述涂层的制备包括以下具体步骤：
(1)、采用非平衡场磁控溅射设备，在磁控溅射炉内圆柱形的真空室中围绕置于中心的工件架放置两个Cr靶和一个Ti靶，工作气体采用氩气，反应气体采用氮气；
(2)、将金银币模具放入洗涤容器中，采用超声波清洗5～8min，清洗介质为无水酒精，洗涤后以干燥氮气吹干；
(3)、将洗涤后的上述模具装入夹具，放入位于炉内一轴位置的工装上，保持模具的浮雕表面与圆柱形真空室的内壁平行；
(4)、关闭炉门，运行抽真空程序至炉内真空度达到10-4mbar以下，沉积涂层过程中模具沿中心轴旋转，转速为4圈/分钟；
(5)、采用-350V～-400V偏压，用Ar离子预溅射5～10分钟，Cr靶电流为0.4A～0.8A，去除靶材及模具表面的污染物；
(6)、采用-100V～-150V偏压，用Ar离子溅射3～8分钟，Cr靶电流为1A～2A，进一步去除靶材以及模具表面的污染物；
(7)、用Cr靶电流为3A～6A，在-45V～-70V偏压下在模具表面沉积纯Cr层，沉积时间为5～10分钟；
(8)、随后通入N2，用Cr靶电流为3A～6A，在-45V～-70V偏压下，对模具的纯Cr层表面沉积CrN层，沉积时间为15～30分钟；
(9)、在反应气体N2的作用下，用Cr靶电流为3A～6A和Ti靶电流为1A～4A，在-45V～-70V偏压下，当模具表面旋转至面对Cr靶材时沉积CrN层，而旋转至面对Ti靶材时沉积TiN层，形成TiN层和CrN层依次交替重叠；沉积时间为80～150分钟；
(10)、采用-30V～-50V偏压，用Cr靶电流为3A～6A，在模具已沉积了的TiN层和CrN层交替重叠层上再沉积纯Cr层，沉积时间为5～10分钟；
(11)、待模具冷却后出炉。
3.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于所述涂层的显微硬度为1900～2100HV0.01。
4.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于所述涂层与基体结合力的临界载荷大于60N。
5.根据权利要求2所述的涂层，其特征在于所述Cr靶为99.99％的高纯Cr靶；所述Ti靶为99.99％的高纯Ti靶，所述氩气的纯度为99.99％；所述氮气的纯度为99.99％。
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