CN103060749A - 用于成型机的表面涂覆膜及其制造方法 - Google Patents

用于成型机的表面涂覆膜及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于成型机的表面涂覆膜，包括：基底；基底上的氮化物层；通过氮（N）与TiAl目标物和Cr目标物的反应而沉积在氮化物层上的多层膜层；以及通过氮（N）和碳（C）与TiAl目标物的反应而沉积在多层膜层上的碳氮化物层。

Description

用于成型机的表面涂覆膜及其制造方法
相关申请的交叉引用
基于35U.S.C.§119（a），本申请要求于2011年10月19日提交的韩国申请第10-2011-0106723号的优先权，其公开内容以其整体并入本文以作参考。
技术领域
本发明涉及用于成型机的表面涂覆膜及其制造方法。具体地，提供能改善成型机的物理特性的表面涂覆膜，其中通过利用多层涂覆层和含碳涂覆层而在成型机上沉积有表面涂覆膜。
背景技术
随着近来全世界油价的上升，并且由于造成气候变化的全球变暖更加严重，已做出许多努力来增加汽车的能效和改善每升燃料的行驶距离。
这些努力包括将高强度高张力的钢板应用到车身上。通过应用高强度高张力的钢板，车身的重量可以减轻约5~10%，并且预计车辆每升燃料的行驶距离将与车身的重量减轻成比例地增加。
成型机，例如压膜装置（die assembly），用于形成这样的用于车身的高强度高张力钢板。为了使通过压膜装置形成的钢板的可成型性增加，正在研究将各种涂覆层应用到压膜装置表面的方法，以改进压膜装置表面的物理特性。已经应用到压膜装置的涂覆材料的典型实例包括TD（丰田扩散，Toyota Diffusion）、TiAlN、AlTiCrN+MoS2等。
然而，这些涂覆材料的问题在于，由此形成的涂覆层在耐用性和耐磨性方面非常不足。具体地，当这些涂覆层应用于980MPa或更高的高强度钢板的形成中时，如图1所示，涂覆层剥落并被划损。
具体而言，在传统TD法的情形中，存在的问题是涂覆层在热处理时严重热变形，因此涂覆层的变形部分必须在使用之前改进。
此外，当将TiAlN或AlTiCrN+MoS2用作涂覆材料时，形成的涂覆材料的耐用性不足。因此，额外使用拉制用油（drawing oil）来降低摩擦和磨损。然而，问题在于拉制用油在后处理例如焊接等过程中成为杂质，因此使高强度钢板的质量劣化。
应当理解，提供以上说明仅仅是为了帮助理解本发明，并不表示本发明落入本领域技术人员已经知晓的相关技术的范围内。
发明内容
于是，为解决上述问题而设计出本发明，本发明的目的是提供用于成型机的表面涂覆膜及其制造方法。具体地，提供了包含多层涂覆层和含碳涂覆层的表面涂覆膜，其沉积在成型机上能使该成型机的物理特性改善。
为实现上述目的，本发明的一个方面是提供用于成型机的表面涂覆膜，包括：基底；形成在基底上的氮化物层；沉积在氮化物层上的多层膜层；以及通过氮（N）和碳（C）与TiAl目标物的反应而沉积在多层膜层上的碳氮化物层。优选地，通过氮（N）与TiAl目标物和Cr目标物的反应使多层膜层沉积在氮化物层上。
根据多个实施方式，多层膜层包括：沉积在氮化物层上的CrN层；以及沉积在CrN层上的TiAlN层。根据优选的实施方式，通过氮（N）与Cr目标物的反应来沉积CrN层，并通过氮（N）与TiAl目标物的反应来沉积TiAlN层。
根据多个实施方式，可设置多个CrN层和TiAlN层，使得它们交替并重复地沉积。
根据多个实施方式，CrN层和TiAlN层可以沉积为具有纳米级厚度。
根据多个实施方式，各层的厚度可以相同或者可以不同。根据多个实施方式，沉积在氮化物层上的CrN层被沉积为使其厚度大于其它CrN层（即，随后沉积的CrN层）的厚度。
根据多个实施方式，碳氮化物层可以是TiAlCN层，并且其可以沉积在多层膜层的最外CrN层。
根据多个实施方式，包含在TiAlCN层中的碳的量可以为约20~30at%。
本发明的另一方面提供了制备成型机用表面涂覆膜的方法，包括以下步骤：在基底上形成氮化物层；在氮化物层上形成多层膜层；以及在多层膜层上形成碳氮化物层。根据多个实施方式，通过使氮（N）与TiAl目标物和Cr目标物反应来形成多层膜层。根据多个实施方式，通过使氮（N）和碳（C）与TiAl目标物反应来形成碳氮化物层。
根据多个实施方式，可以通过PVD（物理气相沉积）或PACVD（等离子体辅助的化学气相沉积）来形成多层膜层和碳氮化物层。
根据多个实施方式，可以通过PVD（物理气相沉积）、PACVD（等离子体辅助的化学气相沉积）、HIPIMS（高功率脉冲磁控溅射）或ICP（感应耦合等离子体沉积）来形成多层膜层和碳氮化物层。
本发明的其他方面和优选实施方式在下文中讨论。
附图说明
根据以下的详细描述结合所附附图，将会更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中：
图1是示出常规压膜装置的损坏区域的视图；
图2是示出根据本发明实施方式涂覆在基底上的涂覆膜的结构的示意图；
图3是示出根据本发明实施方式的用于沉积涂覆膜的装置的示意图；
图4是示出根据本发明实施方式的涂覆膜的结构的视图；且
图5是比较本发明实施例的涂覆膜与比较例的常规涂覆膜的表。
应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的一定程度的简化表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置和形状将部分取决于特定的既定用途和使用环境。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本发明的优选实施方式进行详细描述。
应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车（SUV）、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的燃料）。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或更多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
本文所用的术语仅仅是出于描述具体的实施方式的目的，并不意在限制本发明。本文所用的单数形式“一个/一种”（“a”、“an”）、“该”（“the”）意在同样包括复数形式，除非上下文中以其他方式明确指出。还应当理解，术语“包括”（“comprise”、“comprising”）在用于本说明书时是指存在所述的特征、整数（integer）、步骤、操作、元件、和/或组件，但并不排除存在或加入一种或多种其它特征、整数（integer）、步骤、操作、元件、组件、和/或其组。本文所用的术语“和/或”包括一种或多种相关的列出项的任意一种或所有组合。
除非具体说明或从上下文显而易见，否则将本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在所述数值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%内。除非另外从上下文清楚得到，本文提供的所有数值都由术语“约”所修饰。
本文中的范围应理解为该范围内所有数值的简略表达。例如，1～50的范围应理解为包括来自以下的任何数字、数字的组合、或子范围：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、或50，以及所有介于上述整数间的带小数的值，例如，1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、和1.9。对于子范围，具体考虑从范围内的任一端点延伸的“嵌套子范围”。例如，1~50的示例性范围的嵌套子范围可以包括一个方向上的1~10、1~20、1~30和1~40，或在另一方向上的50~40、50~30、50~20和50~10。
如图2~图5中所示，根据本发明实施方式的成型机用表面涂覆膜包括：基底10；形成在基底10上的氮化层20；沉积在氮化物层20上的多层膜层30；以及沉积在多层膜层30上的碳氮化物层40。
具体而言，可以通过氮（N）与TiAl目标物和Cr目标物的反应而将多层膜层30沉积在氮化物层20上。
可以通过氮（N）和碳（C）与TiAl目标物的反应将碳氮化物层40沉积在多层膜层30上。即，可以通过添加碳（C）和氮（N）将碳氮化物层40形成在基底10的最外的表面上，如图2所示。最外表面上的碳氮化物层40使得涂覆有涂覆膜的基底的摩擦系数和耐磨性改善。
根据多个实施方式，可以使用烃气例如甲烷（CH4）、乙炔（C2H2）、苯（C6H6）等加入碳（C）。此外，也可以利用固体碳目标物例如石墨目标物等加入碳（C）。同时，可以使用纯氮气（N2）来加入氮（N），或者可以使用含氮化合物例如氨（NH3）等来加入。
此外，可以通过任何已知方法例如离子渗氮来形成氮化物层20。离子渗氮是优选的方法，因为其可以在低温下容易地进行，特别是与气体渗氮或盐浴渗氮相比。氮化物层20用来承载基底10上的涂覆膜，由此改善涂覆膜的耐磨性、耐疲劳性、耐冲击性和耐腐蚀性。
如图2所示，多层膜层30可以包括：沉积在氮化物层20上的CrN层；和沉积在CrN层上的TiAlN层。可以通过氮（N）与Cr目标物的反应来将CrN层沉积在氮化物层20上。可以通过氮（N）与TiAl目标物的反应来将TiAlN层沉积在CrN层上。
多个CrN层和TiAlN层可以，例如，以任何期望的数量交替并重复地沉积，如图2所示。
优选地，CrN层和TiAlN层可以沉积为具有纳米级厚度。
例如，各个CrN层可以沉积为约10~50nm的厚度，优选约25~35nm，更优选约30nm，且各个TiAlN层沉积成约10~50nm的厚度，优选约25~35nm，更优选约30nm。如所示出的，CrN和TiAlN层可以交替并重复地沉积，以提供所期望的耐热性、耐裂性、耐冲击性、韧性（toughness）和粘合度。具体而言，根据多个实施方式，多层膜层30具有这样的结构，其中多个具有纳米级厚度的层堆叠，从而进一步改善涂覆膜的耐用性。
根据优选的实施方式，多层膜层30可以具有约2~10μm的厚度。这样，CrN层和TiAlN层可以设置为任意数量、任意厚度，均一或不均一，从而提供具有期望的总厚度的多层膜层30。
根据优选的实施方式，本发明中CrN层沉积在氮化物层20上，使其厚度大于其它CrN层的厚度。
例如，沉积在氮化物层20上的CrN层可以形成为约0.5~4μm的厚度，以提高氮化物层20与TiAlN层之间的粘附度，并增强涂覆膜的韧性和耐冲击性。
同时，如图所示，本发明的碳氮化物层40是TiAlCN层，且可以形成在多层膜层30的最外层优选为CrN层上。例如，可以通过向TiAlN层中加入碳而形成碳氮化物层40，从而如上所述改进基底10的摩擦系数和耐磨性。
包含在TiAlCN层中的碳的量优选为约20~30at%。当碳量少于20at%时，TiAlCN层的结构变为晶体或多晶结构，因此产生低硬度的TiAlCN层。此外，当其量大于30at%时，TiAlCN层的结构变为无定形结构，其也产生低硬度的TiAlCN层。
根据本发明的实施方式，制造成型机用表面涂覆膜的方法包括以下步骤：在基底10上形成氮化物层20；例如通过使氮（N）与TiAl目标物和Cr目标物反应而在氮化物层20上形成多层膜层30；以及例如通过使氮（N）和碳（C）与TiAl目标物反应而在多层膜层30上形成碳氮化物层40。
可以通过PVD（物理气相沉积）或PACVD（等离子体辅助的化学气相沉积）来形成多层膜层30和碳氮化物层40。
图3示出用于进行PVD的装置。在该装置中，根据本发明的实施方式，如所示出的，设置有泵51以控制腔室50内的压力，并设置有加热器52以增加腔室50内的温度。此外，在腔室50的中间提供基底10，在基底10上提供TiAl目标物和Cr目标物以进行PVD，并且设置有气体进口53以向腔室50中引入氮和碳。
此外，根据本发明的实施方式，也可以通过HIPIMS（高功率脉冲磁控溅射）或ICP（感应耦合等离子体沉积）来形成多层膜层30和碳氮化物层40。即，为得到纳米粒子并实现高速涂覆，可以另外使用HIPIMS（高功率脉冲磁控溅射）或ICP（感应耦合等离子体沉积）来形成多层膜层30和碳氮化物层40.
在下文中，以下实施例意在说明本发明而不限制其范围。
实施例
基底10由与压膜装置相同的材料（SKD11等）制造，并通过淬火和/或回火进行热处理，其中压膜装置用来形成车用钢板。
接着，通过离子渗氮在基底10上形成氮化物层20。通过添加N2与H2的体积比为15~20vol%的N2与H2，在460~490℃的温度下进行8~15小时的离子渗氮，从而形成Fe(N)、Fe4N的氮化物层20。氮化物层具有80~120μm的厚度和800~1200HV的硬度。
接着，在氮化物层20上形成CrN层以改善粘附度、韧性和耐冲击性，并且在CrN层上形成厚度为约30nm的TiAlN层和厚度为约30nm的另一CrN层。之后，交替并重复地沉积其它CrN层和其它TiAlN层，以提供耐热性、耐裂性、耐冲击性、韧性和粘附度。
最后，将TiAlCN层沉积在最外CrN层上以同时提供低摩擦、耐热性、耐氧化性和耐磨性。
图4是示出根据本发明实施例的涂覆膜结构的视图，图5是比较本发明实施例的涂覆膜与比较例的常规涂覆膜的表。如图4和图5所示，与涂覆有比较例的常规涂覆膜的压膜装置相比，涂覆有本发明实施例的涂覆膜的压膜装置表现出高粘附度和硬度、低摩擦系数和优异的耐磨性。
所以，涂覆有本发明涂覆膜的成型机（压膜装置）具有低摩擦系数和改善的耐磨性、耐用性和耐热性。
如上所述，根据本发明，具有纳米级厚度的CrN层和TiAlN层交替地沉积在成型机的表面上，从而改善耐热性、耐裂性和耐冲击性。此外，根据本发明，因为含碳的TiAlCN层沉积在成型机的最外侧，可以制造出具有优异的耐热性、耐磨性和耐用性以及低摩擦系数的涂覆膜，从而使用于生产高强度钢板的成型机的物理特性得到改进。
尽管已经出于说明性目的公开了本发明的优选实施方式，本领域技术人员应该理解，可以在不偏离在所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神的情况下做出各种改变、添加或替换。

Claims (9)

1.一种用于成型机的表面涂覆膜，包括：
基底；
氮化物层，形成在所述基底上；
多层膜层，通过氮（N）与TiAl目标物和Cr目标物的反应而沉积在所述氮化物层上；以及
碳氮化物层，通过氮（N）和碳（C）与TiAl目标物的反应而沉积在所述多层膜层上。
2.根据权利要求1所述的表面涂覆膜，其中所述多层膜层包括：
CrN层，通过氮（N）与Cr目标物的反应而沉积在所述氮化物层上；以及
TiAlN层，通过氮（N）与TiAl目标物的反应而沉积在所述CrN层上。
3.根据权利要求2所述的表面涂覆膜，其中所述多层膜层包括多个交替的CrN层和TiAlN层。
4.根据权利要求2所述的表面涂覆膜，其中各个所述CrN层和所述TiAlN层具有纳米级厚度。
5.根据权利要求2所述的表面涂覆膜，其中所述多层膜层包括多个CrN层，并且其中沉积在所述氮化物层上的CrN层的厚度大于其他CrN层的厚度。
6.根据权利要求1所述的表面涂覆层，其中所述碳氮化物层是TiAlCN层，且沉积在所述多层膜层的最外CrN层上。
7.根据权利要求6所述的表面涂覆膜，其中所述TiAlCN层中所包含的碳的量为约20~30at%。
8.一种制造成型机用表面涂覆膜的方法，包括以下步骤：
在基底上形成氮化物层；
通过使氮（N）与TiAl目标物和Cr目标物反应，在所述氮化物层上形成多层膜层；和
通过使氮（N）和碳（C）与TiAl目标物反应，在所述多层膜层上形成碳氮化物层。
9.根据权利要求8所述的制造成型机用表面涂覆膜的方法，其中通过PVD（物理气相沉积）、PACVD（等离子体辅助的化学气相沉积）、HIPIMS（高功率脉冲磁控溅射）或ICP（感应耦合等离子体沉积）形成所述多层膜层和所述碳氮化物层。
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