CN103160797B

CN103160797B - 纳米陶瓷涂层、沉积有该涂层的压铸模具及其制备方法

Info

Publication number: CN103160797B
Application number: CN201310121511.4A
Authority: CN
Inventors: 李固加
Original assignee: Dongguan City Haohan Nano Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Dongguan City Haohan Nano Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: CN103160797A

Abstract

本发明涉及涂层及压铸模具制备技术领域，特别是一种纳米陶瓷涂层、沉积有该涂层的压铸模具及其制备方法；纳米陶瓷涂层由过渡层和功能层组成，过渡层是Ti、SI、W、Al、Cr、Zr中的一种或多种的单质或氮化物或碳化物或氮碳化物的陶瓷相纳米晶结构涂层，功能层是Ti、SI、W、Al、Cr、Zr元素的氮化物或碳化物或氧化物或氮碳化物的多层多元素交错结合的陶瓷相纳米晶结构涂层，多层多元素交错结合的陶瓷相纳米晶涂层有很好的致密性，极高的硬度和化学稳定性；本发明还提供了一种沉积上述的纳米陶瓷涂层的压铸模具，以及该压铸模具的制备方法。

Description

纳米陶瓷涂层、沉积有该涂层的压铸模具及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂层及压铸模具制备技术领域，特别是一种纳米陶瓷涂层、沉积有该涂层的压铸模具及其制备方法。

背景技术

模具是工业之母，生活生产中所用之物80%是通过模具生产出来的，而压铸模具是所有模具之中要求最高，工作环境最恶劣的。由于压铸模具长时间与高温熔融金属液接触，因此模具在实际生产中，经常在模具寿命终结前就造成早期失效。

造成压铸模具失效最主要有三种形式：热疲劳龟裂损坏失效、碎裂失效、溶蚀失效。为避免压铸模具失效，要求模具表面具有高硬度、耐热蚀、抗粘结、抗冲击等性能。由于模具制造加工周期很长、加工费用高，模具质量和寿命直接影响生产产品的质量、精密程度、生产效率和生产成本，因此如何进一步提高和改善压铸模具的表面性能就成为一个迫切需要解决的问题。

PVD（PhysicalVaporDeposition）物理气相沉积是在现代物理、化学、材料学、电子学、力学等多学科基础上建立起来的一门先进的工程技术。它是将金属或非金属靶材（所镀膜材料）在真空环境下，经过物理过程沉积在需镀膜工件（衬底）表面的过程。使用PVD技术在金属材料表面制造硬质陶瓷涂层是近年来研究的热点，在刀具上已经取得了成功的应用。目前PVD技术主要有电弧离子镀和磁控溅射这两种方法，但现有这些涂层如TIN、CRN、TIALN等涂层由于各自的局限性，对提升压铸模具的作用寿命还存在很多问题。

目前在压铸模具表面做强化处理的主要有化学热处理、表面渗氮、碳氮共渗等，这些处理在一定程度上对模具寿命的提升起到了一定的作用，但效果有限，例如，经过表面渗氮、碳氮共渗处理的压铸模具的表面的硬度只有HV800～900，硬度不高且抗高温、抗疲劳性不好，模具容易龟裂，还没有从根本上解决模具早期失效的问题。

发明内容

本发明为了解决目前压铸模具易产生热疲劳龟裂损坏失效、碎裂失效、溶蚀失效的问题，而提供能提升压铸模具的耐磨性、抗高温性、防腐蚀性、抗粘着性一种纳米陶瓷涂层，同时还提供了沉积有上述纳米陶瓷涂层的压铸模具及其制备方法。

为达到上述功能，本发明提供的技术方案是：

一种纳米陶瓷涂层，由过渡层和功能层组成，所述过渡层是Ti、SI、W、Al、Cr、Zr中的一种或多种的单质或氮化物或碳化物或氮碳化物的陶瓷相纳米晶结构涂层，所述功能层是Ti、SI、W、Al、Cr、Zr元素的氮化物或碳化物或氧化物或氮碳化物的多层多元素交错结合的陶瓷相纳米晶结构涂层。

优选地，所述的过渡层是Ti或Cr的单质或氮化物的陶瓷相纳米晶结构涂层。

优选地，所述的功能层是TiAlCrWN层，在所述的TiAlCrWN层中，按质量百分比计，Ti占10%～30%，Al占50%～70%，Cr占8%～12%，W占8%～12%，余量为N。

优选地，所述过渡层的厚度是400nm～600nm，所述功能层的厚度是8um～10um。

一种沉积有纳米陶瓷涂层的压铸模具，所述压铸模具基体的工作表面沉积有所述纳米陶瓷涂层。

一种沉积有纳米陶瓷涂层的压铸模具的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

（1）、把压铸模具基体进行预处理；

（2）、把预处理后的所述模具基体放入真空阴极电弧离子镀设备中，抽真空加热，然后充入氩气进行辉光放电清洗；

（3）、采用PVD方法在所述基体上沉积一层过渡层；

（4）、采用PVD方法在所述过渡层上沉积一层功能层。

优选地，所述预处理是超声波清洗。

优选地，所述步骤（2）中所述的辉光放电清洗在如下条件下进行：对所述真空阴极电弧离子镀设备进行加热并抽真空，使真空度为3×10^-3～7×10^-3Pa,使模具基体温度保持在350～450度，通入氩气，使氩气气压维持在0.1～0.3Pa,在所述模具基体上旋加-700～-1000V的脉冲偏压，利用电离的氩离子刻蚀所述模具基体表面，清洗的时间为15～45分钟。

优选地，步骤（3）和步骤（4）中所述PVD方法是磁控溅射方法。

本发明的有益效果在于：本发明的纳米陶瓷涂层由过渡层和功能层组成，所述过渡层是Ti、SI、W、Al、Cr、Zr中的一种或多种的单质或氮化物或碳化物或氮碳化物的陶瓷相纳米晶结构涂层，所述功能层是Ti、SI、W、Al、Cr、Zr元素的氮化物或碳化物或氧化物或氮碳化物的多层多元素交错结合的陶瓷相纳米晶结构涂层，多层多元素交错结合的陶瓷相纳米晶涂层有很好的致密性，极高的硬度和化学稳定性；在压铸模具基体上沉积上述的纳米陶瓷涂层能成倍提高压铸模具表面的硬度和耐磨抗高温耐腐蚀能力，且陶瓷相的排它性能有效地帮助压铸模具顺利脱模，经试验证明，经过本发明的方法处理的压铸模具的使用寿命是普通压铸模具使用寿命的3倍以上。

附图说明

图1为本发明中纳米陶瓷涂层的结构示意图；

图2为沉积有纳米陶瓷涂层的压铸模具的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1至附图2对本发明作进一步阐述：

实施例一：

如图2所示的一种沉积有纳米陶瓷涂层的压铸模具，包括压铸模具基体1，在模具基体1的工作表面沉积有纳米陶瓷涂层2。

如图1所示的纳米陶瓷涂层，由过渡层21和功能层22组成，过渡层21是Ti、SI、W、Al、Cr、Zr中的一种或多种的单质或氮化物或碳化物或氮碳化物的陶瓷相纳米晶结构涂层，功能层22是Ti、SI、W、Al、Cr、Zr元素的氮化物或碳化物或氧化物或氮碳化物的多层多元素交错结合的陶瓷相纳米晶结构涂层。在本实施例中，过渡层21由Cr层和CrN层组成，功能层22是TiAlCrWN层。过渡层21的厚度是400nm～600nm，功能层22的厚度是8um～10um。

为使功能层22有较好的效果，在TiAlCrWN层中，按质量百分比计，一般Ti占10%～30%，Al占50%～70%，Cr占8%～12%，W占8%～12%，余量为N。

实施例二：

本实施例提供的沉积有纳米陶瓷涂层的压铸模具的制备方法如下：

把H13材料制作的铝合金压铸模具基体1先经过抛光处理，然后采用超声波清洗的方法对模具基体1进行除油除蜡清洗，再烘干。

把清洗干净并烘干的模具基体1放置于真空阴极电弧离子镀设备腔体内，加热抽真空至7×10^-3Pa,使模具基体1温度保持在450度，通入氩气，使氩气气压维持在0.1Pa,模具基体1上旋加-900V的脉冲偏压，利用电离的氩离子刻蚀模具基体1表面，此过程维持30分钟。刻蚀结束后，打开Cr靶，在0.1Pa气压条件下沉积200nm的金属Cr层；然后冲入氮气，氮气分压在2Pa,氩气分压在0.1Pa，设备腔体内温度控制在450度，Cr靶电流为70A,模具基体1脉冲偏压为-200V,在金属Cr层上再镀上300nm的CrN层。上述的Cr层和CrN层构成了过渡层21。

过渡层21沉积结束后，关闭氩气，氮气分压在3Pa,设备腔体内温度控制在450度，同时打开Cr、TiAl合金靶、W靶，Cr、W靶电流为70A,TIAL靶电流为80A,模具基体1脉冲偏压为-100V～-250V,沉积的涂层厚度为8um，此涂层即为功能层22。停止镀膜，让模具基体1冷却至100度，取出模具基体1。

在实际使用过程中，我们也可以根据生产的需要选择不同的金属靶材生成过渡层21和功能层22，例如，对于过渡层21我们可以选择Ti、SI、W、Al、Cr、Zr中的一种或多种的单质或氮化物或碳化物或氮碳化物的陶瓷相纳米晶结构涂层，对于功能层22我们可以选择Ti、SI、W、Al、Cr、Zr元素的氮化物或碳化物或氧化物或氮碳化物的多层多元素交错结合的陶瓷相纳米晶结构涂层，过渡层21的厚度优选为400nm～600nm，功能层22的厚度优选为8um～10um。

由于功能层22中的陶瓷相纳米晶结构涂层是Ti、SI、W、Al、Cr、Zr金属的氮化物、氧化物或氮碳化物纳米晶体在模具基体1表面复合形成的陶瓷相薄膜层，此纳米晶体粒的直径小于5纳米，颗粒极小，由此多层多元素交错形成的复合陶瓷相纳米晶涂层，有很好的致密性，极高的硬度和化学稳定性，能成倍提高压铸模具的表面硬度、耐磨性、抗高温和耐腐蚀能力。高硬度性，能使模具有效抵抗金属熔液的冲击；抗高温，能护模具避免模具因热疲劳出现早期龟裂；耐腐蚀，能保护模具避免模具出现溶蚀失效；同时陶瓷相的排它性与金属不相粘能帮助模具顺利脱模。

以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明的实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims

1.一种纳米陶瓷涂层，其特征在于：由过渡层(21)和功能层(22)组成，所述过渡层(21)是Ti、Si、W、Al、Cr、Zr中的一种或多种的单质或氮化物或碳化物或氮碳化物的陶瓷相纳米晶结构涂层，所述功能层(22)是Ti、Si、W、Al、Cr、Zr元素的氮化物或碳化物或氧化物或氮碳化物的多层多元素交错结合的陶瓷相纳米晶结构涂层；

所述的过渡层(21)是Ti或Cr的单质或氮化物的陶瓷相纳米晶结构涂层；

所述的功能层(22)是TiAlCrWN层，在所述的TiAlCrWN层中，按质量百分比计，Ti占10％～30％，Al占50％～70％，Cr占8％～12％，W占8％～12％，余量为N。

2.如权利要求1所述的纳米陶瓷涂层，其特征在于：所述过渡层(21)的厚度是400nm～600nm，所述功能层(22)的厚度是8μm～10μm。

3.一种压铸模具的制备方法，在所述压铸模具基体的工作表面沉积有如权利要求1～2任一所述的纳米陶瓷涂层，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

(1)、把压铸模具基体(1)进行预处理；

(2)、把预处理后的所述模具基体(1)放入真空阴极电弧离子镀设备中，抽真空加热，然后充入氩气进行辉光放电清洗；

(3)、采用PVD方法在所述基体上沉积一层过渡层(21)；

(4)、采用PVD方法在所述过渡层(21)上沉积一层功能层(22)。

4.如权利要求3所述的压铸模具的制备方法，其特征在于：所述预处理是超声波清洗。

5.如权利要求3所述的压铸模具的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述的辉光放电清洗在如下条件下进行：对所述真空阴极电弧离子镀设备进行加热并抽真空，使真空度为3×10^-3～7×10^-3Pa,使模具基体(1)温度保持在350～450度，通入氩气，使氩气气压维持在0.1～0.3Pa,在所述模具基体(1)上旋加-700～

-1000V的脉冲偏压，利用电离的氩离子刻蚀所述模具基体(1)表面，清洗的时间为15～45分钟。

6.如权利要求3所述的压铸模具的制备方法，其特征在于：步骤(3)和步骤(4)中所述PVD方法是磁控溅射方法。