CN104002512A - 一种新型复合多层结构保护性涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型复合多层结构保护性涂层及其制备方法，该保护性涂层包括最内层、过渡层、金属层、中间过渡层、陶瓷层；所述的最内层用以提高涂层与模具的结合力；所述的过渡层为介于金属与陶瓷之间的材料，由金属逐步变为陶瓷；所述的最内层和金属层均为锆，铪、钽、钨、钛、钒、铬、锰、镍、钼中的一种，通过过滤离子镀的方法制备而成；所述的中间过渡层，由陶瓷层与金属层交替组合而成，实际层数为2或4或6层，其结构由内到外依次为陶瓷层/金属层或陶瓷层/金属层/陶瓷层/金属层或陶瓷层/金属层/陶瓷层/金属层/陶瓷层/金属层；所述的陶瓷层为碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、氧化物中的一种或任意组合；该保护性涂层的总层数为6或8或10层。本发明可减小脱模的难度，提高模具产品的质量，而且可提高模具寿命4-5倍以上。

Description

一种新型复合多层结构保护性涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型抗腐蚀、耐磨的多层复合膜，在模具(含压铸模具)、刀具、泵体、阀芯、耐磨无油轴承环和滚珠、以及纺织机械零件的纤维切断刀、绕线辊、压缩滚筒等特殊表面保护的应用，属于新材料领域。
背景技术
金属(主要是铝及铝合金)压铸工艺以其优良的尺寸精度，不需要或很少需要后续加工已经逐步取代传统的加工工艺(如沙模铸造)而被汽车，手机等行业广泛应用。
对于金属压铸工艺，模具质量对产品质量起着至关重要的作用。在压铸过程中，模具需要承受高温高压，而且经受大量的冷热循环，所以对模具材料要求很高，世界上发达国家都采用优质H13钢或者其他高性能模具钢，因此此类模具非常昂贵，根据统计数据，模具成本占到了本工艺成本的10～15％。因此提高模具的使用寿命，防止因腐蚀造成的模具表面损伤，不仅可以有效的提高产品质量，而且可以大幅减少成本。
对于压铸模具来说，其失效主要有以下几个原因：(1)高温(650～700℃)高压下，熔融铝侵蚀模具金属表面；(2)熔融铝扩散进入模具金属从而腐蚀模具；(3)更为严重的是熔融铝和模具金属形成铝铁合金而焊接在一起，导致无法脱模。这些情况都会严重降低模具的使用寿命，降低模具的表面质量，从而导致产品质量下降，甚至导致模具的失效，造成工厂停工。
为了提高压铸模具的品质，常见的方法包括使用特种合金钢，模具表面渗硼，渗氮，但是这些方法都不是十分有效。使用特种合金钢大幅增加模具成本，而且寿命增加有限；表面渗硼，渗氮都会使模具表面脆性增加，无法有效提高模具寿命。
发明内容
为了解决熔融铝合金对压铸模具的腐蚀而引发的模具失效问题，本发明提供了一种新型的复合多层结构的高性能保护性涂层，通过对涂层材料以及多层结构的设计，此涂层可大幅减小熔融铝在模具表面的附着，防止熔融铝的扩散，阻止焊接的发生。此涂层可减小脱模的难度，提高模具产品的质量，而且可提高模具寿命4～5倍以上。
本发明提供的一种新型复合多层结构保护性涂层，包括多层结构，以靠近模具方向为内，由内到外依次为最内层、过渡层、金属层、中间过渡层、陶瓷层；所述的最内层用以提高涂层与模具的结合力；所述的过渡层为介于金属与陶瓷之间的材料，由金属逐步变为陶瓷；所述的中间过渡层，由陶瓷层与金属层交替组合而成，实际层数为2或4或6层，其结构由内到外依次为陶瓷层/金属层或陶瓷层/金属层/陶瓷层/金属层或陶瓷层/金属层/陶瓷层/金属层/陶瓷层/金属层；该复合多层结构保护性涂层的总层数为6或8或10层，每层厚度在100～500nm之间。
所述的最内层和金属层均为锆、铪、钽、钨、钛、钒、铬、锰、镍、钼中的一种，通过过滤离子镀的方法制备而成；
所述的陶瓷层为碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、氧化物中的一种或任意组合，进一步地优选方案为HfB2、SiC、TiN、CrN、TiAlN、TiSiN、BC、SiAlON、SiCN、WC、MoSi2中的一种或任意组合，通过过滤离子镀的方法和等离子增强化学沉积相结合的方法制备而成；
所述的各层厚度以及材料选择主要根据模具本身材料膨胀系数，以及模具所用材料来调整。
本发明还提供一种新型复合多层结构保护性涂层的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)压铸模具预处理
将加工好的压铸模具的表面抛光后，进行除油清理，然后水冲洗后吹干备用；
(2)工装卡具
为了保证涂层的均一性，把模具安放在专用卡具上，充分旋转；
(3)加热和表面等离子清洗
为了保证涂层和模具之间的结合力，把模具加热到250～400℃，在等离子的轰击下进一步清洗；
(4)涂层的制备
最内层、过渡层、金属层、中间过渡层和陶瓷层按照预先设定的成分、厚度以及顺序沉积到模具表面，制得本发明一种新型复合多层结构保护性涂层。
通过上述步骤制得的涂层，经刮痕试验测得，其与模具的结合力可达100N以上，确保了保护性涂层与模具之间的完美结合。另外，在静态测试(无冷热循环)以及动态测试(快速冷热循环)中，温度690℃，使用涂层后，腐蚀造成的材料质量损失都远远小于无涂层的对比样品。使用本涂层后，材料损失是无涂层的2％，可提高模具寿命4～5倍以上。
本发明的新型复合多层结构保护性涂层，通过对各层材料的筛选，以及对每层厚度的设计，可以制适应不同模具，且保证二者之间具有非常好的结合力，长期使用不会对模具的尺寸精度带来很大影响，具有耐磨、耐蚀、耐热、耐熔融金属侵蚀等优点。同时，涂层本身对高温下铝的扩散有很强的阻隔作用而且涂层有优良的抗冷热循环的能力。不仅可以应用于模具(含压铸模具)方面，还能广泛地用于刀具、泵体、阀芯、耐磨无油轴承环和滚珠、以及纺织机械零件的纤维切断刀、绕线辊、压缩滚筒等特殊表面保护领域。
附图说明
说明书附图中：
图1本发明的新型复合多层结构保护性涂层与模具的示意图；
图中：1、最内层；2、过渡层；3、金属层；4、中间过渡层；5陶瓷层。
具体实施方式
实施例一
汽车发动机压铸模具中的中心销和定位销，经过抛光，去油的预处理工艺后，装入弧光离子镀设备腔体中，充分旋转。然后腔体中的中心销，定位销被加热到250～400℃，真空度到10-6～10-7torr。然后其表面被气体等离子和金属等离子连续轰击清洗，复合涂层按设计的厚度和成分被依次沉积到表面，总涂层厚度为2～5μm。被新型复合涂层涂覆的中心销和定位销的使用寿命比没有涂层的H13优质模具钢中心销和定位销高5倍。

Claims (7)

1.一种新型复合多层结构保护性涂层，其特征在于：以靠近模具方向为内，由内到外依次为最内层、过渡层、金属层、中间过渡层、陶瓷层；所述的最内层和金属层均为锆、铪、钽、钨、钛、钒、铬、锰、镍、钼中的一种；所述的过渡层为介于金属与陶瓷之间的材料，由金属逐步变为陶瓷；所述的中间过渡层，由陶瓷层与金属层交替组合而成，实际层数为2或4或6层，其结构由内到外依次为陶瓷层/金属层或陶瓷层/金属层/陶瓷层/金属层或陶瓷层/金属层/陶瓷层/金属层/陶瓷层/金属层；所述的陶瓷层为碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、氧化物中的一种或任意组合。
2.如权利要求1所述的新型复合多层结构保护性涂层，其特征在于：所述的每层厚度在100-500nm之间。
3.如权利要求1所述的新型复合多层结构保护性涂层，其特征在于：所述的新型复合多层结构保护性涂层的总层数为6或8或10层。
4.如权利要求1所述的新型复合多层结构保护性涂层，其特征在于：所述的陶瓷层优选为HfB2、SiC、TiN、CrN、TiAlN、TiSiN、BC、SiAlON、SiCN、WC、MoSi2中的一种或任意组合。
5.如权利要求1所述的一种新型复合多层结构保护性涂层的制备方法，其特征在于：该制备方法包括如下步骤：
(1)压铸模具预处理
将加工好的压铸模具的表面抛光后，进行除油清理，然后水冲洗后吹干备用；
(2)工装卡具
把模具安放在专用卡具上，充分旋转；
(3)加热和表面等离子清洗
把模具加热到250-400℃，在等离子的轰击下进一步清洗；
(4)涂层的制备
最内层、过渡层、金属层、中间过渡层和陶瓷层按照预先设定的成分、厚度以及顺序沉积到模具表面，制得本发明一种新型复合多层结构保护性涂层。
6.如权利要求5所述的新型复合多层结构保护性涂层的制备方法，其特征在于：所述的最内层和金属层均通过过滤离子镀的方法制备而成。
7.如权利要求5所述的新型复合多层结构保护性涂层的制备方法，其特征在于：所述的陶瓷层通过过滤离子镀的方法和等离子增强化学沉积相结合的方法制备而成。
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