CN107604358A - 一种纳米复合涂层及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米复合涂层，应用于热作模具，包括过渡层，涂覆于所述热作模具的表面，以及TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层，交替沉积形成复合层，所述复合层位于所述过渡层的表面。本发明还公开了一种纳米复合涂层的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及热作模具的纳米复合涂层等领域，具体为一种纳米复合涂层及其制作方法。
背景技术
热作模具是铝合金产生挤压变形和传递挤压力的关键部件，由于其复杂的结构，高尺寸精度及工作服役时高温、高压的复杂磨损状态，导致模具极易磨损、且损耗量极大。目前，在模具生产制造领域，为了提高模具的使用寿命，一般所采用的模具表面强化的技术是渗氮强化技术。然而，随着表面工程技术的发展以及铝型材的广泛应用，离子渗氮技术暴露出越来越多的缺点，并且经离子渗氮技术处理的热作模具表面的抗磨损和高温抗氧化性能差，需要后续加工程序，这些增加了热作模具的生产成本，限制了其应用范围。此外，随着国家对环境保护的重视，热作模具传统的气体渗氮技术则完全不符合绿色环保的生产要求，因此，热作模具行业急需采用新的表面处理技术。通过采用物理气相沉积技术制备纳米复合层结构的涂层可以显著提高热作模具表面硬度、结合强度、耐冲击性和高温抗氧化性能，涂层的层复合结构已经成为涂层模具的重要发展方向。
发明内容
本发明的目的是：提供一种纳米复合涂层，以提高热作模具表面的耐磨损和抗高温氧化性能，延长热作模具的使用寿命，结合梯度涂层以及多层复合涂层结构的优点。
实现上述目的的技术方案是：一种纳米复合涂层，应用于热作模具工作带，包括过渡层，涂覆于所述热作模具工作带的表面，以及TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层，交替沉积形成复合层，所述复合层位于所述过渡层的表面。
在本发明一较佳的实施例中，所述过渡层为TiAl纳米涂层。
在本发明一较佳的实施例中，与所述过渡层相接的涂层为TiAlN纳米子涂层。
在本发明一较佳的实施例中，所述过渡层的厚度为100~300nm。
在本发明一较佳的实施例中，所述TiAl纳米子涂层的厚度为50~100nm。
在本发明一较佳的实施例中，所述TiAlN纳米子涂层的厚度为300~600nm。
在本发明一较佳的实施例中，所述纳米复合涂层厚度为1-3μm。
本发明的另一目的在于：提供一种纳米复合涂层的制作方法，包括以下步骤：抽真空：将热作模具工作带放入镀膜机腔室内的工件台上，抽真空至5.0×10-4Pa；离子清洗：通入氩气，其气压为4.5×10-3Pa，氩离子束能量为800eV，氩离子束流为60mA，开启辅助离子源离子清洗20min；沉积过渡层：调整氩气气压1.2×10-2Pa；沉积TiAlN纳米子涂层：沉积TiAl层，采用离子束轰击TiAl层，离子束能量为3KeV，束流为90mA，辅助离子束能量为200eV，离子束流为30mA；同时开启氮气，氮气压逐渐增加至1.2×10-2Pa，并减小氩气气压，最终氩气气压减小到0Pa；沉积时间为20 min-40min；沉积TiAl纳米子涂层：关闭氮气，开启氩气，氩气气压1.2×10-2Pa，氩离子束的能量为3KeV，束流为90mA，辅助离子束能量降为200eV，离子束流降为30mA，离子束辅助沉积TiAl纳米子涂层的时间为5 min-10min；交替沉积TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层：氮气和氩气轮流开启，使纳米复合涂层的涂层总厚度为1μm-3μm；后处理：关闭气体源、离子源及各电源，沉积涂层过程结束。
在本发明一较佳的实施例中，在所述沉积过渡层步骤中，所述过渡层为TiAl纳米涂层，采用纯度为99.99%的TiAl靶作为溅射靶源，选用氩离子作为溅射离子，氩离子束的能量为3KeV，束流为90mA；沉积过渡层时，采用氩离子辅助轰击薄膜，辅助离子束能量降为200eV，离子束流降为30mA，离子束辅助沉积TiAl纳米涂层的时间为10 min～30min。
在本发明一较佳的实施例中，在所述步骤沉积TiAl纳米涂层的步骤中，所述TiAl纳米涂层的基准层为TiAl层，所述TiAl层为其上步步骤中的TiAl纳米涂层或TiAl纳米子涂层表层。
本发明的优点是：本发明的纳米复合涂层及其制作方法，由于在涂层中采用硬质涂层TiAlN与TiAl软金属的交替结构，显著提高了涂层的强度和韧性，具有良好的耐冲击性和抗磨损性。用这种粗糙度低、高温耐磨抗氧化涂层模具进行型材生产时，能够弥补原有氮化层耐磨性差、易氧化的缺点，显著提高热作模具的使用寿命以及型材质量。TiAlN涂层是综合了TiN涂层和AlN涂层的一种应用广泛的多元化硬质薄膜涂层。在TiN中加入Al元素形成TiAlN相，由于涂层表面的Al原子在摩擦过程中会发生氧化生成高硬度的Al2O3相可以显著提高涂层的整体硬度；而且由于Al原子的加入，能提高涂层的致密度，降低涂层表面摩擦系数，有效提高了涂层的耐磨性。TiAlN涂层具有热硬性好、强度高、高温不易被氧化、摩擦系数低以及在冷热循环的条件下具有较高的热疲劳抗力等良好性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释。
图1是本发明实施例的纳米复合涂层结构示意图。
其中，11过渡层；12 TiAlN纳米子涂层；13 TiAl纳米子涂层；2热作模具。
具体实施方式
以下实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
一种纳米复合涂层，应用于热作模具，包括过渡层、TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层，所述过渡层涂覆于所述热作模具的表面，TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层交替沉积形成复合层，所述复合层位于所述过渡层的表面。所述过渡层为TiAl纳米涂层。与所述过渡层相接的涂层为TiAlN纳米子涂层。所述过渡层的厚度为100~300nm。所述TiAl纳米子涂层的厚度为50~100nm。所述TiAlN纳米子涂层的厚度为300~600nm。所述纳米复合涂层厚度为1-3μm。所述热作模具材料为热作模具钢H13。
下面结合纳米复合涂层制作方法的实施例，对本发明进一步进行说明。
实施例1
一种纳米复合涂层的制作方法，采用离子束辅助沉积技术沉积TiAl过渡层以及TiAlN纳米子涂层/TiAl纳米子涂层所形成的复合层（沉积过程中使用2个TiAl靶，Ti与Al的原子比为50：50）。
具体包括如下步骤：
抽真空：将热作模具速放入镀膜机腔室内的工件台上，抽真空至5.0×10-4Pa；
离子清洗：通入氩气，其氩气气压为4.5×10-3Pa，离子束能量为800eV，离子束流为60mA，开启辅助离子源离子清洗20min；
沉积TiAl过渡层：调整氩气气压1.2×10-2Pa，采用纯度为99.99%的TiAl靶作为溅射靶源，选用氩离子作为溅射离子，氩离子束的能量为3KeV，束流为90mA。镀膜时采用氩离子辅助轰击薄膜，辅助离子束能量降为200eV，离子束流降为30mA，离子束辅助沉积TiAl过渡层的时间为10min；
沉积TiAlN纳米子涂层：轰击TiAl过渡层上的TiAl的离子束能量为3KeV，束流为90mA，辅助离子束能量为200eV，离子束流为30mA；开启氮气，氮气气压逐渐增加至1.2×10-2Pa，同时减小氩气压，最终氩气压减小到0Pa；沉积沉积TiAlN纳米子涂层的时间为20min；
沉积TiAl纳米子涂层：关闭氮气，开启氩气，氩气气压1.2×10-2Pa，氩离子束的能量为3KeV，束流为90mA。辅助离子束能量降为200eV，离子束流降为30mA，离子束辅助沉积TiAl纳米子涂层的时间为5min；
交替沉积TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层：氮气和氩气轮流开启，TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层的沉积时间总和为4h，涂层总厚度约为2μm；
后处理：关闭气体源、离子源及各电源，沉积涂层过程结束。
实施例2
一种纳米复合涂层的制作方法，包括如下步骤：
抽真空：将热作模具速放入镀膜机腔室内的工件台上，抽真空至5.0×10-4Pa；
离子清洗：通入氩气，其氩气气压为4.5×10-3Pa，离子束能量为800eV，离子束流为60mA，开启辅助离子源离子清洗20min；
沉积TiAl过渡层：调整氩气压1.2×10-2Pa，采用纯度为99.99%的TiAl靶作为溅射靶源，选用氩离子作为溅射离子，氩离子束的能量为3KeV，束流为90mA。镀膜时采用氩离子辅助轰击薄膜，辅助离子束能量降为200eV，离子束流降为30mA，离子束辅助沉积TiAl过渡层的时间为20min；
沉积TiAlN纳米子涂层：轰击TiAl的离子束能量为3KeV，束流为90mA，辅助离子束能量为200eV，离子束流为30mA；开启氮气，氮气气压逐渐增加至1.2×10-2Pa，同时减小氩气气压，最终氩气气压减小到0Pa；沉积TiAlN纳米子涂层的时间为30min；
沉积TiAl纳米子涂层：关闭氮气，开启氩气，氩气气压1.2×10-2Pa，氩离子束的能量为3KeV，束流为90mA。辅助离子束能量降为200eV，离子束流降为30mA，离子束辅助沉积TiAl纳米子涂层的时间为5min；
交替沉积TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层：氮气和氩气轮流开启，TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层的沉积时间总和为4h，涂层总厚度约为2μm；
后处理：关闭气体源、离子源及各电源，沉积涂层过程结束。
实施例3
一种纳米复合涂层的制作方法，包括如下步骤：
抽真空：将热作模具速放入镀膜机腔室内的工件台上，抽真空至5.0×10-4Pa ；
离子清洗：通入氩气，氩气气压为4.5×10-3Pa，离子束能量为800eV，离子束流为60mA，开启辅助离子源离子清洗20min；
沉积TiAl过渡层：调整氩气压1.2×10-2Pa，采用纯度为99.99%的TiAl靶作为溅射靶源，选用氩离子作为溅射离子，氩离子束的能量为3KeV，束流为90mA。镀膜时采用氩离子辅助轰击薄膜，辅助离子束能量降为200eV，离子束流降为30mA，离子束辅助沉积TiAl过渡层的时间为30min；
沉积TiAlN纳米子涂层：轰击TiAl的离子束能量为3KeV，束流为90mA，辅助离子束能量为200eV，离子束流为30mA；开启氮气，氮气气压逐渐增加至1.2×10-2Pa，同时减小氩气气压，最终氩气气压减小到0Pa；沉积TiAlN纳米子涂层的时间为40min；
沉积TiAl纳米子涂层：关闭氮气，开启氩气，氩气气压1.2×10-2Pa，氩离子束的能量为3KeV，束流为90mA。辅助离子束能量降为200eV，离子束流降为30mA，离子束辅助沉积TiAl纳米子涂层的时间为10min；
交替沉积TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层：氮气和氩气轮流开启，TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层的沉积时间总和为4h，涂层总厚度约为3μm；
后处理：关闭气体源、离子源及各电源，沉积涂层过程结束。
实施例4
一种纳米复合涂层的制作方法，包括如下步骤：
抽真空：将热作模具速放入镀膜机腔室内的工件台上，抽真空至5.0×10-4Pa ；
离子清洗：通入氩气，氩气气压为4.5×10-3Pa，离子束能量为800eV，离子束流为60mA，开启辅助离子源离子清洗20min；
沉积TiAl过渡层：调整氩气压1.2×10-2Pa，采用纯度为99.99%的TiAl靶作为溅射靶源，选用氩离子作为溅射离子，氩离子束的能量为3KeV，束流为90mA。镀膜时采用氩离子辅助轰击薄膜，辅助离子束能量降为200eV，离子束流降为30mA，离子束辅助沉积TiAl过渡层的时间为20min；
沉积TiAlN纳米子涂层：轰击TiAl的离子束能量为3KeV，束流为90mA，辅助离子束能量为200eV，离子束流为30mA；开启氮气，氮气气压逐渐增加至1.2×10-2Pa，同时减小氩气气压，最终氩气气压减小到0Pa；沉积TiAlN纳米子涂层的时间为40min；
沉积TiAl纳米子涂层：关闭氮气，开启氩气，氩气气压1.2×10-2Pa，氩离子束的能量为3KeV，束流为90mA。辅助离子束能量降为200eV，离子束流降为30mA，离子束辅助沉积TiAl纳米子涂层的时间为10min；
交替沉积TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层：氮气和氩气轮流开启，TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层的沉积时间总和为4h，涂层总厚度约为3μm；
后处理：关闭气体源、离子源及各电源，沉积涂层过程结束。
实施例5
一种纳米复合涂层的制作方法，包括如下步骤：
抽真空：将热作模具速放入镀膜机腔室内的工件台上，抽真空至5.0×10-4Pa ；
离子清洗：通入氩气，氩气气压为4.5×10-3Pa，离子束能量为800eV，离子束流为60mA，开启辅助离子源离子清洗20min；
沉积TiAl过渡层：调整氩气压1.2×10-2Pa，采用纯度为99.99%的TiAl靶作为溅射靶源，选用氩离子作为溅射离子，氩离子束的能量为3KeV，束流为90mA。镀膜时采用氩离子辅助轰击薄膜，辅助离子束能量降为200eV，离子束流降为30mA，离子束辅助沉积TiAl过渡层的时间为20min；
沉积TiAlN纳米子涂层：轰击TiAl的离子束能量为3KeV，束流为90mA，辅助离子束能量为200eV，离子束流为30mA；开启氮气，氮气气压逐渐增加至1.2×10-2Pa，同时减小氩气气压，最终氩气气压减小到0Pa；沉积TiAlN纳米子涂层的时间为30min；
沉积TiAl纳米子涂层：关闭氮气，开启氩气，氩气气压1.2×10-2Pa，氩离子束的能量为3KeV，束流为90mA。辅助离子束能量降为200eV，离子束流降为30mA，离子束辅助沉积TiAl纳米子涂层的时间为10min；
交替沉积TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层：氮气和氩气轮流开启，TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层的沉积时间总和为4h，涂层总厚度约为2μm；
后处理：关闭气体源、离子源及各电源，沉积涂层过程结束。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米复合涂层，应用于热作模具，其特征在于，包括过渡层，涂覆于所述热作模具的表面，以及TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层，交替沉积形成复合层，所述复合层位于所述过渡层的表面。
2.根据权利要求1所述的纳米复合涂层，其特征在于，所述过渡层为TiAl纳米涂层。
3.根据权利要求2所述的纳米复合涂层，其特征在于，与所述过渡层相接的涂层为TiAlN纳米子涂层。
4.根据权利要求1所述的纳米复合涂层，其特征在于，所述过渡层的厚度为100~300nm。
5.根据权利要求1所述的纳米复合涂层，其特征在于，所述TiAl纳米子涂层的厚度为50~100nm。
6.根据权利要求1所述的纳米复合涂层，其特征在于，所述TiAlN纳米子涂层的厚度为300~600nm。
7.根据权利要求1所述的纳米复合涂层，其特征在于，所述纳米复合涂层厚度为1-3μm。
8.一种如权利要求1所述的纳米复合涂层的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
抽真空：将热作模具工作带放入镀膜机腔室内的工件台上，抽真空至5.0 ×10-4Pa；离子清洗：通入氩气，其气压为4.5×10-3Pa，氩离子束能量为800eV，氩离子束流为60mA，开启辅助离子源离子清洗20min；沉积过渡层：调整氩气气压1.2×10-2Pa；沉积TiAlN纳米子涂层：沉积TiAl层，采用离子束轰击TiAl层，离子束能量为3KeV，束流为90mA，辅助离子束能量为200eV，离子束流为30mA；同时开启氮气，氮气压逐渐增加至1.2×10-2Pa，并减小氩气气压，最终氩气气压减小到0Pa；沉积时间为20 min-40min；沉积TiAl纳米子涂层：关闭氮气，开启氩气，氩气气压1.2×10-2Pa，氩离子束的能量为3KeV，束流为90mA，辅助离子束能量降为200eV，离子束流降为30mA，离子束辅助沉积TiAl纳米子涂层的时间为5 min-10min； 交替沉积TiAlN纳米子涂层和TiAl纳米子涂层：氮气和氩气轮流开启，使纳米复合涂层的涂层总厚度为1μm-3μm；后处理：关闭气体源、离子源及各电源，沉积涂层过程结束。
9.根据权利要求8所述的纳米复合涂层的制作方法，其特征在于，在所述沉积过渡层步骤中，所述过渡层为TiAl纳米涂层，采用纯度为99.99%的TiAl靶作为溅射靶源，选用氩离子作为溅射离子，氩离子束的能量为3KeV，束流为90mA；沉积过渡层时，采用氩离子辅助轰击薄膜，辅助离子束能量降为200eV，离子束流降为30mA，离子束辅助沉积TiAl纳米涂层的时间为10 min～30min。
10.根据权利要求9所述的纳米复合涂层的制作方法，其特征在于，在所述步骤沉积TiAl纳米涂层的步骤中，所述TiAl纳米涂层的基准层为TiAl层，所述TiAl层为其上步步骤中的TiAl纳米涂层或TiAl纳米子涂层表层。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180119 |
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