CN114713754B - 一种表面涂层及制备方法和涂层工装、锥齿轮精锻模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种表面涂层及制备方法和涂层工装、锥齿轮精锻模具，涉及材料改性领域，以解决现有技术中涂层与模具结合力差、层间具有较大内应力且涂层表面摩擦力大的技术问题。本发明实施例的表面涂层用于精锻模具的表面硬化，所述模具为硬质合金，所述涂层依次包括过渡层、支撑层、耐磨层和表层，所述过渡层、支撑层、耐磨层和表层自下而上依次设置；所述过渡层为TiN层；所述耐磨层为TiAlSiCrN层；所述表层为TiSiN层；所述支撑层至少包括TiAlN层和TiAlSiN层。本发明提供表面涂层用于锥齿轮精锻模具的表面强化。

Description

一种表面涂层及制备方法和涂层工装、锥齿轮精锻模具

技术领域

本公开涉及材料改性领域，尤其涉及一种表面涂层及制备方法和涂层工装、锥齿轮精锻模具。

背景技术

利用锥齿轮精锻模具在高温高压下生产制造锥齿轮时，坯料和模具表面产生剧烈的摩擦，产生较大的内应力，导致模具因拉毛磨损而失效，尤其是齿面部分易发生开裂，需要进行表面强化。

传统的热处理、渗氮渗硼、化学沉积等工艺需要在高温下处理，后续的淬火处理会产生较大变形，破坏齿形精度。目前，使用物理气相沉积技术(Physical VaporDeposition，PVD)进行模具的表面强化，PVD涂层与模具的结合力差、表面摩擦系数大容易导致涂层崩裂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面涂层及制备方法和涂层工装、锥齿轮精锻模具，以解决涂层与模具结合力差、层间具有较大内应力且涂层表面摩擦力大的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种表面涂层，用于精锻模具的表面硬化，所述模具为硬质合金，所述涂层依次包括过渡层、支撑层、耐磨层和表层，所述过渡层、支撑层、耐磨层和表层自下而上依次设置；

所述过渡层为TiN层；

所述耐磨层为TiAlSiCrN层；

所述表层为TiSiN层；

所述支撑层至少包括TiAlN层和TiAlSiN层。

根据本公开的至少一个实施方式，沿着从所述过渡层到所述表层的方向，所述TiAlN层在所述TiAlSiN层的下方。

根据本公开的至少一个实施方式，所述TiN层、所述TiAlSiCrN层、所述TiSiN层、所述TiAlN层和所述TiAlSiN层的厚度均为0.5μm～2μm。

相对于现有技术，本发明所述的涂层具有以下优势：

所述的表面涂层，用于精锻模具的表面硬化，过渡层使用TiN材料，由于其弹性模量、热膨胀系数与模具的基体材料相近，可以使得涂层与模具结合牢固且摩擦系数低。耐磨层使用TiAlSiCrN，在涂层中引入Cr使得涂层具有极高的硬度，耐磨性能高。在涂层的表面使用TiSiN层，通过在耐磨层和表层中引入Si能有效地细化晶粒，使得表面涂层硬度更高、更光滑细腻，从而涂层具有较低的摩擦系数，降低模具与坯料之间的摩擦，从而提高模具制造的精度。在过渡层与耐磨层之间还设有支撑层，支撑层采用TiAlN层和TiAlSiN层，在TiN中Al元素的加入能够引起晶格畸变，提高膜层硬度和抗氧化性，在TiAlN层上层引入Si元素，使得晶粒细化，进一步提高硬度、耐磨性和抗高温氧化能力。本发明实施例通过多层膜，既提高了涂层与模具基体之间的结合力，还能减小涂层表面的摩擦系数，从而提高模具的使用寿命。

本发明还提供了一种精锻模具PVD表面涂层制备方法，应用于上述的涂层，

提供精锻模具，对所述精锻模具使用氩气辉光进行清洗；

对所述精锻模具使用Ti靶弧光清洗；

采用物理气相沉积PVD在所述精锻模具的表面依次沉积过渡层、支撑层、耐磨层和表层。

根据本公开的至少一个实施方式，所述对所述精锻模具使用氩气辉光进行清洗，包括向沉积室内通入高纯氩气，在所述模具上加负偏压400V～600V，2min～3min后加负偏压800V～900V，阻隔靶材和所述模具，所述氩气辉光清洗时间为10min～30min。

根据本公开的至少一个实施方式，所述对所述精锻模具使用Ti靶弧光清洗，包括在所述模具上加负偏压800V～900V，点燃Ti靶使用高能金属离子对所述模具表面进行清洗活化。

根据本公开的至少一个实施方式，采用物理气相沉积PVD在所述精锻模具的表面依次沉积过渡层、支撑层、耐磨层和表层，包括在氮气环境中，依次沉积TiN层、TiAlN层、TiAlSiN层、TiAlSiCrN层和TiSiN层；

所述沉积TiN层的沉积条件为偏压300V～400V，时间40min～80min，氮气压力为0.2Pa～2Pa；

所述TiAlN层、TiAlSiN层、TiAlSiCrN层和TiSiN层的沉积条件为偏压100V～400V，时间20min～40min，氮气压力为0.2Pa～2Pa。

根据本公开的至少一个实施方式，所述对所述精锻模具使用氩气辉光进行清洗之前，还包括将沉积室抽真空，加热沉积室至250℃。

相对于现有技术，本发明所述的精锻模具PVD表面涂层制备方法具有以下优势：

所述的精锻模具PVD表面涂层制备方法与上述的涂层的优势相同，在此不再赘述。

本发明还提供了一种锥齿轮精锻模具，所述模具上沉积有上述的涂层，或沉积有上述的表面涂层制备方法制备的涂层。

相对于现有技术，本发明所述的锥齿轮精锻模具具有以下优势：

所述的锥齿轮精锻模具与上述的涂层或上述的表面涂层制备方法制备的涂层所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明还提供了一种PVD涂层工装，用于上述的方法，所述工装包括支架、设在所述支架上的承托件以及活动设在所述承托件上的摆头；

所述承托件具有供所述摆头摆动的腔体，所述腔体位于所述承托件的第一端面具有球冠形开口，所述摆头用于夹持模具的端部为球冠形构件，所述球冠形构件活动设在所述开口中；

所述摆头的另一端延伸出所述承托件的第二端面，且转动设在内偏心套中，所述内偏心套转动设在外偏心套中，所述内偏心套和所述外偏心套配合使得所述摆头在所述腔体中摆动；

所述工装还包括电机，所述电机通过涡轮蜗杆分别与所述内偏心套和所述外偏心套传动连接。

相对于现有技术，本发明所述的工装具有以下优势：

所述的工装通过一个电机分别与外偏心套和内偏心套通过涡轮蜗杆进行传动连接，使得摆头在承托架的空腔中进行摆动，可以实现在不同角度对模具进行喷涂，保证了PVD涂层的喷涂质量。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开模具与PVD涂层示意图。

图2是本公开的锥齿轮精锻模具。

图3是本公开的PVD涂层托盘支架的工装结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

物理气相沉积技术(PVD)由于其处理温度低(温度小于最终回火温度)、热变形小和无公害，可以用于锥齿轮精锻模具的表面强化，能够获得均匀超硬表面层，显著提高齿轮精锻模具的服役寿命。为了进一步提高PVD涂层与模具基体结合力，以及降低模具表面的摩擦系数进而在使用过程中不会导致涂层崩裂。本发明实施例提供了一种表面涂层，用于精锻模具的表面硬化，模具为硬质合金，涂层依次包括过渡层、支撑层、耐磨层和表层，过渡层、支撑层、耐磨层和表层自下而上依次设置；过渡层为TiN层；耐磨层为TiAlSiCrN层；表层为TiSiN层；支撑层至少包括TiAlN层和TiAlSiN层。

请参阅图1所示，模具5的表面自下而上依次设有过渡层为TiN层10，TiAlN层11，TiAlSiN层12，TiAlSiCrN层13和TiSiN层14。使用TiN作为过渡层，是由于TiN与模具基体具有相近的弹性模量、热膨胀系数，使其与基体的结合牢固，且摩擦系数较低。示例性地，模具基体为硬质合金，可选地为3Cr2W8V合金钢。可以理解的是，根据实际情况作为支撑层的TiAlN层11和TiAlSiN层12可以调换，优选地为TiAlN层11靠近模具基体，TiAlSiN层在其上层，便于PVD沉积时工艺方便。通过在TiN中引入Al元素引起晶格畸变，提高了涂层的硬度、抗氧化性，进一步引入Si元素，使得晶粒更加细小，进一步提高了耐磨性。而在耐磨层中引入Cr元素，沉积TiAlSiCrN使得涂层硬度非常高。而在表层中沉积TiSiN，可以使得涂层表面光滑细腻，具有较低的摩擦系数，用于减磨层。从而提高模具的使用寿命，和制作锥齿轮工件的精度。

实际应用中，包括TiN层、TiAlSiCrN层、TiSiN层、TiAlN层和TiAlSiN层的各个涂层的厚度控制在0.5μm～2μm，可选地为0.75μm～1.5μm之间，可以避免膜层之间产生较大的内应力，且各层具有厚度，在表层遭到破坏或出现裂纹时，能层层阻断裂纹的延伸，避免涂层的崩裂。采用上述涂层的锥齿轮精锻模具的使用寿命相比于未涂层或现有技术涂层的模具可以提高50％以上。从而有效提升了锥齿轮加工的良品率，具有良好的经济效益。

在一些实施方式中，还提供了一种精锻模具PVD表面涂层制备方法，包括提供精锻模具，对精锻模具使用氩气辉光进行清洗；对精锻模具使用Ti靶弧光清洗；采用物理气相沉积PVD在精锻模具的表面依次沉积过渡层、支撑层、耐磨层和表层。

实际应用时，采用PVD工艺进行涂层强化，例如采用磁控溅射设备，先对模具进行氩气辉光清洗，具体地，向真空沉积室通入99.99％高纯度氩气，流量为50sccm(standardcubic centimeter per minute，简化为sccm，标准状况下毫升每分钟)，充氩气到3～10Pa，在模具基体上加负偏压400-600V，2-3min后升压到800-900V。使氩气在低压放电的情况下形成淡紫色等离子体辉光，同时在电场作用下，具有高能量的氩离子对工件进行轰击清洗，氩气辉光清洗时间为10-30min，在靶材和模具基体中间放置遮挡板，避免同时轰击靶材和基体，使靶材原子沉积到模具基体上。氩气辉光清洗的主要作用是将模具基体表面吸附的气体、杂质原子以及模具基体表面层原子碰撞下来，可以活化金属表面，从而提高镀膜的结合力。另外，带有高能量的离子在轰击模具基体表面时，将能量传递给模具基体，使模具基体温度上升，起到了预轰击加热的作用。

示例性地，上述精锻模具使用Ti靶弧光清洗包括将氩气降至1.5-2Pa左右，在模具基体上加800-900V负偏压，点燃Ti靶，利用高能量金属离子对基体进行轰击。进一步轰击溅射清洗活化基体表面，使基体表面粗化产生缺陷，提高镀膜与模具基体的结合能力，Ti靶弧光清洗时间为8-15min。

在一些实施方式中，上述采用物理气相沉积PVD在所述精锻模具的表面依次沉积过渡层、支撑层、耐磨层和表层具体包括：

S1、沉积过渡层，弧光清洗后取走遮挡板，向沉积室内通入氮气，氩气流量为20sccm，氮气流量为30sccm，开启靶电源。在氮气环境下沉积TiN涂层，时间60min，偏压350V，气压0.2-2Pa。

S2、沉积支撑层中的TiAlN层，在氮气环境下沉积TiAlN涂层，时间30min，偏压100-350V，气压0.2-2Pa。

S3、沉积支撑层中的TiAlSiN层，在氮气环境下沉积TiAlSiN涂层，时间30min，偏压100-350V，气压0.2-2Pa。

S4、沉积耐磨层中的TiAlSiCrN层，在氮气环境下沉积TiAlSiCrN涂层，时间30min，偏压100-350V，气压0.2-2Pa。

S5、沉积表层中的TiSiN层，在氮气环境下沉积TiSiN涂层，时间30min，偏压100-350V，气压0.2-2Pa。

根据实际需要，在上述对精锻模具使用氩气辉光进行清洗之前，还包括将沉积室内真空抽到5×10^-3Pa，开启辅助加热装置加热沉积室至250℃。从而减少气体杂质对镀膜的影响，加热至一定温度可以增加镀膜的稳定性。

在某些实施方式中，对模具基体进行PVD加工之前进行热处理，例如对锥齿轮精锻模具材料为3Cr2W8V热作模具钢，热处理工艺为1030℃，油浴淬火90min，630℃温度下回火4h，重复回火2次。

示例性地，将模具基体放置在PVD工装中进行，工装中的摆头带动模具发生摆动，同时，工装放在托盘上进行公转，进而使得从不同角度对模具进行喷涂，保证喷涂的均匀性。

请参阅图2所示，还提供了一种锥齿轮精锻模具，所述模具上沉积有上述的涂层，或沉积有上述的表面涂层制备方法制备的涂层。可以理解的是，对于精锻模具并不限于锥齿轮，其他具有硬度和耐磨要求的精锻模具也适用于本涂层。

请参阅图3所示，根据本公开的一个方面，本公开还提供了一种PVD涂层工装，用于上述的制备方法，工装包括支架1、设在支架1上的承托件以及活动设在承托件上的摆头4；承托件具有供摆头4摆动的腔体，腔体位于承托件的第一端面具有球冠形开口，摆头4用于夹持模具5的端部为球冠形构件，球冠形构件活动设在开口中；摆头4的另一端延伸出承托件的第二端面，且转动设在内偏心套3中，内偏心套3转动设在外偏心套2中，内偏心套3和外偏心套2配合使得摆头4在腔体中摆动；工装还包括电机，电机通过涡轮蜗杆分别与内偏心套3和外偏心套4传动连接。

具体地，电机通过三角皮带通过第一级涡轮6将动力传递至外偏心套2，同时蜗杆通过变速箱将动力传递给第二级涡轮7，从而带动内偏心套3转动。摆头4球冠形的端部止抵在承托件腔体的球冠形开口中，二者配合，在两个偏心套的带动下，摆头4球冠形的端部在开口中摆动，从而可以改变模具与靶材的相对位置，进而从不同角度对模具进行喷涂。承托件的第一端面为背离偏心套的端面，承托件的第二端面为靠近偏心套的端面，摆头4的球冠形端部设在第一端面的开口，沿着第一端面向第二端面的方向，摆头4的截面逐渐减小，以适于在承托件的腔体中摆动。承托件的腔体可以为圆形，也可以为变截面形状。可以理解的是，本发明实施例的工装并不仅限于用于PVD涂层的应用中，对于其它需要进行摆动的加工过程同样适用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (8)

1.一种表面涂层，其特征在于，用于精锻模具的表面硬化，所述模具为硬质合金，所述涂层依次包括过渡层、支撑层、耐磨层和表层，所述过渡层、支撑层、耐磨层和表层自下而上依次设置；

所述过渡层为TiN层；

所述耐磨层为TiAlSiCrN层；

所述表层为TiSiN层；

所述支撑层至少包括TiAlN层和TiAlSiN层；

所述模具表面自下而上依次设有TiN层，TiAlN层，TiAlSiN层，TiAlSiCrN层和TiSiN层；

所述TiN层，TiAlN层，TiAlSiN层，TiAlSiCrN层和TiSiN层中各层厚度均为0.75μm～1.5μm。

2.一种精锻模具PVD表面涂层制备方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的涂层，

提供精锻模具，对所述精锻模具使用氩气辉光进行清洗；

对所述精锻模具使用Ti靶弧光清洗；

采用物理气相沉积PVD在所述精锻模具的表面依次沉积过渡层、支撑层、耐磨层和表层。

3.根据权利要求2所述的表面涂层制备方法，其特征在于，所述对所述精锻模具使用氩气辉光进行清洗，包括向沉积室内通入高纯氩气，在所述模具上加负偏压400V～600V，2min～3min后加负偏压800V～900V，阻隔靶材和所述模具，所述氩气辉光清洗时间为10min～30min。

4.根据权利要求2所述的表面涂层制备方法，其特征在于，所述对所述精锻模具使用Ti靶弧光清洗，包括在所述模具上加负偏压800V～900V，点燃Ti靶使用高能金属离子对所述模具表面进行清洗活化。

5.根据权利要求2所述的表面涂层制备方法，其特征在于，采用物理气相沉积PVD在所述精锻模具的表面依次沉积过渡层、支撑层、耐磨层和表层，包括在氮气环境中，依次沉积TiN层、TiAlN层、TiAlSiN层、TiAlSiCrN层和TiSiN层；

所述沉积TiN层的沉积条件为偏压300V～400V，时间40min～80min，氮气压力为0.2Pa～2Pa；

所述TiAlN层、TiAlSiN层、TiAlSiCrN层和TiSiN层的沉积条件为偏压100V～400V，时间20min～40min，氮气压力为0.2Pa～2Pa。

6.根据权利要求2所述的表面涂层制备方法，其特征在于，所述对所述精锻模具使用氩气辉光进行清洗之前，还包括将沉积室抽真空，加热沉积室至250℃。

7.一种锥齿轮精锻模具，其特征在于，所述模具上沉积有权利要求1所述的涂层，或沉积有权利要求2-6任一项所述的表面涂层制备方法制备的涂层。

8.一种PVD涂层工装，其特征在于，用于权利要求2-6任一项所述的方法，所述工装包括支架、设在所述支架上的承托件以及活动设在所述承托件上的摆头；

所述承托件具有供所述摆头摆动的腔体，所述腔体位于所述承托件的第一端面具有球冠形开口，所述摆头用于夹持模具的端部为球冠形构件，所述球冠形构件活动设在所述开口中；

所述摆头的另一端延伸出所述承托件的第二端面，且转动设在内偏心套中，所述内偏心套转动设在外偏心套中，所述内偏心套和所述外偏心套配合使得所述摆头在所述腔体中摆动；

所述工装还包括电机，所述电机通过涡轮蜗杆分别与所述内偏心套和所述外偏心套传动连接。

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