CN1962262A - 模具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模具及其制备方法。所述模具包括一基材及一形成在所述基材上的保护层，所述保护层包括依次形成在所述基材上的一粘附层、一渐变多层膜及一类金刚石碳薄膜；所述粘附层为铬、钛、硅、氮化铬、氮化钛、碳化硅或氮化硅的薄膜；所述渐变多层膜为N层结构，其中5≤N≤30，所述渐变多层膜每层中均包括类金刚石碳及一添加物，所述添加物包括铬、钛、硅、氮化铬、氮化钛、碳化硅或氮化硅中的一种或其混合物，从靠近所述粘附层的第一层至靠近所述类金刚石碳薄膜的第N层，其中添加物的含量依次降低。本发明的模具保护层与基材结合力强，抗腐蚀能力及耐磨性能优异。

Description

模具及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种模具及其制备方法，尤其涉及一种膜层不易脱落，耐磨性能好，抗腐蚀佳的模具及其制备方法。
【背景技术】
模具，为产业上进行大规模生产所必需，从成本考量，一套模具可能会要求其工作几十万次而不可发生影响工件品质的变形。模具变形的最主要因素包括磨损及腐蚀，因此为延长模具使用寿命，模具的防腐蚀、耐摩擦问题显得尤为重要。
故，一般模具多采用硬度高，化学稳定性强的合金材料，但其性能仍不理想。模具工作时与工件之间存在摩擦，多次操作后模具磨损，最终产品尺寸不能满足要求，因此模具需要较高耐磨性能。当操作环境较恶劣，例如镁合金压铸模具，模具须能承受熔融态镁的腐蚀，此时要求模具具有较高抗腐蚀能力。
类金刚石碳(Diamond-Like Carbon，DLC)具有与金刚石类似的性质，如高硬度，低摩擦系数，高的化学稳定性，因此业界将DLC膜作为模具表面的保护膜，其具有耐磨损，抗腐蚀等优良特性。此种DLC膜一般为单层，采用直流磁控溅镀法制得，但是，包括单层DLC膜的模具经多次操作后，DLC膜易于从模具基材上脱落。
【发明内容】
有鉴于此，有必要提供一种膜层不易脱落，耐磨性能优异，抗腐蚀性能佳的模具及其制备方法。
一种模具，其包括一基材及一形成在所述基材上的保护层，所述保护层包括依次形成在所述基材上的一粘附层、一渐变多层膜及一类金刚石碳薄膜；所述粘附层为铬、钛、硅、氮化铬、氮化钛、碳化硅或氮化硅的薄膜；所述渐变多层膜为N层结构，其中5≤N≤30，所述渐变多层膜每层中均包括类金刚石碳及一添加物，所述添加物包括铬、钛、硅、氮化铬、氮化钛、碳化硅或氮化硅中的一种或其混合物，从靠近所述粘附层的第一层至靠近所述类金刚石碳薄膜的第N层，其中添加物的含量依次降低。
一种模具的制备方法，其包括以下步骤：步骤1，提供一基材；步骤2，在所述基材表面形成一粘附层；步骤3，使用一第一靶材及一第二靶材同时在所述粘附层表面上分别溅镀一类金刚石碳薄膜及添加物，所述第一靶材可为石墨或碳，所述第二靶材包括铬、钛、硅、氮化铬、氮化钛、碳化硅或氮化硅中的一种或其混合物；步骤4，将步骤3重复N-1次，5≤N≤30，且每次降低所述添加物的溅射强度，得一具N层结构的渐变多层膜，从靠近所述粘附层的第一层至靠近所述类金刚石碳薄膜的第N层，其中添加物的含量依次降低；步骤5，在所述渐变多层膜表面溅镀形成一类金刚石碳薄膜。
相对于现有技术，所述的模具中，所述保护层包括一与基材结合力强的粘附层，形成于所述粘附层上的渐变多层膜中，从与所述粘附层接触的第一层到与类金刚石碳薄膜接触的第N层，其中的添加物含量依次降低，添加物可增加类金刚石碳薄膜中原子间结合力，因而类金刚石碳薄膜的抗腐蚀性能增加。第一层中添加物含量高，因此第一层与粘附层间附着力强，添加物含量依次降低，依次类推至第N层，则第N层与类金刚石碳薄膜间结合力已较弱，且其中的添加物含量低，具有低摩擦系数，耐磨性能佳的优点。
【附图说明】
图1是本实施例的模具剖面示意图。
图2是本实施例的模具的制备方法流程图。
图3是本实施例的模具的制备装置示意图。
【具体实施方式】
以下将结合附图说明一种模具、其制备方法及制备装置。
请参阅图1，本实施例的模具1包括一基材10、一形成在基材10表面上的保护层20，保护层20包括一粘附层21、一渐变多层膜22及一类金刚石碳薄膜23。
形成基材10的材料须能承受大的压力而不变形，例如，其可为铁-碳-铬合金、铁-碳-铬-钼合金或铁-碳-铬-钒-钼合金。为加强保护层20与基材10间结合力，基材10的表面需要平滑，优选的，其平均表面粗糙度(Ra)小于10纳米，其可由镜面抛光实现。粘附层21形成在基材10上，厚度可为5-20纳米，粘附层21可为铬、钛、硅、氮化铬、氮化钛、碳化硅或氮化硅的薄膜，一般采用溅镀法制得。类金刚石碳薄膜23厚度可为2～20纳米。
渐变多层膜22夹在粘附层21与类金刚石碳薄膜23之间，其为一N层结构，5≤N≤30。渐变多层膜22中每层厚度可为2～60纳米，其每层中均包含类金刚石碳及一添加物，添加物包括铬、钛、硅、氮化铬、氮化钛、碳化硅或氮化硅中的一种或其混合物。添加物可增加类金刚石碳中原子间结合力，且可与粘附层之间形成强结合力。渐变多层膜22的N层结构中，第一层221形成在粘附层21上，第二层222形成在第一层221上，如此依次形成N层结构，第N层223与类金刚石碳薄膜23接触，从第一层221到第N层223，每层中的添加物含量依次降低。优选的，渐变多层膜22中，第m层类金刚石碳薄膜中的添加物的摩尔百分比含量为(N-m+1)×X，其中X取值范围为0.2％≤X≤1％，1≤m≤N。
第一层221中，添加物的含量高，添加物可增加类金刚石碳薄膜中原子间结合力，因而类金刚石碳薄膜的抗腐蚀性能增加，且添加物与粘附层21间可形成较强结合力，因此第一层221与粘附层21间附着力及抗腐蚀性强，第二层222中添加物含量较第一层221有所降低，但第二层222及第一层221成分仍相似，两者之间仍具有较强结合力，但比第一层221与粘附层21间有所降低，依次类推，至第N层，其与类金刚石碳薄膜23间结合力已较弱，且其中的添加物含量低，具有低摩擦系数，耐磨性能佳的优点。
请参阅图2，本实施例的模具1的制备方法包括以下步骤：
步骤1，提供一基材10。基材10须能承受大的压力而不变形，例如，其可为铁-碳-铬合金、铁-碳-铬-钼合金或铁-碳-铬-钒-钼合金。为加强保护层20与基材10间结合力，基材10的表面需要平滑，优选的，其平均表面粗糙度(Ra)小于10纳米，其可由镜面抛光实现。
步骤2，在基材10上溅镀形成一粘附层21；粘附层21可为铬、钛、硅、氮化铬、氮化钛、碳化硅或氮化硅的薄膜。
步骤3，使用一第一靶材及一第二靶材同时在所述粘附层21表面分别溅镀一层类金刚石碳薄膜及添加物，所述第一靶材可为石墨或碳，所述第二靶材包括铬、钛、硅、氮化铬、氮化钛、碳化硅或氮化硅中的一种或其混合物，此层类金刚石碳薄膜的厚度可为2-60纳米。
溅镀类金刚石碳薄膜220时采用的溅镀气体可为组成为A+B的混合气体，A可为氩气或氪气，B可为氢气、甲烷或乙烷，B的含量为A的5％-20％。溅镀所述添加物时采用的溅镀气体可为氩气或氪气。
优选的，溅镀类金刚石碳薄膜220或添加物时，将基材10进行旋转，从而能获得一膜厚均匀的薄膜。更加优选的，基材10的旋转速度为2-200转/分钟。从具体实例角度看，可将基材10安装在一可旋转的基材固定器上。
步骤4，将步骤3重复N-1次，5≤N≤30，且每次降低添加物的溅射强度，得一具N层结构的渐变多层膜22，其第一层221形成在粘附层21上，接下来依次形成其余N-1层，从第一层221到第N层223，每层中添加物的含量依次降低。
优选的，渐变多膜22中，第m层类金刚石碳薄膜中的添加物的摩尔百分比含量为(N-m+1)×X，其中X取值范围为0.2％≤X≤1％，1≤m≤N。
步骤5，在渐变多层膜22表面上溅镀形成一类金刚石碳薄膜23，厚度可为2-20纳米。
请参阅图3，本发明实施例的模具1可采用模具制备设备3制备，其包括一真空溅镀腔31，及设置在真空溅镀腔中31的一类金刚石碳溅镀系统32、一添加物溅镀系统33、及一基材固定器35。
真空溅镀腔31的形状任意，其与一真空泵系统311相连。类金刚石碳溅镀系统32包括一第一靶材321及第一离子源322。第一靶材321用于溅镀类金刚石碳薄膜，其可为石墨或碳。离子源322可发射一用于轰击第一靶材321的第一离子束323，第一离子束323轰击第一靶材321后在所述真空溅镀腔31内形成一第一等离子体区324。第一靶材321处设有用于通入溅镀类金刚石碳薄膜的溅镀气体的第一导管312。通入的溅镀气体可为组成为A+B的混合气体，A可为氩气或氪气，B可为氢气、甲烷或乙烷，B的含量为A的5％-20％。
添加物溅镀系统33包括一第二靶材331及第二离子源332。第二靶材331用于溅镀添加物，添加物可为金属如铬或钛，非金属如硅，氮化物如氮化铬、氮化钛或氮化硅，碳化物如碳化硅，离子源332可发射一用于轰击第二靶材331的第二离子束333，第二离子束333轰击第一靶材331后在所述真空溅镀腔31内形成一第二等离子体区334。第二靶材332处设有用于通入等离子体引发气体的第二导管313，通入的等离子体引发气体可为氩气或氪气。
第一等离子体324区与第二等离子体区334重迭形成一混合等离子体区320，基材固定器35可设置在混合等离子体区320中，从而类金刚石碳溅镀系统32及添加物溅镀系统33可同时向设置在基材固定器35上的基材36上溅镀类金刚石碳及添加物。
优选的，本发明实施例的模具的制备装置30进一步包括一第三离子源341，其与基材固定器35相对设置，其可发射一第三离子束342，利用第三离子束342轰击基材36表面可增加形成在基材36表面的薄膜与基材36间结合力。第一离子源322、第二离子源332及第三离子源341可为射频驱动的，驱动频率为13.56百万赫兹。
优选的，基材固定器35轴设在一固定轴351上，从而基材固定器35可相对固定轴351转动，基材36亦随之转动，基材36表面可获得一膜厚均匀的薄膜。更加优选的，基材固定器35相对固定轴351的旋转速度为2-200转/分钟。
本实施例的模具的制备装置30中，利用两套溅镀系统分别同时快速溅镀类金刚石碳薄膜及其中的添加物，通过调节溅镀添加物时的溅镀能量可调节类金刚石碳中添加物的含量，制得的类金刚石碳薄膜中，添加物均匀分布在类金刚石碳薄膜中。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (17)

1.一种模具，其包括一基材及一形成在所述基材上的保护层，其特征在于所述保护层包括依次形成在所述基材上的一粘附层、一渐变多层膜及一类金刚石碳薄膜；所述粘附层为铬、钛、硅、氮化铬、氮化钛、碳化硅或氮化硅的薄膜；所述渐变多层膜为N层结构，其中5≤N≤30，所述渐变多层膜每层中均包括类金刚石碳及一添加物，所述添加物包括铬、钛、硅、氮化铬、氮化钛、碳化硅或氮化硅中的一种或其混合物，从靠近所述粘附层的第一层至靠近所述类金刚石碳薄膜的第N层，其中添加物的含量依次降低。
2.如权利要求1所述的模具，其特征在于第m层类金刚石碳薄膜中的添加物的摩尔百分比含量为(N-m+1)×X，其中X取值范围为0.2％≤X≤1％，1≤m≤N。
3.如权利要求1所述的模具，其特征在于所述添加物与所述粘附层组成相同。
4.如权利要求1所述的模具，其特征在于从第一层至第N层，每层厚度为2-60纳米。
5.如权利要求1所述的模具，其特征在于所述粘附层厚度为5-20纳米。
6.如权利要求1所述的模具，其特征在于所述类金刚石碳薄膜厚度为2-20纳米。
7.如权利要求1所述的模具，其特征在于组成所述基材的材料为铁-碳-铬合金、铁-碳-铬-钼合金或铁-碳-铬-钒-硅-钼合金。
8.如权利要求1所述的模具，其特征在于所述基材平均表面粗糙度小于等于10纳米。
9.一种模具的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1，提供一基材；
步骤2，在所述基材表面形成一粘附层；
步骤3，使用一第一靶材及一第二靶材同时在所述粘附层表面上分别溅镀一类金刚石碳薄膜及添加物，所述第一靶材可为石墨或碳，所述第二靶材包括铬、钛、硅、氮化铬、氮化钛、碳化硅或氮化硅中的一种或其混合物；
步骤4，将步骤3重复N-1次，5≤N≤30，且每次降低所述添加物的溅射强度，得一具N层结构的渐变多层膜，从靠近所述粘附层的第一层至靠近所述类金刚石碳薄膜的第N层，其中添加物的含量依次降低；
步骤5，在所述渐变多层膜表面溅镀形成一类金刚石碳薄膜。
10.如权利要求9所述的模具的制备方法，其特征在于第m层类金刚石碳薄膜中的添加物的摩尔百分比含量为(N-m+1)×X，其中X取值范围为0.2％≤X≤1％，1≤m≤N。
11.如权利要求9所述的模具的制备方法，其特征在于从第一层至第N层，每层厚度为2-60纳米。
12.如权利要求9所述的模具的制备方法，其特征在于所述粘附层厚度为5-20纳米。
13.如权利要求9所述的模具的制备方法，其特征在于所述类金刚石碳薄膜厚度为2-20纳米。
14.如权利要求9所述的模具的制备方法，其特征在于溅镀类金刚石碳薄膜时采用的溅镀气体为组成为A+B的混合气体，A可为氩气或氪气，B可为氢气、甲烷或乙烷，B的含量为A的5％-20％。
15.如权利要求9所述的模具的制备方法，其特征在于溅镀所述添加物时采用的溅镀气体为氩气或氪气。
16.如权利要求9所述的模具的制备方法，其特征在于制备过程中将所述基材进行旋转。
17.如权利要求16所述的模具的制备方法，其特征在于旋转速度为2-200转/分钟。
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