CN204644474U - 一种具有不锈钢色的陶瓷涂层高尔夫球头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有不锈钢色的陶瓷涂层高尔夫球头，高尔夫球头为椭球状，所述高尔夫球头在铁基基体上设有多个涂层，从铁基基体由内到外分别为基体离子氮化层、过渡金属层和[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层；所述[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层是由CrN层和CrN_0.9O_0.05C_0.05层依次周期性叠合形成；基体离子氮化层的厚度为10‐100微米；过渡金属层的厚度为0.2‐0.5微米；[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层的厚度为0.3‐1微米。本实用新型合理控制涂层结构，达到抛光不锈钢色的色调，涂层的硬度超过HV1800，具有优异的耐盐雾腐蚀性能，且本身具有优异的硬度。

Description

一种具有不锈钢色的陶瓷涂层高尔夫球头

技术领域

本实用新型涉及一种高尔夫球头，特别是涉及一种具有不锈钢色的陶瓷涂层高尔夫球头，属于真空物理气相沉积(PVD)技术应用领域。

背景技术

因为良好的加工性能，金属材料制品在运动器材和钟表等行业广泛应用。高尔夫球头大量使用铁基材料和钛合金。这些材料的表面硬度较低，通常低于HRC50，球头使用过程中耐磨性较差。另外，大量使用非奥氏体铁基材料，如17－4合金等，需要这些球头的耐蚀性能提高到不弱于304、316L不锈钢材料的水平。作为装饰性要求，还需要各种基材表面处理后具有抛光的不锈钢色。

为了提高高尔夫球头的表面硬度，改善其耐磨性，中国发明专利申请CN101082074(高尔夫球头表面硬化处理方法)采用一束高能光束照射球头表面作为表面热处理手段，使高尔夫球头表面达到强化的效果。这种方法需要高能束光源设备，及控制光束扫描的辅助装置，昂贵且手续复杂，在目前的高尔夫制造行业少见应用。中国发明专利申请CN101979703A(采用氮化铝钛复合涂层表面处理高尔夫球头的方法)和CN102031483A(碳氮钛铬复合涂层表面处理高尔夫球头的方法)等在高尔夫球头表面直接制备PVD涂层。这种方法制备的高尔夫球头难以克服软质金属基体材料硬度低，难以支撑硬质PVD涂层的问题，因此在比较苛刻的使用条件下，涂层容易从基体上剥离，从而难以发挥硬质涂层的防护作用，也失去了应有的装饰作用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有高尔夫球头存在的问题，提供一种表面硬度高，表层与基层结合紧密，残余内应力的高品质具有不锈钢色的陶瓷涂层高尔夫球头。

本实用新型目的通过如下技术方案实现：

一种具有不锈钢色的陶瓷涂层高尔夫球头，高尔夫球头为椭球状，所述高尔夫球头在铁基基体上设有多个涂层，从铁基基体由内到外分别为基体离子氮化层、过渡金属层和[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层；所述[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层是由CrN层和CrN_0.9O_0.05C_0.05层依次周期性叠合形成；所述X为Al、Ti、S、Zr或Nb，所述Q为非金属元素C和/或O；所述n为CrN层和CrN_0.9O_0.05C_0.05层重复周期数，为等于3或大于3的整数；

所述基体离子氮化层的厚度为10‐100微米；所述过渡金属层的厚度为0.2‐0.5微米；所述[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层的厚度为0.3‐1微米；CrN层与CrN_0.9O_0.05C_0.05层的厚度为30‐50纳米。

为进一步实现本实用新型目的，优选地，所述[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层是由CrN层和CrN_0.9O_0.05C_0.05层3‐5个重复周期依次叠合形成。

所述CrN层与CrN_0.9O_0.05C_0.05层的厚度比为1:1。

所述铁基基体为17－4铁基基体。

所述过渡金属层的金属为Ti、Cr、Zr、TiAl或者CrAl。金属过渡层采用高能离子束辅助蒸镀获得。

本实用新型在硬度低于HRC50的软质金属材料铁基金高尔夫球头表面上采用物理气相沉积方法涂覆耐磨、耐蚀的不锈钢色陶瓷涂层。为了提高涂层与高尔夫球头基体与涂层膜基结合力及过渡层的致密性，物理气相沉积涂层的结构为“软质基体/硬化层/金属过渡层/[CrN‐(Cr,X)NQ]_n”。[CrN‐(Cr,X)NQ]n是周期调制的多层结构，调制周期大于3。不锈钢色陶瓷涂层的成分为(Cr,X)NQ,其中X为Al、Ti,Si,Zr,Nb中的一种或数种，Q为非金属元素C,O中的一种或复合；金属/非金属的原子子比例优选为1，其中Cr的原子含量占所有金属含量的80－100％；氮原子含量占所有非金属元素的比例大于90％，氧和碳占0－10％。本实用新型不锈钢色涂层的色度控制在L＝81±2,a*＝0.4±1,b*＝2±1。

相对于现有技术，本实用新型具有如下优点：

1)本实用新型在软质材料表面进行强化预处理；针对铁基材料，采用PVD装备在制备PVD硬质涂层前作离子氮化处理，获得厚度表面硬化层，使得软质材料的表面硬度超过维氏硬度HV800；提高了软质材料对PVD硬质涂层的支撑能力，即膜基附着力。

2)本实用新型合理控制涂层结构，达到抛光不锈钢色的色调，获得的涂层La*b*值与抛光不锈钢的色度值一致，偏差在±1的范围内。

3)本实用新型涂层的硬度超过HV1800，具有优异的耐盐雾腐蚀性能，且本身具有优异的硬度。

4)本实用新型采用离子蒸镀技术获得0.2－0.5微米厚度的金属过渡层；采用软硬交替的多层复合结构消除涂层的残余内应力。

附图说明

图1为本实用新型具有不锈钢色的陶瓷涂层高尔夫球头的截面结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型的技术特点，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步地描述。

如图1所示，具有不锈钢色的陶瓷涂层高尔夫球头为17－4铁基高尔夫球头，是在17－4铁基基体上设有多个涂层，从17－4铁基基体01由内到外分别为基体离子氮化层02、过渡金属层03、[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层04，其中[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层04是由CrN层04A和CrN_0.9O_0.05C_0.05层O4B依次周期性叠合形成，优选[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层04是由CrN层04A和CrN_0.9O_0.05C_0.05层O4B依次3‐5个周期叠合形成；基体离子氮化层02的厚度为10‐100微米，过渡金属层03为0.2‐0.5微米，[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层04为0.3‐1微米；CrN层04A与CrN_0.9O_0.05C_0.05层O4B的厚度为30‐50纳米，n为CrN层04A和CrN_0.9O_0.05C_0.05层重复周期数，取值3‐5。CrN层04A与CrN_0.9O_0.05C_0.05层O4B的厚度比为1:1。过渡金属层为过渡金属Ti层。

金属过渡层采用高能离子束辅助蒸镀获得。

本实用新型设计的PVD不锈钢色陶瓷涂层结构为基体/Me/[CrN‐(Cr,X)NQ]_n,其中Me为Ti,Zr,Cr,TiAl,CrAl中的一种，X为Al、Ti、S、Zr或Nb，Q为非金属元素C和/或O，下标n为重复的周期次数，n大于3。PVD不锈钢色涂层的总厚度小于1.5微米。

作为比较，抛光后的304不锈钢的色度值为L＝81.72,a*＝0.38，b*＝1.93。

本实用新型一种具有不锈钢色的陶瓷涂层高尔夫球头通过如下步骤制备：

步骤一、高尔夫球头表面清洁处理

采用具有多步骤多槽(除油－漂洗－超声清洗－漂洗－酸性溶液清洗－碱性溶液中和－漂洗－去离子水漂洗－防腐剂漂洗)的设备清洗，然后将工件无油压缩空气吹干待用。

步骤二、铁基、钛基高尔夫球头表面高能离子束辅助氮化表面处理

将上述清洗干净的工件置入真空室工件架，炉内通入Ar和N₂，控制真空室压力为0.5－10Pa，接通偏压600－1000V，炉内产生气体辉光放电现象，然后启动离子源，离子源阳极为辅助阳极。根据本实用新型的一个优选实施方案，真空室压力控制在1Pa，氮气流速：氩气流速＝2：1；采用空心阴极枪作为离子源，采用内径为6毫米的钽管作为阴极，施加120A电流。氮化处理30分钟～1个小时后关闭偏压电源和离子源和通入的气体。氮化层厚度可以达到5‐10微米，表面显微硬度超过HV800。该氮化工艺与传统离子氮化的差异是可在低温状态实现氮化，不需要辅助加热，氮化温度低于200℃。

步骤三、工件炉内刻蚀

采用空心阴极枪作为离子源。在真空室内通入氩气，维持炉内真空压力为0.1－0.3Pa,优选0.2Pa，启动炉内刻蚀模式，辅助阳极和阴极钽管组成回路系统，施加120－150A直流电流，在待镀工件上施加脉冲偏压300－500V，刻蚀时间20－40分钟后，关闭离子源，转入制备金属过渡层的步骤。

步骤四、工件表面制备金属过渡层

采用空心阴极蒸镀。真空室内通入氩气，并维持真空压力为0.2－0.5Pa，开动真空阴极枪的镀膜模式，将阴极钽管和坩埚阳极连成电路回路系统，施加150－200A的直流电流，并聚焦等离子体束斑尺寸，蒸发坩埚内放置的金属，这些蒸发的金属与空心阴极的等离子体相互作用，获得较高的离子化效率。放置的金属可以是纯钛、纯铬、纯锆、或TiAl合金、CrAl合金。通过脉冲偏压对工件施加150－300V的偏压，在偏压作用下，金属离子高能轰击工件表面，并沉积为金属过渡层。在工件表面获得0.2－0.5微米厚的金属过渡层后关闭蒸镀系统。该过渡层的特点是致密、无熔滴。

步骤五、工件表面制备多层复合不锈钢色涂层

采用多弧离子镀技术制备PVD涂覆层。PVD真空镀膜炉内有6金属靶位，其中4个纯Cr靶，2个其它金属靶则为Ti,TiSi,CrAl,TiAl,Zr,Nb中的一种或两种，金属靶到工件表面的距离200mm。通入工作气体氩气50sccm，通过调节通入的反应气体种类(氮气、甲烷、氧气)和流量实现复合多层涂层。开动其中4－6个靶，沉积速率测定为1‐1.4微米/小时，根据不同的真空炉配置状况等，该速率有差异。在工件表面施加偏压，在整个制备过程中，偏压由100V降低到50V，平均降低速率为50V/涂制时间。通入的所有气体(工作气体和反应气体)保持涂覆过程中真空室总压力为0.3－0.6Pa。

制备的不锈钢色涂层结构为[CrN‐(Cr,X)NQ]_n，其中X代表Al,Ti,Si,Zr,Nb中的一种或多种复合添加，Q代表C、O或CO复合。复合涂层由成分不同的两层周期性重复组成。在第一个周期中，靠近基体一侧的层成分为CrN，通入真空室的反应气体为氮气；控制(Cr,X)NQ中金属/非金属的燕子比例为1，其中Cr的原子含量占所有金属含量的80－100％；氮原子含量占非金属元素含量的90％，氧和碳占10％。总的PVD涂覆层厚度为1－1.5微米，至少包含3个周期。

制得的复合涂层共有3个周期。制备的PVD涂层采用Melonta光度计测试结果为L＝81.2,a*＝0.45,c*＝1.95，与不锈钢色一致。在Tabler摩擦一上用1100g载荷摩擦5000次后，未暴露基体，在5.5％NaCl中性盐雾试验48小时后未见锈斑。涂层在3.5kg载荷作用下的耐磨次数超过1000次，在5.5％NaCl盐雾试验不出现锈斑的时间超过96小时。

制得的复合涂层共有4个周期。制备的PVD涂层采用Melonta光度计测试结果为L＝80.81，a*＝1.02，c*＝1.79，与不锈钢色一致。在Tabler摩擦一上用1100g载荷摩擦5000次后，未暴露基体，在5.5％NaCl中性盐雾试验96小时后未见锈斑。

Claims (5)

1.一种具有不锈钢色的陶瓷涂层高尔夫球头，高尔夫球头为椭球状，其特征在于，所述高尔夫球头在铁基基体上设有多个涂层，从铁基基体由内到外分别为基体离子氮化层、过渡金属层和[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层；所述[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层是由CrN层和CrN_0.9O_0.05C_0.05层依次周期性叠合形成；所述X为Al、Ti、S、Zr或Nb，所述Q为非金属元素C和/或O；所述n为CrN层和CrN_0.9O_0.05C_0.05层重复周期数，为等于3或大于3的整数；

所述基体离子氮化层的厚度为10‐100微米；所述过渡金属层的厚度为0.2‐0.5微米；所述[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层的厚度为0.3‐1微米；CrN层与CrN_0.9O_0.05C_0.05层的厚度为30‐50纳米。

2.根据权利要求1所述的具有不锈钢色的陶瓷涂层高尔夫球头，其特征在于，所述[CrN‐(Cr,X)NQ]_n复合涂层是由CrN层和CrN_0.9O_0.05C_0.05层3‐5个重复周期依次叠合形成。

3.根据权利要求1所述的具有不锈钢色的陶瓷涂层高尔夫球头，其特征在于，所述CrN层与CrN_0.9O_0.05C_0.05层的厚度比为1:1。

4.根据权利要求1所述的具有不锈钢色的陶瓷涂层高尔夫球头，其特征在于，所述铁基基体为17－4铁基基体。

5.根据权利要求1所述的具有不锈钢色的陶瓷涂层高尔夫球头，其特征在于，所述过渡金属层的金属为Ti、Cr、Zr、TiAl或者CrAl。