CN206089795U - 一种被覆梯度类金刚石薄膜的模具 - Google Patents
一种被覆梯度类金刚石薄膜的模具 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型属于新材料技术领域，提供一种被覆梯度类金刚石薄膜的模具，包括模具基体，所述模具基体的表面上设有梯度类金刚石薄膜，所述梯度类金刚石薄膜由下至上包括纯金属层、第一梯度过渡层、金属氮化物层、第二梯度过渡层、碳化钨层、第三梯度过渡层以及表面层，所述表面层为类金刚石层或含硅类金刚石层。本实用新型被覆梯度类金刚石薄膜的模具具有优异的膜基结合力和抗冲击性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种被覆梯度类金刚石薄膜的模具，属于新材料技术领域。
背景技术
铁基模具钢金属材料广泛应用于注塑喷射成型模具标准件。为提高标准件的表面硬度，通常采用表面氮化方法。但即便如此，拉毛、变形、卡死等仍然是标准件(导柱、顶针、司筒等)经常出现的问题，导致产品质量不合格。采用表面真空气相沉积处理技术在标准件表面被覆一层高结合力的耐磨、低摩擦系数的DLC涂层，将有利于提高标准件的使用寿命和产品质量。
DLC是英文“Diamond-like Carbon”一词的缩写。DLC是一种由碳元素构成、在性质上和钻石类似，同时又具有石墨原子组成结构的物质。类金刚石薄膜(DLC)是一种非晶态薄膜，由于具有高硬度和高弹性模量，低摩擦因数，耐磨损以及良好的真空摩擦学特性，很适合作为耐磨涂层，从而引起了摩擦学界的重视。目前制备DLC薄膜的方法很多，不同的制备方法所用的碳源以及到达基体表面的离子能量不同，沉积的DLC膜的结构和性能存在很大差别，摩擦学性能也不相同。
一些对耐磨性要求极高的产品已使用DLC涂层作为表面层，如滚动轴承(CN102822546B)、DLC涂层的滑动件(CN103032566A、CN102747324A)、DLC涂层被覆气门挺杆(CN105051249A)、DLC涂层活塞环(CN101983256A)等。以上专利的DLC涂层普遍采用“基体/金属层/WC/DLC”的涂层结构，但是，上述专利技术获得的DLC涂层膜基结合力仍处在HF3-HF2的水平，DLC涂层的膜基结合力尚有待提高。
目前，DLC涂层存在金属层与WC层间的力学性能相容性较差的问题。常用的金属层Cr，Ti的弹性模量分别为250GPa，102GPa；而WC的弹性模量则为约719GPa。因此，使用或刻划过程容易在界面层之间产生大的变形差异，导致界面破坏，从而影响涂层的膜基结合力及涂层的抗冲击韧性。因此，亟需一种高结合力、抗冲击能力强的涂层，将其应用于模具领域。
实用新型内容
针对上述现有技术现状，本实用新型所要解决的技术问题在于进一步提高DLC涂层的膜基结合力，以便于DLC涂层在更加苛刻的环境条件下应用。即解决在模具基体上制备DLC时涂层与基体间的力学相容问题，尤其弹性模量匹配问题，从而使得整个涂层在受载变形过程中避免出现分层剥落，以便提高DLC涂层的膜基结合力、抗冲击性。通过在模具基体表面被覆一层高结合力的耐磨、低摩擦系数的DLC涂层，从而提高模具的使用寿命和产品质量。
本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为：
一种被覆梯度类金刚石薄膜的模具，包括模具基体，所述模具基体的表面上设有梯度类金刚石薄膜，所述梯度类金刚石薄膜由下至上包括纯金属层、第一梯度过渡层、金属氮化物层、第二梯度过渡层、碳化钨层、第三梯度过渡层以及表面层，所述第一梯度过渡层是以从所述纯金属层侧朝向所述金属氮化物层侧连续地使该第一梯度过渡层中氮的含有率变高的方式形成的层，所述第二梯度过渡层是以从所述金属氮化物层侧朝向所述碳化钨侧连续地使该第二梯度过渡层中氮的含有率变小且使该第二梯度过渡层中碳化钨的含有率变高的方式形成的层，所述第三梯度过渡层是以从所述碳化钨层侧朝向所述表面层侧连续地使该第三梯度过渡层中的所述碳化钨的含有率变小且使该第三梯度过渡层中碳的含有率变高的方式形成的层，所述表面层为类金刚石层或含硅类金刚石层。
优选地，所述模具基体为顶针、导柱或司筒。
优选地，所述纯金属层的厚度为0.1-0.3μm。
优选地，所述金属选自Cr、Ti、Ta和Nb中的一种。
优选地，所述第一梯度过渡层的厚度为0.2-0.4μm。
优选地，所述金属氮化物为CrN、WN、TiN、TaN、NbN中的一种。
优选地，所述金属氮化物层的厚度为0.2-0.4μm。
优选地，所述第二梯度过渡层的厚度为0.3-0.5μm。
优选地，所述碳化钨层的厚度为0.2-0.4μm。
优选地，所述第三梯度过渡层的厚度为0.1-0.2μm。
优选地，所述类金刚石层的厚度为0.3-0.5μm。
优选地，所述含硅类金刚石层的厚度为0.3-0.5μm。
本实用新型采用“模具基体、纯金属层、第一梯度过渡层、金属氮化物层、第二梯度过渡层、碳化钨层、第三梯度过渡层以及表面层”的新型涂层结构，替代目前已知的“基体/金属层/WC/DLC”简单涂层结构。通过中间一个介于金属弹性模量和WC弹性模量的金属氮化物层作为弹性模量，作为整个涂层中的一个过渡平台；同时，在该平台的两侧采用成分梯度连续变化，使得弹性模量在整个涂层的厚度范围内实现连续的平缓的过度。因此，涂层和基体在整个受载过程中变形协调性提高，难以出现分层剥落，从而可以充分发挥DLC层的性能。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果表现在：
(1)本实用新型沉积类金刚石涂层时采用了成分梯度方式，使得不同成分的各层之间弹性模量及硬度也呈梯度分布，提高了涂层和基体在整个受载过程中变形协调性，难以出现分层剥落现象，从而极大提高涂层的膜基结合力和抗分层剥落能力。
(2)DLC涂层与模具基体材料间有较好的力学相容性，即使有明显的层间界面存在，各层之间的弹性变形、塑性变形仍有较好的相容性。因此，从力学角度看，层间分离剥落的趋势大幅度减少，所以，使役状态下改善了涂层的抗破坏能力，提高了DLC涂层的膜基结合力、抗冲击性，通过在模具基体表面被覆一层高结合力的耐磨、低摩擦系数的DLC涂层，从而提高模具的使用寿命和产品质量。
(3)本实用新型采用了含氢和表面掺硅的设计处理，使其表面摩擦系数更低，有利于应用在滑动磨损为主的领域。
附图说明
图1是本实用新型被覆梯度类金刚石薄膜的模具的结构示意图。
图中：1.模具基体，2.纯金属层，3.第一梯度过渡层，4.金属氮化物，5.第二梯度过渡层，6.碳化钨层，7.第三梯度过渡层，8表面层。
具体实施方式
以下通过具体实施方式的描述对本实用新型作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本实用新型的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本实用新型的范围之内。
实施例1、一种被覆梯度类金刚石薄膜的模具
本实用新型实施例1所述一种被覆梯度类金刚石薄膜的模具，如图1所示，包括模具基体1，所述模具基体1为具有顶针形状的模具标准件，具体为P20合金钢顶针，所述模具基体1的表面上设有梯度类金刚石薄膜，所述梯度类金刚石薄膜由下至上包括纯金属层2、第一梯度过渡层3、金属氮化物层4、第二梯度过渡层5、碳化钨层6、第三梯度过渡层7以及表面层8，所述第一梯度过渡层3是以从所述纯金属层2侧朝向所述金属氮化物层4侧连续地使该第一梯度过渡层3中氮的含有率变高的方式形成的层，所述第二梯度过渡层5是以从所述金属氮化物层4侧朝向所述碳化钨层侧连续地使该第二梯度过渡层5中氮的含有率变小且使该第二梯度过渡层5中碳化钨的含有率变高的方式形成的层，所述第三梯度过渡层7是以从所述碳化钨层6侧朝向所述表面层侧连续地使该第三梯度过渡层7中的所述碳化钨6的含有率变小且使该第三梯度过渡层7中碳的含有率变高的方式形成的层，所述表面层8为类金刚石层或含硅类金刚石层。
所述金属选自Cr。
本实用新型实施例1所述梯度类金刚石薄膜的模具的制备方法是：
S1、离子源轰击清洗P20合金钢顶针表面：将P20合金钢顶置于真空室中，使真空室的压强低于5×10-3Pa，开启加热装置，将P20合金钢顶加热至100℃；通入氩气，设置真空室压强为0.1Pa，束流电流为60A，P20合金钢顶施加直流偏压为200V，清洗30min后关闭直流偏压；
S2、制备纯金属层：调整磁控靶源的氩气流量，使真空室压强保持为0.5Pa；开启直流脉冲偏压模式，设置频率为10kHz，P20合金钢顶偏压为30V，占空比为30％，开启非平衡纯金属Cr磁控溅射源，磁控源功率密度为3W/cm2，在P20合金钢顶表面制备厚度为0.1μm的纯金属层；
S3、制备第一梯度过渡层：维持步骤S2中的磁控金属靶功率密度和偏压，在真空室内导入氮气，线性地增加氮气流量直到真空室压强比步骤S2提高0.2Pa，在纯金属表面制备厚度为0.2μm的第一梯度过渡层；
S4、制备金属氮化物层：维持步骤S2和步骤S3结束时的沉积参数，在所述第一梯度过渡层表面制备厚度为0.2μm的CrN层；
S5、制备第二梯度过渡层：将金属磁控靶功率密度和氮气通入量线性地降低到零后开启碳化钨磁控靶，使碳化钨磁控靶的功率从1W/cm2线性地增加到3W/cm2，在金属氮化物层表面制备厚度为0.3μm的第二梯度过渡层；
S6、制备碳化钨层：维持步骤S5中碳化钨磁控靶的功率密度和氩气流量及偏压，在第二梯度过渡层表面制备厚度为0.2μm的碳化钨层；
S7、制备第三梯度过渡层：线性地降低碳化钨靶的功率密度至零，当靶功率密度降到零时，关闭该磁控溅射碳化钨靶电源后线性地增加真空室内甲烷的流量，直至真空室压强保持为5Pa，在碳化钨层表面制备厚度为0.1μm的第三梯度过渡层；
S8、制备表面层：维持上述步骤S7结束时的甲烷流量，调整直流脉冲偏压的峰值为700V，频率为10KHz，占空比为30％，获得沉积厚度为0.3μm的类金刚石层；
S9、关闭所有电源及气源，炉内冷却40分钟后，出炉。
出炉后的显微试片硬度测试为2800HV0.025；采用MFT-4000划痕仪测试膜基结合力达到52N；采用150Kg洛氏压痕，按照DIN-VDI3198标准判定涂层结合力达到了HF1，表面膜基附着力高。
实施例2、一种被覆梯度类金刚石薄膜的模具
本实用新型实施例2所述被覆梯度类金刚石薄膜的模具，如图1所示，包括模具基体1，所述模具基体1为具有司筒形状的模具标准件，具体为H13模具钢司筒，所述模具基体1的表面上设有梯度类金刚石薄膜，所述梯度类金刚石薄膜由下至上包括纯金属层2、第一梯度过渡层3、金属氮化物层4、第二梯度过渡层5、碳化钨层6、第三梯度过渡层7以及表面层8，所述第一梯度过渡层3是以从所述纯金属层2侧朝向所述金属氮化物层4侧连续地使该第一梯度过渡层3中氮的含有率变高的方式形成的层，所述第二梯度过渡层5是以从所述金属氮化物层4侧朝向所述碳化钨层侧连续地使该第二梯度过渡层5中氮的含有率变小且使该第二梯度过渡层5中碳化钨的含有率变高的方式形成的层，所述第三梯度过渡层7是以从所述碳化钨层6侧朝向所述表面层侧连续地使该第三梯度过渡层7中的所述碳化钨6的含有率变小且使该第三梯度过渡层7中碳的含有率变高的方式形成的层，所述表面层8为类金刚石层或含硅类金刚石层。
所述金属选自Ti。
本实用新型实施例2所述梯度类金刚石薄膜的模具的制备方法是：
S1、离子源轰击清洗H13模具钢司筒表面：将H13模具钢司筒置于真空室中，使真空室的压强低于5×10-3Pa，开启加热装置，将H13模具钢司筒加热至200℃；通入氩气，设置真空室压强为0.2Pa，束流电流为100A，H13模具钢司筒施加直流偏压为400V，清洗30min后关闭直流偏压；
S2、制备纯金属层：调整磁控靶源的氩气流量，使真空室压强保持为1Pa；开启直流脉冲偏压模式，设置频率为100kHz，H13模具钢司筒偏压为50V，占空比为80％，开启非平衡纯金属Ti磁控溅射源，磁控源功率密度为8W/cm2，在H13模具钢司筒表面制备厚度为0.3μm的纯金属层；
S3、制备第一梯度过渡层：维持步骤S2中的磁控金属靶功率密度和偏压，在真空室内导入氮气，线性地增加氮气流量直到真空室压强比步骤S2提高0.2Pa，在纯金属表面制备厚度为0.4μm的第一梯度过渡层；
S4、制备金属氮化物层：维持步骤S2和步骤S3结束时的沉积参数，在所述第一梯度过渡层表面制备厚度为0.4μm的TiN层；
S5、制备第二梯度过渡层：将金属磁控靶功率密度和氮气通入量线性地降低到零后开启碳化钨磁控靶，使碳化钨磁控靶的功率从1W/cm2线性地增加到5W/cm2，在金属氮化物层表面制备厚度为0.5μm的第二梯度过渡层；
S6、制备碳化钨层：维持步骤S5中碳化钨磁控靶的功率密度和氩气流量及偏压，在第二梯度过渡层表面制备厚度为0.4μm的碳化钨层；
S7、制备第三梯度过渡层：线性地降低碳化钨靶的功率密度至零，当靶功率密度降到零时，关闭该磁控溅射碳化钨靶电源后线性地增加真空室内乙炔的流量，直至真空室压强保持为10Pa，在碳化钨层表面制备厚度为0.2μm的第三梯度过渡层；
S8、制备表面层：维持上述步骤S7结束时的碳源气体流量，调整直流脉冲偏压的峰值为800V，频率为1000KHz，占空比为80％，在沉积厚度为0.1μm时通入四甲基硅烷，流量为乙炔流量的1/30，获得沉积厚度为0.5μm的含硅类金刚石层；
S9、关闭所有电源及气源，炉内冷却40分钟后，出炉。
出炉后的显微试片硬度测试为3400HV0.025；采用MFT-4000划痕仪测试膜基结合力达到42N；采用150Kg洛氏压痕，按照DIN-VDI3198标准判定涂层结合力为HF2。
实施例3、一种被覆梯度类金刚石薄膜的模具
本实用新型实施例3所述被覆梯度类金刚石薄膜的模具，如图1所示，包括模具基体1，所述模具基体1为具有导柱形状的模具标准件，具体为T8A工具钢导柱，所述模具基体1的表面上设有梯度类金刚石薄膜，所述梯度类金刚石薄膜由下至上包括纯金属层2、第一梯度过渡层3、金属氮化物层4、第二梯度过渡层5、碳化钨层6、第三梯度过渡层7以及表面层8，所述第一梯度过渡层3是以从所述纯金属层2侧朝向所述金属氮化物层4侧连续地使该第一梯度过渡层3中氮的含有率变高的方式形成的层，所述第二梯度过渡层5是以从所述金属氮化物层4侧朝向所述碳化钨层侧连续地使该第二梯度过渡层5中氮的含有率变小且使该第二梯度过渡层5中碳化钨的含有率变高的方式形成的层，所述第三梯度过渡层7是以从所述碳化钨层6侧朝向所述表面层侧连续地使该第三梯度过渡层7中的所述碳化钨6的含有率变小且使该第三梯度过渡层7中碳的含有率变高的方式形成的层，所述表面层8为类金刚石层或含硅类金刚石层。
所述金属选自Cr。
本实用新型实施例3所述梯度类金刚石薄膜的模具的制备方法是：
S1、离子源轰击清洗T8A工具钢导柱表面：将T8A工具钢导柱置于真空室中，使真空室的压强低于5×10-3Pa，开启加热装置，将T8A工具钢导柱加热至150℃；通入氩气，设置真空室压强为0.15Pa，束流电流为80A，T8A工具钢导柱施加直流偏压为300V，清洗30min后关闭直流偏压；
S2、制备纯金属层：调整磁控靶源的氩气流量，使真空室压强保持为0.8Pa；开启直流脉冲偏压模式，设置频率为40kHz，T8A工具钢导柱偏压为40V，占空比为60％，开启非平衡纯金属Cr磁控溅射源，磁控源功率密度为5W/cm2，在T8A工具钢导柱表面制备厚度为0.2μm的纯金属层；
S3、制备第一梯度过渡层：维持步骤S2中的磁控金属靶功率密度和偏压，在真空室内导入氮气，线性地增加氮气流量直到真空室压强比步骤S2提高0.2Pa，在纯金属表面制备厚度为0.3μm的第一梯度过渡层；
S4、制备金属氮化物层：维持步骤S2和步骤S3结束时的沉积参数，在所述第一梯度过渡层表面制备厚度为0.3μm的CrN层；
S5、制备第二梯度过渡层：将金属磁控靶功率密度和氮气通入量线性地降低到零后开启碳化钨磁控靶，使碳化钨磁控靶的功率从1W/cm2线性地增加到4W/cm2，在金属氮化物层表面制备厚度为0.4μm的第二梯度过渡层；
S6、制备碳化钨层：维持步骤S5中碳化钨磁控靶的功率密度和氩气流量及偏压，在第二梯度过渡层表面制备厚度为0.3μm的碳化钨层；
S7、制备第三梯度过渡层：线性地降低碳化钨靶的功率密度至零，当靶功率密度降到零时，关闭该磁控溅射碳化钨靶电源后线性地增加真空室内甲烷的流量，直至真空室压强保持为7Pa，在碳化钨层表面制备厚度为0.15μm的第三梯度过渡层；
S8、制备表面层：维持上述步骤S7结束时的碳源气体流量，调整直流脉冲偏压的峰值为750V，频率为400KHz，占空比为70％，在沉积厚度为0.1μm时通入四甲基硅烷，流量为甲烷流量的1/30，获得沉积厚度为0.4μm的含硅类金刚石层；
S9、关闭所有电源及气源，炉内冷却40分钟后，出炉。
出炉后的显微试片硬度测试为3200HV0.025；采用MFT-4000划痕仪测试膜基结合力达到49N；采用150Kg洛氏压痕，按照DIN-VDI3198标准判定涂层结合力为HF1，表面膜基附着力高。
Claims (10)
1.一种被覆梯度类金刚石薄膜的模具，包括模具基体，其特征在于，所述模具基体的表面上设有梯度类金刚石薄膜，所述梯度类金刚石薄膜由下至上包括纯金属层、第一梯度过渡层、金属氮化物层、第二梯度过渡层、碳化钨层、第三梯度过渡层以及表面层，所述表面层为类金刚石层或含硅类金刚石层。
2.如权利要求1所述的被覆梯度类金刚石薄膜的模具，其特征在于，所述模具基体为顶针、导柱或司筒。
3.如权利要求1所述的被覆梯度类金刚石薄膜的模具，其特征在于，所述纯金属层的厚度为0.1-0.3μm。
4.如权利要求1所述的被覆梯度类金刚石薄膜的模具，其特征在于，所述金属选自Cr、Ti、Ta和Nb中的一种。
5.如权利要求1所述的被覆梯度类金刚石薄膜的模具，其特征在于，所述第一梯度过渡层的厚度为0.2-0.4μm。
6.如权利要求1所述的被覆梯度类金刚石薄膜的模具，其特征在于，所述金属氮化物为CrN、WN、TiN、TaN、NbN中的一种。
7.如权利要求1所述的被覆梯度类金刚石薄膜的模具，其特征在于，所述金属氮化物层的厚度为0.2-0.4μm。
8.如权利要求1所述的被覆梯度类金刚石薄膜的模具，其特征在于，所述第二梯度过渡层的厚度为0.3-0.5μm。
9.如权利要求1所述的被覆梯度类金刚石薄膜的模具，其特征在于，所述碳化钨层的厚度为0.2-0.4μm，所述第三梯度过渡层的厚度为0.1-0.2μm。
10.如权利要求1所述的被覆梯度类金刚石薄膜的模具，其特征在于，所述类金刚石层的厚度为0.3-0.5μm；所述含硅类金刚石层的厚度为0.3-0.5μm。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117062714A (zh) * | 2021-11-04 | 2023-11-14 | 许克莱茵有限公司 | 用于制造压制板的压制模具和方法 |
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2016
- 2016-10-27 CN CN201621179764.2U patent/CN206089795U/zh active Active
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |