TWI414614B - 鍍膜件及其製備方法 - Google Patents

Description

鍍膜件及其製備方法

本發明涉及一種鍍膜件及其製備方法。

過渡金屬氮化物、碳化物和碳氮化物具有高硬度、高抗磨損性能和良好的化學穩定性等優異性能。因此，通常將過渡金屬氮化物、碳化物和碳氮化物以薄膜的形式鍍覆在刀具或模具表面，以此來提高刀具和模具的使用壽命。

然，此類鍍膜件的製備過程中，由於硬質膜層與基體間的熱膨脹係數相差較大，且不同組分的膜層的成份和結構有明顯的變化，膜層間存在不可避免的熱應力，晶格匹配帶來的內應力，這些應力在薄膜製備完成後往往不能消除，因而膜層與基體結合力較差，薄膜在使用過程中容易發生剝離，從而影響了此類鍍膜件的使用壽命及其應用範圍。

有鑒於此，有必要提供一種有效解決上述問題的鍍膜件。

另外，還有必要提供一種製備上述鍍膜件的方法。

一種鍍膜件，其包括基體、形成於基體表面的打底層、形成於打底層表面的梯度膜層及形成於梯度膜層表面的硬質層，該打底層 為Ni-Cr合金層，該梯度膜層為Ni-CrC層，所述梯度膜層中C原子的含量由靠近打底層至遠離打底層的方向呈梯度增加，該硬質層為Hf-C層，所述硬質層用以提高鍍膜件的硬度，所述梯度膜層用以提高打底層與硬質層之間的結合力。

一種鍍膜件的製備方法，其包括如下步驟：提供基體；在基體表面形成打底層，該打底層為Ni-Cr合金層；在打底層的表面形成梯度膜層，該梯度膜層為Ni-CrC層，所述梯度膜層中C原子的含量由靠近打底層至遠離打底層的方向呈梯度增加；在梯度膜層的表面形成硬質層，該硬質層為Hf-C層，所述硬質層用以提高鍍膜件的硬度，所述梯度膜層用以提高打底層與硬質層之間的結合力。

本發明鍍膜件在基體的表面沉積Ni-Cr合金層作為打底層，再在打底層的表面沉積Ni-CrC層作為梯度膜層，再在梯度膜層的表面沉積Hf-C層作為硬質層，膜系逐層過渡較好，膜層之間的結合力較好且膜層內部沒有明顯的應力產生，這樣在施加外力的情況下，所鍍的膜層不會因為結合力不佳和/或內部的應力缺陷導致失效，有效地提高了鍍膜件的使用壽命，且使鍍膜件具有較高的硬度。

10‧‧‧鍍膜件

11‧‧‧基體

13‧‧‧打底層

15‧‧‧梯度膜層

17‧‧‧硬質層

圖1為本發明一較佳實施例鍍膜件的剖視圖。

請參閱圖1，本發明一較佳實施方式鍍膜件10包括基體11、形成於基體11表面的打底層13、形成於打底層13表面的梯度膜層15及形成於梯度膜層15表面的硬質層17。

該基體11為含有Ni、Cr中至少一種元素的不銹鋼。

該打底層13可以磁控濺射的方式形成。該打底層13為Ni-Cr合金層。該打底層13的厚度可為100~300nm。

該梯度膜層15可以磁控濺射的方式形成。該梯度膜層15為Ni-CrC層。所述梯度膜層15中C原子的含量由靠近打底層13至遠離打底層13的方向呈梯度增加。該梯度膜層15的厚度可為400~500nm。

該硬質層17可以磁控濺射的方式形成。該硬質層17為碳化鉿(Hf-C)層。該硬質層17的厚度可為500~800nm。

所述打底層13、梯度膜層15和硬質層17的總厚度為1~2μm。

本發明一較佳實施方式的鍍膜件10的製備方法，其包括以下步驟： 提供基體11，將基體11放入盛裝有無水乙醇或丙酮溶液的超聲波清洗器中進行震動清洗，以除去基體11表面的雜質和油污。清洗完畢後烘乾備用。

對經上述處理後的基體11的表面進行電漿清洗，以進一步去除基體11表面的油污，以及改善基體11表面與後續塗層的結合力。該電漿清洗的具體操作及工藝參數為：採用一磁控濺射鍍膜機(圖 未示)，將基體11固定於該鍍膜機的鍍膜室內的轉架上，抽真空所述鍍膜室至真空度為3.0×10^-3Pa，以400~600sccm(標準狀態毫升/分鐘)的流量向鍍膜室內通入純度為99.999%的氬氣，並施加-500~-800V的偏壓於基體11，對基體11表面進行電漿清洗，清洗時間為3~10min。

在對基體11進行電漿清洗後，在所述鍍膜機中採用磁控濺射鍍膜法於基體11表面沉積所述打底層13。該打底層13為NiCr層。形成所述打底層13的具體操作及工藝參數如下：以氬氣為工作氣體，調節氬氣的流量為200~400sccm，加熱鍍膜室至100~200℃(即鍍膜溫度為100~200℃)，開啟安裝於所述鍍膜室內的一Ni-Cr合金靶的電源，設置該Ni-Cr合金靶的電源功率為2~5kw，對基體11施加-100~-300V的偏壓，沉積所述打底層13。沉積該打底層13的時間為20~60min。其中，所述Ni-Cr合金靶中Ni的質量百分含量為20~80%。

於所述打底層13上沉積所述梯度膜層15。該梯度膜層15為Ni-CrC層。所述梯度膜層15中C原子的含量由靠近打底層13至遠離打底層13的方向呈梯度增加。形成所述梯度膜層15的具體操作及工藝參數如下：以氬氣為工作氣體，調節氬氣流量至300~500sccm，再向鍍膜室中通入初始流量為20~40sccm的純度為99.8%的反應氣體乙炔；設置所述Ni-Cr合金靶的電源功率為2~5kw，保持所述鍍膜溫度及對基體11施加的偏壓不變，沉積梯度膜層15。在沉積梯度膜層15的過程中，每沉積2~5min將乙炔的流量增大15~20sccm，當乙炔的流量到達300sccm時，停止增大乙炔流量。沉積該梯 度膜層15的時間為20~60min。

關閉所述Ni-Cr合金靶靶材的電源，開啟已安裝於鍍膜室內的鉿(Hf)靶的電源，設置其功率為2~5kw，以氬氣為工作氣體，調節氬氣的流量為300~500sccm，以乙炔為反應氣體，設置其流量為30~200sccm，保持施加於基體11的偏壓不變及鍍膜溫度不變，於所述梯度膜層15上沉積Hf-C的硬質層17。沉積該硬質層17的時間為30~120min。其中，所述鉿靶的純度約為99%。

關閉負偏壓及鉿靶的電源，停止通入氬氣及乙炔，待所述硬質層17冷卻後，向鍍膜內通入空氣，打開鍍膜室門，取出鍍覆有打底層13、梯度膜層15及硬質層17的基體11。

本發明較佳實施方式鍍膜件10在基體11的表面沉積Ni-Cr合金層作為打底層13，再在打底層13的表面沉積Ni-CrC層作為梯度膜層15，再在梯度膜層15的表面沉積Hf-C層作為硬質層17，膜系逐層過渡較好，膜層之間的結合力較好且膜層內部沒有明顯的應力產生，這樣在施加外力的情況下，所鍍的膜層不會因為結合力不佳和/或內部的應力缺陷導致失效，有效地提高了鍍膜件10的使用壽命，且使鍍膜件10具有較高的硬度。

10‧‧‧鍍膜件

11‧‧‧基體

13‧‧‧打底層

15‧‧‧梯度膜層

17‧‧‧硬質層

Claims (9)

1. 一種鍍膜件，其包括基體、形成於基體表面的打底層、形成於打底層表面的梯度膜層及形成於梯度膜層表面的硬質層，其改良在於：該打底層為Ni-Cr合金層，該梯度膜層為Ni-CrC層，所述梯度膜層中C原子的含量由靠近打底層至遠離打底層的方向呈梯度增加，該硬質層為Hf-C層，所述硬質層用以提高鍍膜件的硬度，所述梯度膜層用以提高打底層與硬質層之間的結合力。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鍍膜件，其中所述打底層、梯度膜層及硬質層分別藉由磁控濺射鍍膜法形成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之鍍膜件，其中所述打底層的厚度為100~300nm，所述梯度膜層的厚度為400~500nm，所述硬質層的厚度為500~800nm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之鍍膜件，其中所述基體為含有Ni、Cr中至少一種元素的不銹鋼。
5. 一種鍍膜件的製備方法，其包括如下步驟：提供基體；在基體表面形成打底層，該打底層為Ni-Cr合金層；在打底層的表面形成梯度膜層，該梯度膜層為Ni-CrC層，所述梯度膜層中C原子的含量由靠近打底層至遠離打底層的方向呈梯度增加；在梯度膜層的表面形成硬質層，該硬質層為Hf-C層，所述硬質層用以提高鍍膜件的硬度，所述梯度膜層用以提高打底層與硬質層 之間的結合力。
6. 如申請專利範圍第5項所述之鍍膜件的製備方法，其中所述形成打底層的步驟採用如下方式實現：採用磁控濺射法，使用Ni-Cr合金靶，Ni-Cr合金靶的電源功率為2~5kw，以氬氣為工作氣體，氬氣流量為200~400sccm，施加於基體的偏壓為-100~-300V，加熱使基體的溫度為100~200℃，鍍膜時間為20~60min。
7. 如申請專利範圍第5項所述之鍍膜件的製備方法，其中所述形成梯度膜層的步驟採用如下方式實現：採用磁控濺射法，使用Ni-Cr合金靶，Ni-Cr合金靶的電源功率為2~5kw；以氬氣為工作氣體，氬氣流量為300~500sccm，以乙炔為反應氣體，設置乙炔氣體的初始流量為20~40sccm，在沉積梯度膜層的過程中，每沉積2~5min將乙炔的流量增大15~20sccm，當乙炔的流量到達300sccm時，停止增大乙炔流量；施加於基體的偏壓為-100~-300V，基體的溫度為100~200℃，鍍膜時間為20~60min。
8. 如申請專利範圍第6或7項所述之鍍膜件的製備方法，其中所述Ni-Cr合金靶中Ni的質量百分含量為20~80%。
9. 如申請專利範圍第5項所述之鍍膜件的製備方法，其中所述形成硬質層的步驟採用如下方式實現：採用磁控濺射法，使用鉿靶，以乙炔為反應氣體，乙炔流量為30~200sccm，以氬氣為工作氣體，氬氣流量為300~500sccm，施加於基體的偏壓為-100~-300V，基體的溫度為100~200℃，鍍膜時間為30~120min。