TWI490351B - 鍍膜件及其製備方法 - Google Patents

Description

鍍膜件及其製備方法

本發明係涉及一種鍍膜件及其製備方法。

模具鋼可廣泛用於鍛造、沖壓、切型、壓鑄等工藝，由於模具的工作條件苛刻，在高溫下使用時，表面很容易被氧化，形成的不均勻氧化層不僅會降低產品的表面品質，而且模具鋼在重複使用的過程中，形成的氧化物鏽皮易剝落，暴露的基體在高溫下將會繼續被腐蝕。因此要求模具鋼具有抗高溫氧化的性能。

物理氣相沉積製備各種塗層已成功地應用於工業。過渡金屬氮化物和碳化物塗層由於具有較高的硬度、良好的化學穩定性，係各類模具鋼表面強化薄膜中的首選材料。但它們同時具有高脆性、高殘餘應力、與基體結合力差等缺陷；且當應用溫度較高時，該類膜層容易被氧化而失去功效，導致鍍膜件使用壽命縮短；且該類膜層通常不具有潤滑效果，不利於成型產品的順利脫模。

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、直接形成於打底層表面的氮氧化鉻層及直接形成於氮氧化鉻層表面的氮化 矽層。

一種鍍膜件的製備方法，其包括如下步驟：提供一基體；在基體表面形成打底層；在打底層的表面直接形成氮氧化鉻層；在氮氧化鉻層的表面直接形成氮化矽層。

本發明鍍膜件在基體的表面沉積打底層，再在打底層的表面沉積氮氧化鉻層，再在氮氧化鉻層的表面沉積氮化矽層，膜系逐層過渡較好，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內部的應力缺陷導致失效；所述氮氧化鉻層和所述氮化矽層膜層緻密，可有效防止外界的氧氣朝膜層內擴散，藉由所述氮氧化鉻層和氮化矽層的共同作用，可保護基體在高溫時仍不被氧化；同時所述氮化矽層具有較高的硬度和耐磨性，可有效提高鍍膜件的使用壽命；且使用過程中所述氮化矽層不會與鋁合金熔體發生粘連，可使鋁合金產品順利脫模。

10‧‧‧鍍膜件

11‧‧‧基體

13‧‧‧打底層

15‧‧‧氮氧化鉻層

17‧‧‧氮化矽層

20‧‧‧真空鍍膜機

21‧‧‧鍍膜室

23‧‧‧鉻靶

24‧‧‧矽靶

25‧‧‧軌跡

30‧‧‧真空泵

圖1為本發明一較佳實施例鍍膜件的剖視圖；圖2為本發明一較佳實施例真空鍍膜機的示意圖。

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖與實施例對本發明進行進一步詳細說明。

請參閱圖1，本發明一較佳實施方式的鍍膜件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表面的氮氧化鉻(CrON)層15及形成於氮氧化鉻層15表面的氮化矽(SiN)層17。

該基體11的材質可為不銹鋼或模具鋼。該基體11可為用以澆注鋁合金製品的模具。

該打底層13可以磁控濺射的方式形成。該打底層13為金屬鉻(Cr)層。該打底層13的厚度可為0.1~0.2μm。

該氮氧化鉻層15可以磁控濺射的方式形成。該氮氧化鉻層15的厚度可為0.5~1.5μm。

該氮化矽層17可以磁控濺射的方式形成。所述氮化矽層17與鋁合金熔體潤濕性差，不會與鋁合金熔體發生粘滯，可使鋁合金成型產品順利脫模。該氮化矽層17的厚度可為0.5~1.0μm。

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：

(a)提供一基體11，該基體11的材質可為不銹鋼或模具鋼。該基體11可為用以澆注鋁合金製品的模具。

(b)將基體11放入無水乙醇中進行超聲波清洗，以去除基體11表面的污漬，清洗時間可為20~40min。

(c)對經上述處理後的基體11的表面進行氬氣電漿清洗，以進一步去除基體11表面的油污，以及改善基體11表面與後續鍍層的結合力。結合參閱圖2，提供一真空鍍膜機20，該真空鍍膜機20包括一鍍膜室21及連接於鍍膜室20的一真空泵30，真空泵30用以對鍍膜室21抽真空。該鍍膜室21內設有轉架(未圖示)、相對設置的 二鉻靶23和相對設置的二矽靶24。轉架帶動基體11沿圓形的軌跡25運行，且基體11在沿軌跡25運行時亦自轉。

該電漿清洗的具體操作及工藝參數可為：如圖2所示，將基體11固定於真空鍍膜機20的鍍膜室21的轉架上，將該鍍膜室21抽真空至3.0×10^-5Pa，然後向鍍膜室21內通入流量為500sccm(標準狀態毫升/分鐘)的氬氣(純度為99.999%)，並施加-200~-500V的偏壓於基體11，對基體11表面進行氬氣電漿清洗，清洗時間為3~10min。

(d)採用磁控濺射法在經氬氣電漿清洗後的基體11上濺鍍一打底層13，該打底層13為金屬鉻層。濺鍍該打底層13在所述真空鍍膜機20中進行，抽真空使該鍍膜室21的本底真空度為8×10^-3Pa，加熱該鍍膜室21至溫度為100~150℃；開啟二鉻靶23，設置鉻靶23的功率為8~10kw，設定施加於基體11的偏壓為-150~-250V，佔空比為50%；通入工作氣體氬氣，氬氣的流量可為150~200sccm，鍍膜時間可為5~10min。該打底層13的厚度可為0.1~0.2μm。

(e)繼續採用磁控濺射法在所述打底層13的表面濺鍍一氮氧化鉻層15。濺鍍該氮氧化鉻層15時通入氧氣和氮氣為反應氣體，氧氣流量可為40~80sccm，氮氣流量可為30~60sccm，其他工藝參數與沉積所述打底層13的相同，鍍膜時間可為30~60min。該氮氧化鉻層15的厚度可為0.5~1.5μm。

(f)繼續採用磁控濺射法在所述氮氧化鉻層15的表面形成一氮化矽層17。關閉二鉻靶23，開啟二矽靶24，設置矽靶24的功率為4~6kw，設定施加於基體11的偏壓為-30~-50V，佔空比為50%；通入氮氣為反應氣體，氮氣流量可為60~120sccm，通入工作氣體 氬氣，氬氣的流量可為150~200sccm，鍍膜時間可為1~2h。該氮化矽層17的厚度可為0.5~1.0μm。

下面藉由實施例來對本發明進行具體說明。

實施例1

本實施例所使用的真空鍍膜機20為中頻磁控濺射鍍膜機，為深圳南方創新真空技術有限公司生產，型號為SM-1100H。

本實施例所使用的基體11的材質為316不銹鋼。

電漿清洗：氬氣流量為500sccm，基體11的偏壓為-500V，電漿清洗時間為10min。

濺鍍打底層13：氬氣流量為150sccm，鉻靶的功率為9kw，基體11的偏壓為-200V，佔空比為50%，濺鍍溫度為120℃，鍍膜時間為5min。該打底層13的厚度為0.1μm。

濺鍍氮氧化鉻層15：氧氣流量為80sccm，氮氣流量為60sccm，其他工藝參數與沉積所述打底層13的相同，鍍膜時間為30min，該氮氧化鉻層15的厚度為0.5μm。

濺鍍氮化矽層17：氬氣流量為150sccm，氮氣流量為120sccm，矽靶的功率為5kw，基體11的偏壓為-50V，鍍膜時間為60min，該氮化矽層17的厚度為0.5μm。

實施例2

本實施例所使用的真空鍍膜機20和基體11與實施例1中的相同。

電漿清洗：氬氣流量為500sccm，基體11的偏壓為-500V，電漿清 洗時間為10min。

濺鍍打底層13：氬氣流量為150sccm，鉻靶的功率為8kw，基體11的偏壓為-200V，濺鍍溫度為120℃，鍍膜時間可為10min。該打底層13的厚度為0.2μm。

濺鍍氮氧化鉻層15：氧氣流量為40sccm，氮氣流量為30sccm，其他工藝參數與沉積所述打底層13的相同，鍍膜時間為60min。該氮氧化鉻層15的厚度為1.0μm。

濺鍍氮化矽層17：氬氣流量為150sccm，氮氣流量為80sccm，矽靶的功率為5kw，基體11的偏壓為-50V，鍍膜時間為90min，該氮化矽層17的厚度為0.8μm。

將上述製得的鍍膜件10進行高溫抗氧化測試和耐磨性測試，具體測試方法及結果如下：

(1)高溫抗氧化測試

採用測試儀器為管式熱處理爐，測試條件為：升溫速率為10℃/min，熱處理溫度為800℃，保溫時間為10h。

測試結果顯示，由本發明實施例1和實施例2所製備的鍍膜件10經800℃熱處理10h後均未見氧化、脫落等不良。

(2)耐磨性測試

採用線性耐磨耗測試儀，測試條件為：載荷為1kg，行程長度為2.0inch，磨耗速率為25次/min。

測試結果顯示，由本發明實施例1和2所製備的鍍膜件10經磨耗15次均未見脫落。

本發明較佳實施方式鍍膜件10在基體11的表面沉積打底層13，再在打底層13的表面沉積氮氧化鉻層15，再在氮氧化鉻層15的表面沉積氮化矽層17，膜系逐層過渡較好，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內部的應力缺陷導致失效；所述氮氧化鉻層15和所述氮化矽層17膜層緻密，可有效防止外界的氧氣朝膜層內擴散，藉由所述氮氧化鉻層15和氮化矽層17的共同作用，可保護基體11在高溫時仍不被氧化；同時所述氮化矽層17具有較高的硬度和耐磨性，可有效提高鍍膜件10的使用壽命；且使用過程中所述氮化矽層17不會與鋁合金熔體發生粘連，可使鋁合金產品順利脫模。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，舉凡熟悉本案技藝之人士，於爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍內。

10‧‧‧鍍膜件

11‧‧‧基體

13‧‧‧打底層

15‧‧‧氮氧化鉻層

17‧‧‧氮化矽層

Claims (10)

1. 一種鍍膜件，其包括基體及形成於基體表面的打底層，其改良在於：該鍍膜件還包括直接形成於打底層表面的氮氧化鉻層及直接形成於氮氧化鉻層表面的氮化矽層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鍍膜件，其中所述基體的材質為不銹鋼或模具鋼。
3. 如申請專利範圍第1項所述之鍍膜件，其中所述打底層為鉻層。
4. 如申請專利範圍第1項所述之鍍膜件，其中述打底層以磁控濺射的方式形成，該打底層的厚度為0.1~0.2μm。
5. 如申請專利範圍第1項所述之鍍膜件，其中所述氮氧化鉻層以磁控濺射的方式形成，該氮氧化鉻層的厚度為0.5~1.5μm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之鍍膜件，其中所述氮化矽層以磁控濺射的方式形成，該氮化矽層的厚度為0.5~1.0μm。
7. 一種鍍膜件的製備方法，其包括如下步驟：提供一基體；在基體表面形成打底層；在打底層的表面直接形成氮氧化鉻層；在氮氧化鉻層的表面直接形成氮化矽層。
8. 如申請專利範圍第7項所述之鍍膜件的製備方法，其中所述打底層為鉻層，形成打底層的步驟採用如下方式實現：採用磁控濺射法，本底真空度為8×10^-3Pa，使用金屬鉻靶，鉻靶的功率為8~10kw，以氬氣為工作氣體，氬氣流量為150~200sccm，基體偏壓為-150~-250V，佔空比為50%，鍍膜溫度為100~150℃，鍍膜時間為5~10min。
9. 如申請專利範圍第7項所述之鍍膜件的製備方法，其中所述形成氮氧化鉻層的步驟採用如下方式實現：採用磁控濺射法，使用金屬鉻靶，鉻靶的功率為8~10kw，以氧氣和氮氣為反應氣體，氧氣流量為40~80sccm，氮氣流量為30~60sccm，以氬氣為工作氣體，氬氣流量為150~200sccm，基體偏壓為-150~-250V，佔空比為50%，基體的溫度為100~150℃，鍍膜時間為30~60min。
10. 如申請專利範圍第7項所述之鍍膜件的製備方法，其中所述形成氮化矽層的步驟採用如下方式實現：採用磁控濺射法，使用矽靶，矽靶的功率為4~6kw，以氮氣為反應氣體，氮氣流量為60~120sccm，以氬氣為工作氣體，氬氣流量為150~200sccm，基體的偏壓為-30~-50V，佔空比為50%，鍍膜溫度為100~150℃，鍍膜時間為1~2h。