(一)技术领域
本发明涉及一种新型PVD五元涂层,用来改善刀具、模具表面硬度、表 面热稳定性和耐冲击磨损性能,大幅提高刀具、模具的使用寿命;改 善模具表面的脱模性能,提高塑料件产品成型精度,即一种含有CrNi TiAlN五元涂层的制品及制备方法。该方法与同类制备方法比,成本较 低。
(二)背景技术
随着汽车工业的迅速发展,汽车配套零件的需求量大幅度增加。其中 ,工件的质量、产量和生产成本往往取决于模具的质量及有效使用寿 命。然而在极其恶劣的工况条件下,模具钢经常发生早期表面失效。 为防止模具发生早期失效,延长模具的使用寿命,最经济最有效的方 式就是对模具进行表面处理。PVD磁控溅射涂层能有效改善基体的硬度 、抗磨减摩等表面性能。其中,CrTiAlN四元复合涂层以其优异的机械 性能得到了国内外科研工作者的广泛关注。CrTiAlN四元复合涂层比目 前应用最广泛的TiN和CrN有更好的硬度、膜/基结合强度。CrTiAlN涂 层在钻头、车刀等工具上的应用已经得到广泛认可,但对于模具,该 涂层的应用却受到了限制。这主要是因为模具钢的工作环境极其恶劣 ,而CrTiAlN涂层自身性能也存在较大的缺陷,例如其韧性较差,在冲 击载荷下易于开裂、剥落。为进一步优化涂层综合性能和提高膜基结 合强度,本发明在CrTiAlN涂层的基础上引入Ni元素,旨在开发一种新 型五元CrNiTiAlN涂层。
(三)发明内容
本发明目的是提供一种含有CrNiTiAlN五元涂层的制品及制备方法,进 一步提高CrTiAlN复合涂层的膜基结合强度,控制每一层组织晶粒的 大小在纳米尺度范围内且均匀;每一层的层厚度也在纳米尺度范围内 ;涂层组织空隙率低,组织致密,使涂层具有最佳的硬度/韧性组合, 优化涂层的耐冲击磨损性能、减摩性能和表面热稳定性,提高模具的 脱模性能。 本发明采用的技术方案是:
一种含有CrNiTiAlN五元涂层的制品,所述制品以Cr层为底层,以NiC rN层为过渡层,在NiCrN层上沉积厚度为若干层的(NiCrN-CrN-AlN-T iN)复合涂层,使复合涂层的厚度达到2~5μm。通常在NiCrN过渡层上 沉积NiCrN-CrN-AlN-TiN复合涂层2~2.5h能使复合涂层的厚度达到2~5 μm。
一种所述含有CrNiTiAlN五元复合涂层的制品的制备方法,所述方法为 :1)预处理:将制品基件在碱性溶液中超声清洗5~10min,再在丙酮 中超声清洗6~9min,最后在无水乙醇中超声清洗4~8min,获得预处理 后的制品基件;(2)采用非平衡磁控溅射法,将Cr层在Cr靶电流3~5 A,基体偏压为-80~-120V条件下沉积到预处理后的制品基件上作为底 层;(3)通氮气,在NiCr合金靶电流5~7A,基体偏压为-40~-80V的条 件下,在底层上沉积NiCrN层作为过渡层;(4)最后制备NiCrN-CrN- AlN-TiN复合涂层,通氮气,在 Cr靶电流5-7A,NiCr合金靶电流4-6 A,Ti靶电流5-7A ,Al靶电流5-7A,基体偏压均为-50~-80V条件下, 将NiCrN-CrN-AlN-TiN复合涂层沉积到过渡层上,使NiCrN-CrN-AlN-T iN复合涂层厚度为2~5μm,制成含有CrNiTiAlN五元涂层的制品。
进一步,步骤(1)所述方法为:将制品基件在10g/L氢氧化钠水溶液 中超声清洗8min,再在丙酮中超声清洗9min,最后在无水乙醇中超声 清洗8min后,获得预处理后的制品基件。
进一步,步骤(1)所述预处理过程还包括将基件在无水乙醇中超声清 洗4~8min后,再进行渗氮处理或碳氮共渗处理。所述渗氮处理或碳氮 共渗处理是本领域技术人员公知的方法,通常渗氮处理是指将模具钢 在渗氮炉中570℃下渗氮处理8个小时;碳氮共渗处理是指向钢的表层 同时渗入碳和氮的过程。
进一步,步骤(2)采用非平衡磁控溅射法将Cr层沉积到预处理后的制 品基件上作为底层,沉积条件为:Cr靶电流4A,基体偏压为-100V。
进一步,步骤(3)将NiCrN层沉积到底层上作为过渡层,沉积条件为 :通氮气,NiCr合金靶电流6A,基体偏压为-65V。
进一步,步骤(4)将NiCrN-CrN-AlN-TiN复合涂层沉积到NiCrN过渡层 上制成NiCrN-CrN-AlN-TiN五元复合涂层厚度为2~5μm的制品,沉积条 件为:在 Cr靶电流6A,NiCr合金靶电流5A,Ti靶电流6A ,Al靶电 流6A,基体偏压均为-65V。
本发明设计制备多层纳米梯度涂层,以提高涂层的膜基结合强度,在 CrTiAlN复合涂层的基础上加入Ni元素,Ni元素能在很大程度上改善涂 层韧性和热稳定性,并能减小模具与液态塑料的润湿程度;在镀膜前 增加渗氮工艺或进行碳氮共渗处理。工件在炉内运行状态为两轴转动 ,即围绕主轴公转,同时也完成自转。
本发明所述Cr靶、Ti靶、NiCr合金靶、Al靶均为纯金属,推荐购自英 国梯尔镀层公司。
与现有技术相比,本发明的有益效果主要体现在:
(1)本发明采用多层梯度设计和镀膜前的渗氮工艺大大提高了涂层的 膜基结合强度,本发明制备的梯度涂层在划痕试验中的临界载荷高达 68N(一般膜基结合强度在45N左右),相对高于其它方法和工艺制备 的相关镀层;
(2)由于弥散富Ni区的存在,涂层中弥散强化和应力强化作用增强通 过调节NiCr合金靶的电流,(NiCrN-CrN-AlN-TiN)复合涂层五元涂层 的硬度可达到2880HV;
(3)Ni元素在很大程度上改善了涂层的韧性和提高表明的热稳定性, 通过控制制备工艺可以获得最优的硬度/韧性组合,Ni的存在使涂层晶 粒细化,孔隙率降低,致密性变好;
(4)(NiCrN-CrN-AlN-TiN)复合涂层大幅提高了模具和刀具表面的 抗冲击耐磨减摩性能和热稳定性,摩擦系数和磨损失重率都大幅降低 ;
(5)(NiCrN-CrN-AlN-TiN)新型复合五元涂层大大提高了模具钢对 有机溶剂的润湿角,表明该涂层可大幅改善模具的脱模性能。
(四)附图说明
图1本发明制备的涂层结构示意图。
图2 靶材分布与样品架放置示意图。
图3 Teer-UDP850/4型磁控溅射仪照片。
图4 含CrNiTiAlN五元涂层制品的扫描电镜图。
图5 含CrNiTiAlN五元涂层制品表面有机溶剂的润湿角。
图6 不含涂层制品表面有机溶剂的润湿角。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述,但本发明的保护范围 并不仅限于此:
选用英国梯尔镀层公司制造的Teer-UDP850/4型闭合场非平衡磁控溅射 离子镀设备(Teer-UDP850/4 closed-filed unbalanced magnetr on sputtering ion plating coater)来制备本发明所述含CrNi TiAlN五元涂层的制品,该设备由真空系统、电源系统、控制系统、冷 却系统四部分组成,照片见图3所示。
真空系统为两级真空,前级采用机械泵粗抽,后级采用扩散泵精抽。 如图2所示,真空壁上安装有四块靶材(一个Cr靶、一个Ti靶、一个N iCr合金靶、一个Al靶,均购自英国梯尔镀层公司)。
实施例1
(1)基件预处理:以H13模具钢为制品基件,将制品基件在10 g/L氢 氧化钠水溶液中超声清洗8min,再在丙酮中超声清洗9min,最后在无 水乙醇中超声清洗8min,获得预处理后的制品基件。
(2)采用Teer-UDP850/4型闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备沉积( NiCrN-CrN-AlN-TiN)复合涂层(涂层结构示意图见图1所示)的主要 步骤如下:
1)开机预热,通冷却水,打开机械泵抽真空至4.0×10-4Pa,并将真空 室加热至100℃;
2)通入氩气,调节气瓶阀门和流量计,调整真空室内气压使靶材起辉 ;
3)离子清洗:使基体旋转,调节基体偏压至-400V,用Ar+清洗基体表 面20min,去除表面杂质,为正式镀膜做准备;
4)沉积金属Cr打底:开启Cr靶,靶电流为4A,调整基体偏压为-100V ,沉积一层Cr,作为底层,以提高涂层与基体的结合强度;
5)沉积NiCrN过渡层:将NiCr合金靶电流增至6 A,基体偏压-65V, 打开氮气阀门,沉积一层NiCrN,作为过渡层,以进一步增强涂层与基 体的结合强度;
6)沉积(NiCrN-CrN-AlN-TiN)复合涂层:四靶(一个Cr靶、一个Ti 靶、一个NiCr合金靶、一个Al靶)按图2所示方式排列,全部开启,通 氮气,Cr靶电流6A,NiCr合金靶电流5A,Ti靶电流6A ,Al靶电流6A ,基体偏压均为-65V。
7)镀膜完毕:冷却30分钟后,充氩气,开炉,取样,制品中NiCrN-C rN-AlN-TiN复合涂层厚度为3μm,即获得含有CrNiTiAlN五元涂层的制 品,并将含有CrNiTiAlN五元涂层的制品作为试样进行性能测试。具体 的工艺参数见表1所示。
表1 CrNiTiAlN五元涂层的制备工艺参数
采用HMV-1T型显微硬度计,测定10g载荷下的显微硬度值,保载时间为 10s。为了减小误差每个试样测量显微硬度值五次,取五次的算术平均 值作为该试样的硬度值。涂层的显微硬度值可达到2660HV。
采用CQY-18型球痕仪测量计算涂层的厚度为3μm;采用WS-2004型涂层 附着力划痕仪表征涂层的膜基结合强度,划痕试验中的临界载荷为58 N。
本发明制备的CrNiTiAlN五元涂层具有合理的成分梯度结构,涂层的结 构设计如图1所示:由于Cr和钢基体有着公认良好的附着力,所以首先 用Cr打底,然后其上用NiCrN过渡,最后沉积具有纳米多层结构的(N iCrN-CrN-AlN-TiN)薄膜。这种连续平滑过渡的膜层成分可以使膜层 的物理、化学性能和组织结构逐渐连续过渡,缓解界面处的应力状况 ,从而能很大程度上提高薄膜的综合性能。
实施例2
将预处理后的H13模具钢在渗氮炉中570℃下渗氮处理8个小时,然后采 用Teer-UDP850/4型闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备制备NiCrN三元 涂层。其他操作及方法同实施例1,制品中NiCrN-CrN复合涂层厚度为 3μm,即获得含有NiCrN三元涂层的制品。
采用捷克TESCAN公司生产的VEGA-3-S型扫描电子显微镜对试样表面形 貌进行观察,结果见图4,显示了CrNiTiAlN涂层表面纳米晶形貌。
采用HMV-1T型显微硬度计,测定10g载荷下的显微硬度值,保载时间为 10s。为了减小误差每个试样测量显微硬度值五次,取五次的算术平均 值作为该试样的硬度值。涂层的显微硬度值可达到2880HV。
采用CQY-18型球痕仪测量计算涂层的厚度为3μm;采用WS-2004型涂层 附着力划痕仪表征涂层的膜基结合强度,划痕试验中的临界载荷为68 N。
采用德国德菲QCA35型接触角测量仪测量了模具钢表面CrNiTiAlN五元 涂层有机溶剂润湿角为108.8度(图5所示),而无涂层模具表面有机 溶剂的润湿角78.3度(图6所示),表明该涂层可大幅改善模具的脱模 性能。