專利名稱：一種含有NiCrN三元涂層的制品及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種新型PVD三元涂層，用來改善刀具、模具表面硬度、表面熱穩(wěn)定性和耐沖擊磨損性能，大幅提高刀具、模具的使用壽命；改善模具表面的脫模性能，提高塑料件產(chǎn)品成型精度，即ー種含有NiCrN三元復(fù)合涂層的制品及制備方法。
(ニ)
背景技術(shù)：
隨著汽車エ業(yè)的迅速發(fā)展，汽車配套零件的需求量大幅度增加。其中，エ件的質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)成本往往取決于模具的質(zhì)量及有效使用壽命。然而在極其惡劣的エ況條件下，模具鋼經(jīng)常發(fā)生早期表面失效。為防止模具發(fā)生早期失效，延長模具的使用壽命，最經(jīng)濟(jì)最有效的方式就是對模具進(jìn)行表面處理。PVD磁控濺射涂層能有效改善基體的硬度、抗磨減摩等表面性能。其中，CrTiN三元復(fù)合涂層以其優(yōu)異的機(jī)械性能得到了國內(nèi)外科研エ作者的廣泛關(guān)注。CrTiN三元復(fù)合涂層比目前應(yīng)用最廣泛的TiN和CrN有更好的硬度、膜/基結(jié)合強(qiáng)度。CrTiN涂層在鉆頭、車刀等工具上的應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，但對于模具，該涂層的應(yīng)用卻受到了限制。這主要是因?yàn)榈毒吆湍＞咪摰墓ぷ鳝h(huán)境極其惡劣，而CrTiN涂層自身性能也存在較大的缺陷，例如其韌性較差，在沖擊載荷下易于開裂、剝落。為進(jìn)ー步優(yōu)化涂層綜合性能和提高膜基結(jié)合強(qiáng)度，本發(fā)明在CrTiN涂層的基礎(chǔ)上引入Ni元素，g在開發(fā)ー種新型NiCrN三元涂層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供ー種含有NiCrN三元涂層的制品及制備方法，進(jìn)ー步提高NiCrN復(fù)合涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度，控制每一層組織晶粒的大小在納米尺度范圍內(nèi)且均勻；每ー層的層厚度也在納米尺度范圍內(nèi)；涂層組織空隙率低，組織致密，使涂層具有最佳的硬度/韌性組合，優(yōu)化涂層的耐沖擊磨損性能、減摩性能和表面熱穩(wěn)定性，提高模具的脫模性倉^:。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 本發(fā)明提供ー種含有NiCrN三元涂層的制品，所述制品以Cr層為底層，以NiCrN層為過渡層，在NiCrN過渡層上沉積若干層NiCrN-CrN復(fù)合涂層使復(fù)合涂層的厚度達(dá)到2 5 u m。通常在NiCrN過渡層上沉積NiCrN-CrN復(fù)合涂層2 2. 5h能使復(fù)合涂層的厚度達(dá)至Ij 2 5 u m0本發(fā)明還提供一種所述含有NiCrN三元涂層制品的制備方法，所述方法為(1)預(yù)處理將制品基件在堿性溶液中超聲清洗5 10min，再在丙酮中超聲清洗6、min，最后在無水こ醇中超聲清洗rSmin，獲得預(yù)處理后的制品基件；(2)采用非平衡磁控濺射法，將Cr層在Cr靶電流3 5A，基體偏壓為-8(T-120V條件下沉積到預(yù)處理后的制品基件上作為底層；(3)通氮?dú)猓贜iCr合金靶電流5 7A，基體偏壓為-4(T_80V的條件下，在底層上沉積NiCrN層作為過渡層；(4)最后制備NiCrN-CrN復(fù)合涂層，通氮?dú)?，在Cr靶電流5-7A，基體偏壓為-5(T-80V，NiCr合金靶電流4 6A，基體偏壓為-5(T_80V條件下，將NiCrN-CrN復(fù)合涂層沉積到過渡層上使NiCrN-CrN復(fù)合涂層厚度為2 5 u m,即獲得含有NiCrN三元涂層的制品。進(jìn)ー步，步驟(I)所述方法為將制品基件在堿性溶液中超聲清洗8min，再在丙酮中超聲清洗9min，最后在無水こ醇中超聲清洗8min，獲得預(yù)處理后的制品基件；所述堿性溶液為10g/L堿性水溶液，所述堿性水溶液中堿性物質(zhì)為NaOH。進(jìn)ー步，步驟(I)所述預(yù)處理過程還包括將制品基件在無水こ醇中超聲清洗4 8min后,再進(jìn)行滲氮處理或碳氮共滲處理。滲氮處理或碳氮共滲處理是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方法，通常滲氮處理是指將模具鋼在滲氮爐中570°C下滲氮處理8個小時；碳氮共滲處理是指向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程。進(jìn)一歩，步驟(2)采用非平衡磁控濺射法將Cr層沉積到預(yù)處理后的制品基件上作為底層，沉積條件為Cr靶電流3飛A，基體偏壓為-100V。進(jìn)一歩，步驟(3)采用磁控濺射法將NiCrN層沉積到Cr底層上作為過渡層，沉積條件為通氮?dú)?，NiCr合金靶電流6A，基體偏壓為-65V。進(jìn)ー步,步驟(4)采用非平衡磁控派射法將NiCrN-CrN復(fù)合涂層沉積到NiCrN過渡層上制成含有(NiCrN-CrN)復(fù)合三元涂層的制品，沉積條件為在Cr靶電流6A，基體偏壓為-65V，NiCr合金靶電流5A，基體偏壓為-65V。其中(NiCrN-CrN)復(fù)合涂層沉積以過渡層的沉積基礎(chǔ)。本發(fā)明設(shè)計制備多 層納米梯度涂層，以提高涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度，在CrTiN復(fù)合涂層的基礎(chǔ)上用Ni元素替代Ti，Ni元素能在很大程度上改善涂層韌性和熱穩(wěn)定性，并能減小模具與液態(tài)塑料的潤濕程度；在鍍膜前增加滲氮エ藝或進(jìn)行碳氮共滲處理。エ件在爐內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)為兩軸轉(zhuǎn)動，即圍繞主軸公轉(zhuǎn)，同時也完成自轉(zhuǎn)。本發(fā)明所述Cr靶，NiCr合金靶均為高純金屬，推薦購自英國梯爾鍍層公司。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在(I)本發(fā)明采用多層梯度設(shè)計和鍍膜前的滲氮エ藝大大提高了涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度，本發(fā)明制備的梯度涂層在劃痕試驗(yàn)中的臨界載荷高達(dá)75N(—般膜基結(jié)合強(qiáng)度在45N左右)，遠(yuǎn)聞于其它方法和エ藝制備的相關(guān)鍛層；(2 )由于彌散富Ni區(qū)的存在，涂層中彌散強(qiáng)化和應(yīng)カ強(qiáng)化作用增強(qiáng)通過調(diào)節(jié)NiCr合金靶的電流，使含NiCrN三元涂層制品的硬度可達(dá)到2780HV ；(3) Ni元素在很大程度上改善了涂層的韌性，通過控制制備エ藝可以獲得最優(yōu)的硬度/韌性組合，Ni的存在使涂層晶粒細(xì)化，孔隙率降低，致密性變好；(4) NiCrN三元涂層大幅提高了模具和刀具表面的抗沖擊耐磨減摩性能和熱穩(wěn)定性,摩擦系數(shù)和磨損失重率都大幅降低；(5)NiCrN三元涂層大大提高了模具鋼對有機(jī)溶劑的潤濕角，表明該涂層可大幅改善模具的脫模性能。


圖1本發(fā)明制備的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。圖2靶材分布與樣品架放置示意圖。圖3 Teer-UDP850/4型磁控濺射儀照片。
圖4含NiCrN三元涂層制品表面的掃描電鏡圖。 圖5含NiCrN三元涂層制品有機(jī)溶劑的潤濕角。圖6無涂層制品表面有機(jī)溶劑的潤濕角。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此選用英國梯爾鍍層公司制造的Teer-UDP850/4型閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備(Teer_UDP850/4 closed-filed unbalanced magnetron sputtering ion platingcoater)來制備本發(fā)明所述含CrNiN三元涂層的制品，該設(shè)備由真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)四部分組成，照片見圖3所示。真空系統(tǒng)為兩級真空，前級采用機(jī)械泵粗抽，后級采用擴(kuò)散泵精抽。如圖2所示，真空壁上安裝有四塊靶材(2個Cr靶、2個NiCr合金靶，均購自英國梯爾鍍層公司)。實(shí)施例1( I)基件預(yù)處理以和H13模具鋼為制品基件，將制品基件在10 g/L氫氧化鈉水溶液中超聲清洗8min,再在丙酮中超聲清洗9min,最后在無水こ醇中超聲清洗8min,獲得預(yù)處理后的制品基件。(2)采用Teer-UDP850/4型閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備制備NiCrN三元涂層(涂層結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示)的主要步驟如下I)開機(jī)預(yù)熱，通冷卻水，打開機(jī)械泵抽真空至4. OX 10_4Pa，并將真空室加熱至IOO0C ；2)通入氬氣，調(diào)節(jié)氣瓶閥門和流量計，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓使靶材起輝；3)離子清洗使基體旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)基體偏壓至400V，用Ar+清洗基體表面20min，去除表面雜質(zhì)，為正式鍍膜做準(zhǔn)備；4)沉積金屬Cr打底開啟Cr靶，靶電流為4A，調(diào)整基體偏壓為-100V，沉積ー層Cr，作為底層，以提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度；5)沉積NiCrN過渡層將NiCr合金靶電流增至6 A，基體偏壓-65V，打開氮?dú)忾y門，沉積ー層NiCrN，作為過渡層，以進(jìn)ー步增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度；6)沉積(NiCrN-CrN)復(fù)合涂層四靶(2個Cr靶、2個NiCr合金靶)按圖2所示排列，全部開啟，通氮?dú)?，Cr靶電流均為6A，基體偏壓-65V，NiCr合金靶電流均為5A，基體偏壓-65V。7)鍍膜完畢冷卻30分鐘后，充氬氣，開爐，取樣，制品中NiCrN-CrN復(fù)合涂層厚度為3 ii m，即獲得含有NiCrN三元涂層的制品，并將含有NiCrN三元涂層的制品作為試樣進(jìn)行性能測試。具體的ェ藝參數(shù)見表I所示。表I CrNiN三元涂層的制備エ藝參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種含有NiCrN三元涂層的制品，其特征在于所述制品以Cr層為底層，以NiCrN層為過渡層，在NiCrN層上沉積厚度為2飛μ m的NiCrN-CrN復(fù)合涂層。
2.—種權(quán)利要求1所述含有NiCrN三元涂層制品的制備方法，其特征在于所述方法為O預(yù)處理將制品基件在堿性溶液中超聲清洗5 10min，再在丙酮中超聲清洗6、min，最后在無水乙醇中超聲清洗rSmin，獲得預(yù)處理后的制品基件；(2)采用非平衡磁控濺射法，將Cr層在Cr靶電流3 5A，基體偏壓為-8(T-120V條件下沉積到預(yù)處理后的制品基件上作為底層；(3)通氮?dú)?，在NiCr合金靶電流5 7A，基體偏壓為-4(T-80V的條件下，在底層上沉積NiCrN層作為過渡層；(4)通氮?dú)?，在Cr靶電流5 7A，基體偏壓為-5(T-80V，NiCr合金靶電流4飛A，基體偏壓為-5CT-80V，條件下，將NiCrN-CrN復(fù)合涂層沉積到過渡層上使NiCrN-CrN復(fù)合涂層厚度為2飛μ m,即獲得含有NiCrN三元涂層的制品。
3.如權(quán)利要求2所述含有NiCrN三元涂層制品的制備方法，其特征在于步驟(I)所述方法為將制品基件在堿性溶液中超聲清洗8min,再在丙酮中超聲清洗9min,最后在無水乙醇中超聲清洗8min，獲得預(yù)處理后的制品基件；所述堿性溶液為10g/L堿性水溶液，所述堿性水溶液中堿性物質(zhì)為NaOH。
4.如權(quán)利要求2或3所述含有NiCrN三元涂層制品的制備方法，其特征在于步驟(I)所述預(yù)處理過程還包括將基件在無水乙醇中超聲清洗rSmin后，再進(jìn)行滲氮處理或碳氮共滲處理。
5.如權(quán)利要求2所述含有NiCrN三元涂層制品的制備方法，其特征在于步驟(2)采用非平衡磁控濺射法將Cr層沉積到預(yù)處理后的制品基件上作為底層，沉積條件為Cr靶電流3 5A，基體偏壓為-100V。
6.如權(quán)利要求2所述含有NiCrN三元涂層制品的制備方法，其特征在于步驟(3)將NiCrN層沉積到底層上作為過渡層，沉積條件為通氮?dú)?，NiCr合金靶電流6A，基體偏壓為-65V。
7.如權(quán)利要求2所述含有NiCrN三元涂層制品的制備方法，其特征在于步驟(4)將NiCrN-CrN復(fù)合涂層沉積到NiCrN過渡層上制成含NiCrN三元復(fù)合涂層的制品，沉積條件為在Cr靶電流6A，基體偏壓為-65V，NiCr合金靶電流5A，基體偏壓為-65V。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含有NiCrN三元涂層的制品，所述制品以Cr層為底層，以NiCrN層為過渡層，在NiCrN過渡層上沉積若干層NiCrN-CrN復(fù)合涂層使復(fù)合涂層的厚度達(dá)到2~5μm；本發(fā)明采用多層梯度設(shè)計和鍍膜前的滲氮工藝大大提高了涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度，本發(fā)明制備的梯度涂層在劃痕試驗(yàn)中的臨界載荷高達(dá)75N，遠(yuǎn)高于其它方法和工藝制備的相關(guān)鍍層，含NiCrN三元涂層制品的硬度可達(dá)到2780HV；大幅提高了模具和刀具表面的抗沖擊耐磨減摩性能和熱穩(wěn)定性，摩擦系數(shù)和磨損失重率都大幅降低；NiCrN三元涂層大大提高了模具鋼對有機(jī)溶劑的潤濕角，表明該涂層可大幅改善模具的脫模性能。
文檔編號B32B9/04GK103029366SQ20121052870
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月6日
發(fā)明者金杰, 安騰, 李曉 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)