一种含有NiCrN三元涂层的制品及制备方法

　　**名称：一种含有NiCrN三元涂层的制品及制备方法

　　技术领域：

　　本发明涉及ー种新型PVD三元涂层，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，即ー种含有NiCrN三元复合涂层的制品及制备方法。

　　(ニ)

　　背景技术：

　　随着汽车エ业的迅速发展，汽车配套零件的需求量大幅度增加。其中，エ件的质量、产量和生产成本往往取决于模具的质量及有效使用寿命。然而在极其恶劣的エ况条件下，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，更经济更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、抗磨減摩等表面性能。其中，CrTiN三元复合涂层以其优异的机械性能得到了国内外科研エ作者的广泛关注。CrTiN三元复合涂层比目前应用更广泛的TiN和CrN有更好的硬度、膜/基结合强度。CrTiN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。这主要是因为刀具和模具钢的工作环境极其恶劣，而CrTiN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。为进ー步优化涂层综合性能和提高膜基结合强度，本发明在CrTiN涂层的基础上引入Ni元素，g在开发ー种新型NiCrN三元涂层。

　　发明内容

　　本发明目的是提供ー种含有NiCrN三元涂层的制品及制备方法，进ー步提高NiCrN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；每ー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，使涂层具有更佳的硬度/韧性组合，优化涂层的耐冲击磨损性能、減摩性能和表面热稳定性，提高模具的脱模性倉^:。本发明采用的技术方案是 本发明提供ー种含有NiCrN三元涂层的制品，所述制品以Cr层为底层，以NiCrN层为过渡层，在NiCrN过渡层上沉积若干层NiCrN-CrN复合涂层使复合涂层的厚度达到2 5 u m。通常在NiCrN过渡层上沉积NiCrN-CrN复合涂层2 2. 5h能使复合涂层的厚度达至Ij 2 5 u m0本发明还提供一种所述含有NiCrN三元涂层制品的制备方法，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、min，更后在无水こ醇中超声清洗rSmin，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 5A，基体偏压为-8(T-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-4(T_80V的条件下，在底层上沉积NiCrN层作为过渡层；(4)更后制备NiCrN-CrN复合涂层，通氮气，在Cr靶电流5-7A，基体偏压为-5(T-80V，NiCr合金靶电流4 6A，基体偏压为-5(T_80V条件下，将NiCrN-CrN复合涂层沉积到过渡层上使NiCrN-CrN复合涂层厚度为2 5 u m,即获得含有NiCrN三元涂层的制品。进ー步，步骤(I)所述方法为将制品基件在碱性溶液中超声清洗8min，再在丙酮中超声清洗9min，更后在无水こ醇中超声清洗8min，获得预处理后的制品基件；所述碱性溶液为10g/L碱性水溶液，所述碱性水溶液中碱性物质为NaOH。进ー步，步骤(I)所述预处理过程还包括将制品基件在无水こ醇中超声清洗4 8min后,再进行渗氮处理或碳氮共渗处理。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°C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。进一歩，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3飞A，基体偏压为-100V。进一歩，步骤(3)采用磁控溅射法将NiCrN层沉积到Cr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。进ー步,步骤(4)采用非平衡磁控派射法将NiCrN-CrN复合涂层沉积到NiCrN过渡层上制成含有(NiCrN-CrN)复合三元涂层的制品，沉积条件为在Cr靶电流6A，基体偏压为-65V，NiCr合金靶电流5A，基体偏压为-65V。其中(NiCrN-CrN)复合涂层沉积以过渡层的沉积基础。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CrTiN复合涂层的基础上用Ni元素替代Ti，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；在镀膜前增加渗氮エ艺或进行碳氮共渗处理。エ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，NiCr合金靶均为高纯金属，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(I)本发明采用多层梯度设计和镀膜前的渗氮エ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75N(—般膜基结合强度在45N左右)，远闻于其它方法和エ艺制备的相关锻层；(2 )由于弥散富Ni区的存在，涂层中弥散强化和应カ強化作用增强通过调节NiCr合金靶的电流，使含NiCrN三元涂层制品的硬度可达到2780HV ；(3) Ni元素在很大程度上改善了涂层的韧性，通过控制制备エ艺可以获得更优的硬度/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三元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三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。

　　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NiCrN三元涂层制品表面的扫描电镜图。 图5含NiCrN三元涂层制品有机溶剂的润湿角。图6无涂层制品表面有机溶剂的润湿角。

　　具体实施例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 magnetron sputtering ion platingcoater)来制备本发明所述含CrNiN三元涂层的制品，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(2个Cr靶、2个NiCr合金靶，均购自英国梯尔镀层公司)。实施例1( I)基件预处理以和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,更后在无水こ醇中超声清洗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制备NiCrN三元涂层(涂层结构示意图见图1所示)的主要步骤如下I)开机预热，通冷却水，打开机械泵抽真空至4. OX 10_4Pa，并将真空室加热至IOO0C ；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，沉积ー层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，沉积ー层NiCrN，作为过渡层，以进ー步增强涂层与基体的结合强度；6)沉积(NiCrN-CrN)复合涂层四靶(2个Cr靶、2个NiCr合金靶)按图2所示排列，全部开启，通氮气，Cr靶电流均为6A，基体偏压-65V，NiCr合金靶电流均为5A，基体偏压-65V。7)镀膜完毕冷却30分钟后，充氩气，开炉，取样，制品中NiCrN-CrN复合涂层厚度为3 ii m，即获得含有NiCrN三元涂层的制品，并将含有NiCrN三元涂层的制品作为试样进行性能测试。具体的ェ艺參数见表I所示。表I CrNiN三元涂层的制备エ艺參数

　　权利要求

　　1.一种含有NiCrN三元涂层的制品，其特征在于所述制品以Cr层为底层，以NiCrN层为过渡层，在NiCrN层上沉积厚度为2飞μ m的NiCrN-CrN复合涂层。

　　2.—种权利要求1所述含有NiCrN三元涂层制品的制备方法，其特征在于所述方法为O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、min，更后在无水乙醇中超声清洗rSmin，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 5A，基体偏压为-8(T-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-4(T-80V的条件下，在底层上沉积NiCrN层作为过渡层；(4)通氮气，在Cr靶电流5 7A，基体偏压为-5(T-80V，NiCr合金靶电流4飞A，基体偏压为-5CT-80V，条件下，将NiCrN-CrN复合涂层沉积到过渡层上使NiCrN-CrN复合涂层厚度为2飞μ m,即获得含有NiCrN三元涂层的制品。

　　3.如权利要求2所述含有NiCrN三元涂层制品的制备方法，其特征在于步骤(I)所述方法为将制品基件在碱性溶液中超声清洗8min,再在丙酮中超声清洗9min,更后在无水乙醇中超声清洗8min，获得预处理后的制品基件；所述碱性溶液为10g/L碱性水溶液，所述碱性水溶液中碱性物质为NaOH。

　　4.如权利要求2或3所述含有NiCrN三元涂层制品的制备方法，其特征在于步骤(I)所述预处理过程还包括将基件在无水乙醇中超声清洗rSmin后，再进行渗氮处理或碳氮共渗处理。

　　5.如权利要求2所述含有NiCrN三元涂层制品的制备方法，其特征在于步骤(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3 5A，基体偏压为-100V。

　　6.如权利要求2所述含有NiCrN三元涂层制品的制备方法，其特征在于步骤(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。

　　7.如权利要求2所述含有NiCrN三元涂层制品的制备方法，其特征在于步骤(4)将NiCrN-CrN复合涂层沉积到NiCrN过渡层上制成含NiCrN三元复合涂层的制品，沉积条件为在Cr靶电流6A，基体偏压为-65V，NiCr合金靶电流5A，基体偏压为-65V。

　　全文摘要

　　本发明公开了一种含有NiCrN三元涂层的制品，所述制品以Cr层为底层，以NiCrN层为过渡层，在NiCrN过渡层上沉积若干层NiCrN-CrN复合涂层使复合涂层的厚度达到2~5μm；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75N，远高于其它方法和工艺制备的相关镀层，含NiCrN三元涂层制品的硬度可达到2780HV；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；NiCrN三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。

　　文档编号B32B9/04GK103029366SQ20121052870

　　公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日

　　发明者金杰, 安腾, 李晓 申请人:江苏工业大学