[發明專利]一種工模具材料表面的TiAlN/TiN薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 200810220077.4
• 申請日: 2008-12-17
• 公開（公告）號: CN101435070A
• 公開（公告）日: 2009-05-20
• 發明（設計）人: 曾德長;陳靈;邱萬奇;鐘喜春;余紅雅;林敏
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/06;C23C14/02;B32B9/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司
• 代理人: 楊曉松

技術領域

本發明涉及材料領域，特別涉及一種工模具材料表面的TiAlN/TiN薄膜 及其制備方法。

背景技術

現代制造業中，多數零部件都采用工模具成型，這些工模具由基體或者 鋼鐵材料制成。隨著工業技術的發展，工模具的工作條件日益苛刻，在使用 中經常出現磨損、開裂及塑性變形等失效形式。因此，提高工模具使用壽命 能直接提高加工制造業的生產率。

TiN薄膜材料硬度高，摩擦系數小，以其耐磨性和抗蝕性好而廣泛應用 于各種零部件的表面保護層，加入適量的Al能進一步改善TiN的機械性能， 并在一定程度上改善熱穩定性。將TiAlN薄膜鍍在基體材料制成的工模具表 面，可以提高工模具使用壽命。一方面，要求TiAlN薄膜與工模具基體材料 之間的結合力高，使得鍍上去的TiAlN薄膜與工模具基體不容易分離；另一 方面，要求薄膜的厚度要適當，一般在1～5μm范圍內，厚度太厚，會因內 應力大從而結合力小并導致分離，厚度太薄，則因強度不足而導致薄膜破碎。

但是，目前TiAlN薄膜與工模具基體材料之間的結合力尚不能令人滿 意，從而導致鍍膜工模具的TiAlN薄膜易剝落，耐磨性差，壽命低。普通鍍 TiN薄膜的顆粒尺寸都是在0.5～1μm的范圍，簡稱“微米級”顆粒，它與基體 材料表面間的結合力為5～10牛頓(劃痕測試儀的金剛石壓頭的曲率半徑 R＝0.1mm)。人們通過磁過濾降低顆粒尺寸來提高TiN薄膜與工模具基體 材料之間的結合力。人們還通過在膜基之間增加過渡層來提高TiAlN薄膜與 工模具基體材料的結合力，中間過渡層的設計原則為：過渡層與基體的化學 相容性，確保過渡層與基體的良好結合；過渡層與表層的化學相容性，確保 過渡層與表層的良好結合；過渡層的膨脹系數應介于基體與表層之間，減少 熱膨脹應力。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的缺點，提供一種抗磨損性能 好、使用壽命長、TiN薄膜與工模具基體材料之間結合力大的工模具材料表 面的磁過濾TiAlN/TiN雙層薄膜。

本發明的另一個目的在于提供一種上述磁過濾TiAlN/TiN雙層薄膜的制 備方法。

本發明的目的通過下述技術方案實現：

一種工模具材料表面的磁過濾TiAlN/TiN雙層薄膜，是在工模具基體材 料的表面上先鍍覆一層磁過濾TiN薄膜，然后再鍍覆一層磁過濾TiAlN薄膜， 雙層薄膜的總厚度為1～4μm。其中，由于TiN的化學相容性和膨脹系數介 于工模具基體材料與表層TiAlN薄膜之間，所以將磁過濾TiN薄膜作為過渡 層，可以有效提高磁過濾TiAlN/TiN薄膜和基體材料之間的界面結合力，其 界面結合力可超過30N。

上述磁過濾TiAlN/TiN雙層薄膜的制備方法，包括下述步驟：

(1)首先將工模具基體材料進行表面化學超聲波清洗；

(2)然后將工模具基體材料裝入多弧離子鍍膜機中，抽真空至 6.5×10^-3Pa或以上，用高純氬轟擊工模具基體材料進行離子清洗，清洗時間 為3～10分鐘；

(3)將偏壓調控在-700～-900伏、占空比控制在20～40％；開啟磁過 濾器，調整磁過濾器控制電源，電壓為15～20伏，電流為3.0～4.0安培，保 證磁場強度；將氮氣流量調整為60～90SCCM，工模具基體材料溫度控制在 200～280℃；然后再啟動磁過濾單弧鍍靶，鍍覆磁過濾TiN膜，鍍膜時間為 30～60分鐘；

(4)將氮氣流量調整為0.06～0.09SLM，工模具基體材料溫度控制在 200～280℃，鍍覆磁過濾TiAlN薄膜，鍍膜時間為60～120分鐘；最后得到 鍍覆在工模具基體材料表面的磁過濾TiAlN/TiN薄膜。

步驟1中，表面化學超聲波清洗的工藝為：將工模具基體材料在 8～10％NaOH溶液中用超聲波清洗10～30分鐘，然后用酒精脫水并烘干。

步驟3中，鍍覆磁過濾TiN薄膜時，優選鍍膜磁過濾單弧鍍靶電流為 80安培，電壓為20伏，偏壓-300伏，氮氣流量60SCCM，占空比20％， 鍍膜時間60分鐘。

步驟3中，通過調整工模具基體材料在磁過濾器出口處的位置以及磁過 濾器鍍膜的時間，可達到顯著提高鍍膜與工模具基體材料界面結合力的目 的，優選將工模具基體材料正對(平行)磁過濾器彎管出口，工模具基體材 料與出口處相距70mm。