[發明專利]一種納米復合材料、鋁合金壓鑄模具表面強化用納米復合涂層及其應用

在審

• 申請號: 201710312291.1
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN107142458A
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發明（設計）人: 孫德恩;李靜
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/16;B22D17/22
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 趙青朵

技術領域

本發明涉及納米復合材料技術領域，尤其涉及一種納米復合材料、鋁合金壓鑄模具表面強化用納米復合涂層及其應用。

背景技術

金屬壓鑄是在高壓作用下，將液態或半液態金屬以極高的速度填充模具型腔，并在壓力作用下使之凝固獲得壓鑄件的方法。壓鑄是一種高效率、少切削或無切削金屬成型工藝，常用壓鑄成型的材料有鋁、鋅、鎂等。其中，鋁合金壓鑄件產品最多，占80％以上。國內外統計數據表明，鋁合金壓鑄模具主要失效形式比例：熱疲勞龜裂60％～70％；崩塊和斷裂15％～25％；塑性變形15％～20％；熔損和沖蝕5％～10％以及壓鑄件不易脫模與外觀質量差等。與國外相比，國內鋁合金壓鑄模使用壽命僅為國外工業發達國家的1/2。由此可見，提高鋁合金壓鑄模具的使用壽命已成為生產上亟待解決的關鍵問題。

鋁合金壓鑄模具在工作過程中反復與熾熱金屬接觸，因此要求鋁合金壓鑄模具有較高的耐熱疲勞、導熱性耐磨性、耐蝕性、沖擊韌性、硬性、良好的脫模性等。因此，對鋁合金壓鑄模具的表面處理技術要求較高。近年來，各種鋁合金壓鑄模具表面處理新技術不斷涌現，但總的來說可以分為以下三個大類:(1)傳統熱處理工藝的改進技術；(2)表面改性技術，包括表面熱擴滲處理、表面相變強化、電火花強化技術等；(3)涂鍍技術，包括化學鍍等。鑒于表面處理是提高壓鑄模具壽命的重要手段之一，因此要提高我國壓鑄模具生產整體水平，表面處理技術將起著舉足輕重的作用。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種納米復合材料、鋁合金壓鑄模具表面強化用納米復合涂層及其應用，該納米復合材料。

本發明提供了一種納米復合材料，包括氮化鈦納米晶粒；

及包裹所述氮化鈦納米晶粒的包裹層；

所述包裹層包括非晶氮化硅和非晶鎳，所述非晶鎳為金屬游離態且均勻彌散分布在所述非晶氮化硅中。

優選地，所述氮化鈦納米晶粒的粒度為7～12nm。

優選地，所述納米復合材料中鎳元素的原子數百分含量為2～6.5％；硅元素的原子數百分含量為10.0～15.5％；氮元素的原子數百分含量為48～52％；其余為鈦元素。

本發明提供了一種納米復合涂層，包括依次接觸的結合層、過渡層和功能層；所述功能層的材料為上述技術方案所述的納米復合材料。

優選地，所述功能層的厚度為5～15μm；所述過渡層的厚度為0.1～0.3μm；所述結合層的厚度為0.05～0.3μm。

優選地，所述結合層的材料為過渡族金屬；所述過渡層的材料為金屬氮化物。

本發明提供了一種上述技術方案所述納米復合涂層的沉積工藝，包括以下步驟：

將待鍍工件采用磁控濺射依次沉積結合層和過渡層，得到結合層-過渡層附著的工件；

將所述結合層-過渡層附著的工件的結合層上磁控共濺射鈦鎳合金靶材、鈦靶材及氮化硅靶材，得到納米復合涂層附著的工件。

優選地，所述鈦靶材磁控濺射的功率小于8W/cm²。

優選地，所述將待鍍工件采用磁控濺射依次沉積結合層和過渡層，得到結合層-過渡層附著的工件具體包括：

將待鍍工件置于真空腔室中，加熱，然后通入氬氣，同時對待鍍工件等離子體輝光清洗，得到預處理待鍍工件；

將所述預處理待鍍工件磁控濺射沉積結合層，再采用磁控濺射方法在反應氣相沉積條件下，沉積過渡層，得到結合層-過渡層附著的工件。

優選地，所述磁控共濺射時真空度為0.1～0.8Pa；溫度為400～450℃。

本發明提供了一種納米復合材料，包括氮化鈦納米晶粒；及包裹所述氮化鈦納米晶粒的包裹層；所述包裹層包括非晶氮化硅和非晶鎳，所述非晶鎳為金屬游離態且均勻彌散分布在所述非晶氮化硅中。將結合層、過渡層與本發明提供的納米復合材料制備的功能層復合得到的納米復合涂層處于壓應力狀態，可以有效防止壓鑄模具表面熱疲勞裂紋產生；納米復合涂層不含有鋁元素，可以有效防止液態或半液態鋁與壓鑄模具表面的粘連；納米復合涂層具有較高硬度、韌性和熱穩定性，可以有效滿足壓鑄模具表面對耐磨性、耐腐蝕性和耐沖蝕性要求。實驗結果表明：納米復合涂層的硬度為28～33GPa，韌性為1.2～1.4MPa·m^1/2，涂層熱穩定性高于850℃，厚度為5～15μm，上述綜合性能可以有效滿足壓鑄模具表面對耐磨性、耐腐蝕性和耐沖蝕性要求。

附圖說明

圖1為本發明提供的納米復合涂層的顯微結構示意圖；