一種新型複合多層結構保護性塗層及其製備方法
2023-05-03 04:47:16 1
一種新型複合多層結構保護性塗層及其製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種新型複合多層結構保護性塗層及其製備方法，該保護性塗層包括最內層、過渡層、金屬層、中間過渡層、陶瓷層；所述的最內層用以提高塗層與模具的結合力；所述的過渡層為介於金屬與陶瓷之間的材料，由金屬逐步變為陶瓷；所述的最內層和金屬層均為鋯，鉿、鉭、鎢、鈦、釩、鉻、錳、鎳、鉬中的一種，通過過濾離子鍍的方法製備而成；所述的中間過渡層，由陶瓷層與金屬層交替組合而成，實際層數為2或4或6層，其結構由內到外依次為陶瓷層/金屬層或陶瓷層/金屬層/陶瓷層/金屬層或陶瓷層/金屬層/陶瓷層/金屬層/陶瓷層/金屬層；所述的陶瓷層為碳化物、氮化物、矽化物、硼化物、氧化物中的一種或任意組合；該保護性塗層的總層數為6或8或10層。本發明可減小脫模的難度，提高模具產品的質量，而且可提高模具壽命4-5倍以上。
【專利說明】 一種新型複合多層結構保護性塗層及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種新型抗腐蝕、耐磨的多層複合膜，在模具(含壓鑄模具)、刀具、泵體、閥芯、耐磨無油軸承環和滾珠、以及紡織機械零件的纖維切斷刀、繞線輥、壓縮滾筒等特殊表面保護的應用，屬於新材料領域。
【背景技術】
[0002]金屬(主要是鋁及鋁合金)壓鑄工藝以其優良的尺寸精度，不需要或很少需要後續加工已經逐步取代傳統的加工工藝(如沙模鑄造)而被汽車，手機等行業廣泛應用。
[0003]對於金屬壓鑄工藝，模具質量對產品質量起著至關重要的作用。在壓鑄過程中，模具需要承受高溫高壓，而且經受大量的冷熱循環，所以對模具材料要求很高，世界上發達國家都採用優質H13鋼或者其他高性能模具鋼，因此此類模具非常昂貴，根據統計數據，模具成本佔到了本工藝成本的10?15%。因此提高模具的使用壽命，防止因腐蝕造成的模具表面損傷，不僅可以有效的提聞廣品質量，而且可以大幅減少成本。
[0004]對於壓鑄模具來說，其失效主要有以下幾個原因:(I)高溫(650?700°C )高壓下，熔融鋁侵蝕模具金屬表面；(2)熔融鋁擴散進入模具金屬從而腐蝕模具；(3)更為嚴重的是熔融鋁和模具金屬形成鋁鐵合金而焊接在一起，導致無法脫模。這些情況都會嚴重降低模具的使用壽命，降低模具的表面質量，從而導致產品質量下降，甚至導致模具的失效，造成工廠停工。
[0005]為了提高壓鑄模具的品質，常見的方法包括使用特種合金鋼，模具表面滲硼，滲氮，但是這些方法都不是十分有效。使用特種合金鋼大幅增加模具成本，而且壽命增加有限；表面滲硼，滲氮都會使模具表面脆性增加，無法有效提高模具壽命。
【發明內容】
[0006]為了解決熔融鋁合金對壓鑄模具的腐蝕而引發的模具失效問題，本發明提供了一種新型的複合多層結構的高性能保護性塗層，通過對塗層材料以及多層結構的設計，此塗層可大幅減小熔融鋁在模具表面的附著，防止熔融鋁的擴散，阻止焊接的發生。此塗層可減小脫模的難度，提高模具產品的質量，而且可提高模具壽命4?5倍以上。
[0007]本發明提供的一種新型複合多層結構保護性塗層，包括多層結構，以靠近模具方向為內，由內到外依次為最內層、過渡層、金屬層、中間過渡層、陶瓷層；所述的最內層用以提高塗層與模具的結合力；所述的過渡層為介於金屬與陶瓷之間的材料，由金屬逐步變為陶瓷；所述的中間過渡層，由陶瓷層與金屬層交替組合而成，實際層數為2或4或6層，其結構由內到外依次為陶瓷層/金屬層或陶瓷層/金屬層/陶瓷層/金屬層或陶瓷層/金屬層/陶瓷層/金屬層/陶瓷層/金屬層；該複合多層結構保護性塗層的總層數為6或8或10層，每層厚度在100?500nm之間。
[0008]所述的最內層和金屬層均為鋯、鉿、鉭、鎢、鈦、釩、鉻、錳、鎳、鑰中的一種，通過過濾離子鍍的方法製備而成；[0009]所述的陶瓷層為碳化物、氮化物、矽化物、硼化物、氧化物中的一種或任意組合，進一步地優選方案為 HfB2, SiC、TiN、CrN、TiAIN、TiSiN、BC、SiAlON、SiCN、WC、MoSi2 中的一種或任意組合，通過過濾離子鍍的方法和等離子增強化學沉積相結合的方法製備而成；
[0010]所述的各層厚度以及材料選擇主要根據模具本身材料膨脹係數，以及模具所用材料來調整。
[0011]本發明還提供一種新型複合多層結構保護性塗層的製備方法，該方法包括如下步驟:
[0012](I)壓鑄模具預處理
[0013]將加工好的壓鑄模具的表面拋光後，進行除油清理，然後水衝洗後吹乾備用；
[0014]⑵工裝卡具
[0015]為了保證塗層的均一性，把模具安放在專用卡具上，充分旋轉；
[0016](3)加熱和表面等離子清洗
[0017]為了保證塗層和模具之間的結合力，把模具加熱到250?400°C，在等離子的轟擊下進一步清洗；
[0018](4)塗層的製備
[0019]最內層、過渡層、金屬層、中間過渡層和陶瓷層按照預先設定的成分、厚度以及順序沉積到模具表面，製得本發明一種新型複合多層結構保護性塗層。
[0020]通過上述步驟製得的塗層，經刮痕試驗測得，其與模具的結合力可達100N以上，確保了保護性塗層與模具之間的完美結合。另外，在靜態測試(無冷熱循環)以及動態測試(快速冷熱循環)中，溫度690°C，使用塗層後，腐蝕造成的材料質量損失都遠遠小於無塗層的對比樣品。使用本塗層後，材料損失是無塗層的2 %，可提高模具壽命4?5倍以上。
[0021]本發明的新型複合多層結構保護性塗層，通過對各層材料的篩選，以及對每層厚度的設計，可以制適應不同模具，且保證二者之間具有非常好的結合力，長期使用不會對模具的尺寸精度帶來很大影響，具有耐磨、耐蝕、耐熱、耐熔融金屬侵蝕等優點。同時，塗層本身對高溫下鋁的擴散有很強的阻隔作用而且塗層有優良的抗冷熱循環的能力。不僅可以應用於模具(含壓鑄模具)方面，還能廣泛地用於刀具、泵體、閥芯、耐磨無油軸承環和滾珠、以及紡織機械零件的纖維切斷刀、繞線輥、壓縮滾筒等特殊表面保護領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]說明書附圖中:
[0023]圖1本發明的新型複合多層結構保護性塗層與模具的示意圖；
[0024]圖中:1、最內層；2、過渡層；3、金屬層；4、中間過渡層；5陶瓷層。
【具體實施方式】
[0025]實施例一
[0026]汽車發動機壓鑄模具中的中心銷和定位銷，經過拋光，去油的預處理工藝後，裝入弧光離子鍍設備腔體中，充分旋轉。然後腔體中的中心銷，定位銷被加熱到250?400°C，真空度到10_6?10_7torr。然後其表面被氣體等離子和金屬等離子連續轟擊清洗，複合塗層按設計的厚度和成分被依次沉積到表面，總塗層厚度為2?5 μ m。被新型複合塗層塗覆的中心銷和定位銷的使用壽命比沒有塗層的H13優質模具鋼中心銷和定位銷高5倍。
【權利要求】
1.一種新型複合多層結構保護性塗層，其特徵在於:以靠近模具方向為內，由內到外依次為最內層、過渡層、金屬層、中間過渡層、陶瓷層；所述的最內層和金屬層均為鋯、鉿、鉭、鶴、鈦、銀、鉻、猛、鎳、鑰中的一種；所述的過渡層為介於金屬與陶瓷之間的材料，由金屬逐步變為陶瓷；所述的中間過渡層，由陶瓷層與金屬層交替組合而成，實際層數為2或4或6層，其結構由內到外依次為陶瓷層/金屬層或陶瓷層/金屬層/陶瓷層/金屬層或陶瓷層/金屬層/陶瓷層/金屬層/陶瓷層/金屬層；所述的陶瓷層為碳化物、氮化物、矽化物、硼化物、氧化物中的一種或任意組合。
2.如權利要求1所述的新型複合多層結構保護性塗層，其特徵在於:所述的每層厚度在 100-500nm 之間。
3.如權利要求1所述的新型複合多層結構保護性塗層，其特徵在於:所述的新型複合多層結構保護性塗層的總層數為6或8或10層。
4.如權利要求1所述的新型複合多層結構保護性塗層，其特徵在於:所述的陶瓷層優選為 HfB2、SiC、TiN、CrN、TiAIN、TiSiN、BC、SiAlON、SiCN、WC、MoSi2 中的一種或任意組合。
5.如權利要求1所述的一種新型複合多層結構保護性塗層的製備方法，其特徵在於:該製備方法包括如下步驟: (1)壓鑄模具預處理 將加工好的壓鑄模具的表面拋光後，進行除油清理，然後水衝洗後吹乾備用； (2)工裝卡具 把模具安放在專用卡具上，充分旋轉； (3)加熱和表面等離子清洗 把模具加熱到250-400°C，在等離子的轟擊下進一步清洗； (4)塗層的製備 最內層、過渡層、金屬層、中間過渡層和陶瓷層按照預先設定的成分、厚度以及順序沉積到模具表面，製得本發明一種新型複合多層結構保護性塗層。
6.如權利要求5所述的新型複合多層結構保護性塗層的製備方法，其特徵在於:所述的最內層和金屬層均通過過濾離子鍍的方法製備而成。
7.如權利要求5所述的新型複合多層結構保護性塗層的製備方法，其特徵在於:所述的陶瓷層通過過濾離子鍍的方法和等離子增強化學沉積相結合的方法製備而成。
【文檔編號】C23C14/22GK104002512SQ201410274155
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月18日 優先權日:2014年6月18日
【發明者】賀鵬 申請人:賀鵬