模具及其製備方法
2023-06-24 06:06:06
專利名稱：模具及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種模具及其製備方法，尤其涉及一種膜層不易脫落，耐磨性能好，抗腐蝕佳的模具及其製備方法。
背景技術：
模具，為產業上進行大規模生產所必需，從成本考量，一套模具可能會要求其工作幾十萬次而不可發生影響工件品質的變形。模具變形的最主要因素包括磨損及腐蝕，因此為延長模具使用壽命，模具的防腐蝕、耐摩擦問題顯得尤為重要。
故，一般模具多採用硬度高，化學穩定性強的合金材料，但其性能仍不理想。模具工作時與工件之間存在摩擦，多次操作後模具磨損，最終產品尺寸不能滿足要求，因此模具需要較高耐磨性能。當操作環境較惡劣，例如鎂合金壓鑄模具，模具須能承受熔融態鎂的腐蝕，此時要求模具具有較高抗腐蝕能力。
類金剛石碳(Diamond-Like Carbon，DLC)具有與金剛石類似的性質，如高硬度，低摩擦係數，高的化學穩定性，因此業界將DLC膜作為模具表面的保護膜，其具有耐磨損，抗腐蝕等優良特性。此種DLC膜一般為單層，採用直流磁控濺鍍法製得，但是，包括單層DLC膜的模具經多次操作後，DLC膜易於從模具基材上脫落。
發明內容有鑑於此，有必要提供一種膜層不易脫落，耐磨性能優異，抗腐蝕性能佳的模具及其製備方法。
一種模具，其包括一基材及一形成在所述基材上的保護層，所述保護層包括依次形成在所述基材上的一粘附層、一漸變多層膜及一類金剛石碳薄膜；所述粘附層為鉻、鈦、矽、氮化鉻、氮化鈦、碳化矽或氮化矽的薄膜；所述漸變多層膜為N層結構，其中5≤N≤30，所述漸變多層膜每層中均包括類金剛石碳及一添加物，所述添加物包括鉻、鈦、矽、氮化鉻、氮化鈦、碳化矽或氮化矽中的一種或其混合物，從靠近所述粘附層的第一層至靠近所述類金剛石碳薄膜的第N層，其中添加物的含量依次降低。
一種模具的製備方法，其包括以下步驟步驟1，提供一基材；步驟2，在所述基材表面形成一粘附層；步驟3，使用一第一靶材及一第二靶材同時在所述粘附層表面上分別濺鍍一類金剛石碳薄膜及添加物，所述第一靶材可為石墨或碳，所述第二靶材包括鉻、鈦、矽、氮化鉻、氮化鈦、碳化矽或氮化矽中的一種或其混合物；步驟4，將步驟3重複N-1次，5≤N≤30，且每次降低所述添加物的濺射強度，得一具N層結構的漸變多層膜，從靠近所述粘附層的第一層至靠近所述類金剛石碳薄膜的第N層，其中添加物的含量依次降低；步驟5，在所述漸變多層膜表面濺鍍形成一類金剛石碳薄膜。
相對於現有技術，所述的模具中，所述保護層包括一與基材結合力強的粘附層，形成於所述粘附層上的漸變多層膜中，從與所述粘附層接觸的第一層到與類金剛石碳薄膜接觸的第N層，其中的添加物含量依次降低，添加物可增加類金剛石碳薄膜中原子間結合力，因而類金剛石碳薄膜的抗腐蝕性能增加。第一層中添加物含量高，因此第一層與粘附層間附著力強，添加物含量依次降低，依次類推至第N層，則第N層與類金剛石碳薄膜間結合力已較弱，且其中的添加物含量低，具有低摩擦係數，耐磨性能佳的優點。
圖1是本實施例的模具剖面示意圖。
圖2是本實施例的模具的製備方法流程圖。
圖3是本實施例的模具的製備裝置示意圖。
具體實施方式
以下將結合
一種模具、其製備方法及製備裝置。
請參閱圖1，本實施例的模具1包括一基材10、一形成在基材10表面上的保護層20，保護層20包括一粘附層21、一漸變多層膜22及一類金剛石碳薄膜23。
形成基材10的材料須能承受大的壓力而不變形，例如，其可為鐵-碳-鉻合金、鐵-碳-鉻-鉬合金或鐵-碳-鉻-釩-鉬合金。為加強保護層20與基材10間結合力，基材10的表面需要平滑，優選的，其平均表面粗糙度(Ra)小於10納米，其可由鏡面拋光實現。粘附層21形成在基材10上，厚度可為5-20納米，粘附層21可為鉻、鈦、矽、氮化鉻、氮化鈦、碳化矽或氮化矽的薄膜，一般採用濺鍍法製得。類金剛石碳薄膜23厚度可為2～20納米。
漸變多層膜22夾在粘附層21與類金剛石碳薄膜23之間，其為一N層結構，5≤N≤30。漸變多層膜22中每層厚度可為2～60納米，其每層中均包含類金剛石碳及一添加物，添加物包括鉻、鈦、矽、氮化鉻、氮化鈦、碳化矽或氮化矽中的一種或其混合物。添加物可增加類金剛石碳中原子間結合力，且可與粘附層之間形成強結合力。漸變多層膜22的N層結構中，第一層221形成在粘附層21上，第二層222形成在第一層221上，如此依次形成N層結構，第N層223與類金剛石碳薄膜23接觸，從第一層221到第N層223，每層中的添加物含量依次降低。優選的，漸變多層膜22中，第m層類金剛石碳薄膜中的添加物的摩爾百分比含量為(N-m+1)×X，其中X取值範圍為0.2％≤X≤1％，1≤m≤N。
第一層221中，添加物的含量高，添加物可增加類金剛石碳薄膜中原子間結合力，因而類金剛石碳薄膜的抗腐蝕性能增加，且添加物與粘附層21間可形成較強結合力，因此第一層221與粘附層21間附著力及抗腐蝕性強，第二層222中添加物含量較第一層221有所降低，但第二層222及第一層221成分仍相似，兩者之間仍具有較強結合力，但比第一層221與粘附層21間有所降低，依次類推，至第N層，其與類金剛石碳薄膜23間結合力已較弱，且其中的添加物含量低，具有低摩擦係數，耐磨性能佳的優點。
請參閱圖2，本實施例的模具1的製備方法包括以下步驟步驟1，提供一基材10。基材10須能承受大的壓力而不變形，例如，其可為鐵-碳-鉻合金、鐵-碳-鉻-鉬合金或鐵-碳-鉻-釩-鉬合金。為加強保護層20與基材10間結合力，基材10的表面需要平滑，優選的，其平均表面粗糙度(Ra)小於10納米，其可由鏡面拋光實現。
步驟2，在基材10上濺鍍形成一粘附層21；粘附層21可為鉻、鈦、矽、氮化鉻、氮化鈦、碳化矽或氮化矽的薄膜。
步驟3，使用一第一靶材及一第二靶材同時在所述粘附層21表面分別濺鍍一層類金剛石碳薄膜及添加物，所述第一靶材可為石墨或碳，所述第二靶材包括鉻、鈦、矽、氮化鉻、氮化鈦、碳化矽或氮化矽中的一種或其混合物，此層類金剛石碳薄膜的厚度可為2-60納米。
濺鍍類金剛石碳薄膜220時採用的濺鍍氣體可為組成為A+B的混合氣體，A可為氬氣或氪氣，B可為氫氣、甲烷或乙烷，B的含量為A的5％-20％。濺鍍所述添加物時採用的濺鍍氣體可為氬氣或氪氣。
優選的，濺鍍類金剛石碳薄膜220或添加物時，將基材10進行旋轉，從而能獲得一膜厚均勻的薄膜。更加優選的，基材10的旋轉速度為2-200轉/分鐘。從具體實例角度看，可將基材10安裝在一可旋轉的基材固定器上。
步驟4，將步驟3重複N-1次，5≤N≤30，且每次降低添加物的濺射強度，得一具N層結構的漸變多層膜22，其第一層221形成在粘附層21上，接下來依次形成其餘N-1層，從第一層221到第N層223，每層中添加物的含量依次降低。
優選的，漸變多膜22中，第m層類金剛石碳薄膜中的添加物的摩爾百分比含量為(N-m+1)×X，其中X取值範圍為0.2％≤X≤1％，1≤m≤N。
步驟5，在漸變多層膜22表面上濺鍍形成一類金剛石碳薄膜23，厚度可為2-20納米。
請參閱圖3，本發明實施例的模具1可採用模具製備設備3製備，其包括一真空濺鍍腔31，及設置在真空濺鍍腔中31的一類金剛石碳濺鍍系統32、一添加物濺鍍系統33、及一基材固定器35。
真空濺鍍腔31的形狀任意，其與一真空泵系統311相連。類金剛石碳濺鍍系統32包括一第一靶材321及第一離子源322。第一靶材321用於濺鍍類金剛石碳薄膜，其可為石墨或碳。離子源322可發射一用於轟擊第一靶材321的第一離子束323，第一離子束323轟擊第一靶材321後在所述真空濺鍍腔31內形成一第一等離子體區324。第一靶材321處設有用於通入濺鍍類金剛石碳薄膜的濺鍍氣體的第一導管312。通入的濺鍍氣體可為組成為A+B的混合氣體，A可為氬氣或氪氣，B可為氫氣、甲烷或乙烷，B的含量為A的5％-20％。
添加物濺鍍系統33包括一第二靶材331及第二離子源332。第二靶材331用於濺鍍添加物，添加物可為金屬如鉻或鈦，非金屬如矽，氮化物如氮化鉻、氮化鈦或氮化矽，碳化物如碳化矽，離子源332可發射一用於轟擊第二靶材331的第二離子束333，第二離子束333轟擊第一靶材331後在所述真空濺鍍腔31內形成一第二等離子體區334。第二靶材332處設有用於通入等離子體引發氣體的第二導管313，通入的等離子體引發氣體可為氬氣或氪氣。
第一等離子體324區與第二等離子體區334重迭形成一混合等離子體區320，基材固定器35可設置在混合等離子體區320中，從而類金剛石碳濺鍍系統32及添加物濺鍍系統33可同時向設置在基材固定器35上的基材36上濺鍍類金剛石碳及添加物。
優選的，本發明實施例的模具的製備裝置30進一步包括一第三離子源341，其與基材固定器35相對設置，其可發射一第三離子束342，利用第三離子束342轟擊基材36表面可增加形成在基材36表面的薄膜與基材36間結合力。第一離子源322、第二離子源332及第三離子源341可為射頻驅動的，驅動頻率為13.56百萬赫茲。
優選的，基材固定器35軸設在一固定軸351上，從而基材固定器35可相對固定軸351轉動，基材36亦隨之轉動，基材36表面可獲得一膜厚均勻的薄膜。更加優選的，基材固定器35相對固定軸351的旋轉速度為2-200轉/分鐘。
本實施例的模具的製備裝置30中，利用兩套濺鍍系統分別同時快速濺鍍類金剛石碳薄膜及其中的添加物，通過調節濺鍍添加物時的濺鍍能量可調節類金剛石碳中添加物的含量，製得的類金剛石碳薄膜中，添加物均勻分布在類金剛石碳薄膜中。
另外，本領域技術人員還可在本發明精神內做其它變化。當然，這些依據本發明精神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的範圍之內。
權利要求
1.一種模具，其包括一基材及一形成在所述基材上的保護層，其特徵在於所述保護層包括依次形成在所述基材上的一粘附層、一漸變多層膜及一類金剛石碳薄膜；所述粘附層為鉻、鈦、矽、氮化鉻、氮化鈦、碳化矽或氮化矽的薄膜；所述漸變多層膜為N層結構，其中5≤N≤30，所述漸變多層膜每層中均包括類金剛石碳及一添加物，所述添加物包括鉻、鈦、矽、氮化鉻、氮化鈦、碳化矽或氮化矽中的一種或其混合物，從靠近所述粘附層的第一層至靠近所述類金剛石碳薄膜的第N層，其中添加物的含量依次降低。
2.如權利要求1所述的模具，其特徵在於第m層類金剛石碳薄膜中的添加物的摩爾百分比含量為(N-m+1)×X，其中X取值範圍為0.2％≤X≤1％，1≤m≤N。
3.如權利要求1所述的模具，其特徵在於所述添加物與所述粘附層組成相同。
4.如權利要求1所述的模具，其特徵在於從第一層至第N層，每層厚度為2-60納米。
5.如權利要求1所述的模具，其特徵在於所述粘附層厚度為5-20納米。
6.如權利要求1所述的模具，其特徵在於所述類金剛石碳薄膜厚度為2-20納米。
7.如權利要求1所述的模具，其特徵在於組成所述基材的材料為鐵-碳-鉻合金、鐵-碳-鉻-鉬合金或鐵-碳-鉻-釩-矽-鉬合金。
8.如權利要求1所述的模具，其特徵在於所述基材平均表面粗糙度小於等於10納米。
9.一種模具的製備方法，其包括以下步驟步驟1，提供一基材；步驟2，在所述基材表面形成一粘附層；步驟3，使用一第一靶材及一第二靶材同時在所述粘附層表面上分別濺鍍一類金剛石碳薄膜及添加物，所述第一靶材可為石墨或碳，所述第二靶材包括鉻、鈦、矽、氮化鉻、氮化鈦、碳化矽或氮化矽中的一種或其混合物；步驟4，將步驟3重複N-1次，5≤N≤30，且每次降低所述添加物的濺射強度，得一具N層結構的漸變多層膜，從靠近所述粘附層的第一層至靠近所述類金剛石碳薄膜的第N層，其中添加物的含量依次降低；步驟5，在所述漸變多層膜表面濺鍍形成一類金剛石碳薄膜。
10.如權利要求9所述的模具的製備方法，其特徵在於第m層類金剛石碳薄膜中的添加物的摩爾百分比含量為(N-m+1)×X，其中X取值範圍為0.2％≤X≤1％，1≤m≤N。
11.如權利要求9所述的模具的製備方法，其特徵在於從第一層至第N層，每層厚度為2-60納米。
12.如權利要求9所述的模具的製備方法，其特徵在於所述粘附層厚度為5-20納米。
13.如權利要求9所述的模具的製備方法，其特徵在於所述類金剛石碳薄膜厚度為2-20納米。
14.如權利要求9所述的模具的製備方法，其特徵在於濺鍍類金剛石碳薄膜時採用的濺鍍氣體為組成為A+B的混合氣體，A可為氬氣或氪氣，B可為氫氣、甲烷或乙烷，B的含量為A的5％-20％。
15.如權利要求9所述的模具的製備方法，其特徵在於濺鍍所述添加物時採用的濺鍍氣體為氬氣或氪氣。
16.如權利要求9所述的模具的製備方法，其特徵在於製備過程中將所述基材進行旋轉。
17.如權利要求16所述的模具的製備方法，其特徵在於旋轉速度為2-200轉/分鐘。
全文摘要
本發明涉及一種模具及其製備方法。所述模具包括一基材及一形成在所述基材上的保護層，所述保護層包括依次形成在所述基材上的一粘附層、一漸變多層膜及一類金剛石碳薄膜；所述粘附層為鉻、鈦、矽、氮化鉻、氮化鈦、碳化矽或氮化矽的薄膜；所述漸變多層膜為N層結構，其中5≤N≤30，所述漸變多層膜每層中均包括類金剛石碳及一添加物，所述添加物包括鉻、鈦、矽、氮化鉻、氮化鈦、碳化矽或氮化矽中的一種或其混合物，從靠近所述粘附層的第一層至靠近所述類金剛石碳薄膜的第N層，其中添加物的含量依次降低。本發明的模具保護層與基材結合力強，抗腐蝕能力及耐磨性能優異。
文檔編號B32B5/14GK1962262SQ2005101012
公開日2007年5月16日 申請日期2005年11月11日 優先權日2005年11月11日
發明者陳杰良 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司, 鴻海精密工業股份有限公司