工模具表面复合氮化物涂层制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种工模具表面复合氮化物涂层制备工艺，属于微纳米涂层技术领域，该工艺是在镀膜时，采用了真空离子蒸发镀与磁控溅射离子镀相结合的二元蒸发源技术；在N2与Ar的混合气氛下，通过电子束蒸发源蒸发Ti元素，形成传统的TiN薄膜，在沉积形成TiN膜的同时，通过磁控溅射源植入Me元素，在工模具表面镀制(Ti，Me)N层；所述Me为Ti、Al、Cr、Si中的至少一种。本发明专利技术工艺能够提高工模具的综合性能。

Process for preparing composite nitride coating on die and mold surface

The invention discloses a mould surface composite nitride coating preparation process, and belongs to the technical field of micro nano coating, the coating process is in two yuan, the evaporation source technology adopts vacuum ion evaporation plating and magnetron sputtering ion plating combined; in mixture of N2 and Ar, by electron beam evaporation source the evaporation of Ti element, a TiN film formed the traditional, forming a TiN film deposited on at the same time, through the implantation of Me magnetron sputtering source elements, coated on the surface of dies (Ti, Me) N layer; the Me is at least one of Ti, Al, Cr, Si. The process of the invention can improve the comprehensive performance of the die and mold.

【技术实现步骤摘要】
工模具表面复合氮化物涂层制备工艺
本专利技术属于微纳米涂层
，具体涉及一种工模具表面复合氮化物涂层制备工艺。
技术介绍
表面涂层技术作为现代切削刀具应用新技术的一种，其通过化学或物理的方法在刀具表面上获得微纳米级的薄膜，因具有硬度高、润滑性好、高温性能优异等特点，可使切削刀具获得优良的综合机械性能，有效地延长刀具使用寿命、改善刀具切削性能、提高机械加工效率。1980年后，物理气相沉积(PVD)的TiN涂层技术已广泛应用于工模具。TiN涂层的优越性，制备工艺过程的清洁性，促进了该项技术的迅速发展。随着现代切削技术的发展，对涂层的综合性能要求也越来越高，为更好的满足硬切削、干式切削、高速高效加工的要求，发展多元合金复合反应涂层技术是一种行之有效的途径。因此在单一TiN涂层的基础上，近年来已发展起诸多薄膜材料。TiN是一种非常理想的薄膜体系，有着广泛的制备基础，如CAE、MS、HCD等方法皆可满足工业化生产要求。TiN具有优异的物理、化学性能，如硬度高、摩擦系数低、良好的化学相容性等，是低速切削加工刀具的理想涂层材料，它可以减轻切削刃部与被加工材的粘附，增加刀具的使用寿命和提高加工效率，仍是目前应用较多的薄膜材料之一。但传统的TiN硬度相对较低、耐磨性欠缺、热稳定性差，限制了其更广泛的应用。工模具硬质涂层的制备主要采用物理气相沉积技术，其原理在真空条件下利用热蒸发、弧光或辉光放电、离子轰击等物理方法将待镀材料汽化成分子、原子或电离，使之与反应气体如氮气作用，在基体表面沉积一层具有特殊性能的涂层。物理气相沉积过程可分为三个阶段：待镀材料的汽化，即成膜材料的蒸发、升华、被溅射；气化或溅射出的原子、分子或离子向基体表面的运动，包括运动过程中与其它粒子的碰撞、结合等；原子或分子被基体表面吸附、迁移、形核和堆积生长。物理气相沉积技术又可分为以下三类：①真空蒸发镀技术。真空镀膜技术是PVD刀具涂层中最早出现的技术，在真空条件下，利用电阻加热、高频感应加热或高能离子束加热沉积材料，使之转变为汽态，然后沉积在刀具表面。蒸发镀膜过程中工作压强比较低，一般小于等于10-2Pa，原子或分子在向基体接近的过程中与其它粒子的碰撞较少，因此这些原子或分子的能量比较大，形成的涂层与基体结合牢固，沉积速率也较快，镀膜效率高。②离子镀技术。离子镀膜技术是在刀具基体与蒸发源之间施加一电场，在适当的压强下使刀具与蒸发源之间产生冷致弧光放电，利用电弧辐射的热量加热靶材并将其熔化、蒸发，在弧光区，靶材原子与电子和气体离子发生碰撞，产生离化，在电场的作用下加速飞向刀具基体，并发生碰撞，最终附着在刀具表面形成涂层。若在镀膜过程中通入N2、O2等则会发生反应，形成相应的化学物涂层。离子镀的优点是沉积原子或分子的能量大，离化率高，沉积速率大，涂层组织好，涂层与基体的结合强度高。工业上常用的离子镀技术主要是空心阴极离子镀和电弧离子镀，由于电弧离子镀制备的涂层组织致密，质量好，而且效率高，因而是目前使用的最广泛的物理涂层技术。③反应磁控溅射技术。反应磁控溅射技术是利用电子或离子对靶材表面进行轰击，使靶材原子从表面逸出，逸出的原子在向基体靠近的过程中与其它原子或气体分子或电子发生碰撞，能量降低，也有部分原子发生离化，形成正离子，最终沉积到基体表面与活性气体分子或原子发生化学反应，形成化合物。一般通入的活性气体为氮气，因此可在基体表面形成氮化物涂层。总压强、气体成分和流量、基体偏压、基体温度是溅射镀膜的主要参数，它们与沉积原子或离子的能量密切相关，从而影响到沉积速率和涂层组织。反应磁控溅射技术与离子镀技术相比，沉积效率较低，原子的离化率也比较低，制备的涂层组织中存在的应力也较大，因此涂层与基体的结合强度往往不如离子镀制备的涂层。但反应磁控溅射技术在镀膜过程中，不存在“熔滴”现象，获得的涂层表面平整，表面光洁度好，涂层内部组织致密。反应磁控溅射技术近几年发展迅速，它是物理气相沉积技术中广泛使用的一种涂层或薄膜制备方法，具有很好的发展前景。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种工模具表面复合氮化物涂层制备工艺，该工艺能够提高工模具的综合性能。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：工模具表面复合氮化物涂层制备工艺，镀膜时，采用了真空离子蒸发镀与磁控溅射离子镀相结合的二元蒸发源技术；在N2与Ar的混合气氛下，通过电子束蒸发源蒸发Ti元素，形成传统的TiN薄膜，在沉积形成TiN膜的同时，通过磁控溅射源植入Me元素，在工模具表面镀制(Ti，Me)N层；所述Me为Ti、Al、Cr、Si中的至少一种。本领域技术人员理解的是，TiN是一种非常理想的薄膜体系，有着广泛的制备基础，如CAE、MS、HCD等方法皆可满足工业化生产要求。TiN具有优异的物理、化学性能，是低速切削加工刀具的理想涂层材料。但传统的TiN硬度相对较低、耐磨性欠缺、热稳定性差，限制了其更广泛的应用。从现在的发展理念解析，过渡族金属的二元氮化物、碳化物往往可以彼此互溶，通过向TiN膜中添加某些元素，可形成所谓复合型氮化合物，进而可以从根本上改变TiN薄膜的性能，改善其抗磨损性和热稳定性。以TiN为基，多元合金化可改变控制薄膜的物相结构，获得所谓的(TiX，Mel-X)N膜系，Me表示金属，X表示百分含量。本专利技术对Ti和Me含量无具体要求，要求保护工艺，所以本专利技术将其表示为(Ti，Me)N，这也是本领域常规表示方式。本专利技术所指的工模具主要是指高速钢工模具或硬质合金刀具。其中，上述工艺包括如下步骤：a、镀膜前准备工序；b、镀膜；(1)镀制Ti层；(2)镀制TiN层；(3)镀制(Ti，Me)N层。进一步的，上述工艺步骤(3)镀制(Ti，Me)N层时，开启蒸发源和溅射靶源，控制灯丝电流170～230A，氩气流量23～35Sccm，磁场电流23～35A，氮气流量80～120Sccm，弧电流200A，溅射电流1～2A，偏压100～150V。进一步的，上述工艺步骤(2)镀制TiN层时，开启蒸发源，控制灯丝电流170～230A，氩气流量23～35Sccm，磁场电流23～35A，氮气流量80～120Sccm，弧电流200A，偏压调至180V。进一步的，上述工艺步骤(1)镀制Ti层时，开启蒸发源，控制灯丝电流170～230A，氩气流量23～35Sccm，磁场电流23～35A，偏压调至电压直流0～200V、脉冲300～500V，弧电流200A。进一步的，上述工艺步骤a镀膜前准备工序包括如下步骤：(1)工模具处理及设备检查；(2)抽真空及预加热；(3)电子束加热；(4)气体等离子刻蚀。进一步的，上述工艺步骤(4)气体等离子刻蚀时，控制灯丝电流170～230A，弧电流100～120A，磁场电流6～8A，真空室压强2×10-1Pa，Ar气流量50～65Sccm；启开偏压电源，逐渐加电压至直流200V、脉冲300～500V。再进一步的，上述工艺气体等离子刻蚀时间50～90min。上述工艺步骤b镀膜后将工模具冷却60～120min。本专利技术的有益效果是：本专利技术工艺，可有效控制膜的结晶、生长模式，改变传统的(111)面的单一取向，呈现出(111)、(200)、(220)三重取向晶体微观结构，使得涂层产品的耐磨性得到提高；本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
工模具表面复合氮化物涂层制备工艺，其特征在于：镀膜时，采用了真空离子蒸发镀与磁控溅射离子镀相结合的二元蒸发源技术；在N2与Ar的混合气氛下，通过电子束蒸发源蒸发Ti元素，形成传统的TiN薄膜，在沉积形成TiN膜的同时，通过磁控溅射源植入Me元素，在工模具表面镀制(Ti，Me)N层；所述Me为Ti、Al、Cr、Si中的至少一种。

【技术特征摘要】
1.工模具表面复合氮化物涂层制备工艺，其特征在于：镀膜时，采用了真空离子蒸发镀与磁控溅射离子镀相结合的二元蒸发源技术；在N2与Ar的混合气氛下，通过电子束蒸发源蒸发Ti元素，形成传统的TiN薄膜，在沉积形成TiN膜的同时，通过磁控溅射源植入Me元素，在工模具表面镀制(Ti，Me)N层；所述Me为Ti、Al、Cr、Si中的至少一种。2.根据权利要求1所述的工模具表面复合氮化物涂层制备工艺，其特征在于包括如下步骤：a、镀膜前准备工序；b、镀膜；(1)镀制Ti层；(2)镀制TiN层；(3)镀制(Ti，Me)N层。3.根据权利要求2所述的工模具表面复合氮化物涂层制备工艺，其特征在于：步骤(3)镀制(Ti，Me)N层时，开启蒸发源和溅射靶源，控制灯丝电流170～230A，氩气流量23～35Sccm，磁场电流23～35A，氮气流量80～120Sccm，弧电流200A，溅射电流1～2A，偏压100～150V。4.根据权利要求2所述的工模具表面复合氮化物涂层制备工艺，其特征在于：步骤(2)镀制TiN层时，开启蒸发源，控制灯丝电流170～230A，氩气流量23～35Sccm，磁场电流23～35A，氮气流量80...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海波，刘亚，鲜广，梁红樱，但秦，
申请(专利权)人：成都真锐科技涂层技术有限公司，成都天科精密制造有限责任公司，四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51