压铸模具表面AlCrYN/AlCrSiN纳米复合梯度涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种压铸模具表面AlCrYN/AlCrSiN纳米复合梯度涂层及制备方法，涂层自压铸模具表面向外依次包括CrY结合层、CrYN的过渡层、CrYN/AlCrSiN纳米复合多层膜的支撑层、AlCrYN/AlCrSiN纳米复合多层膜的防橘皮缺陷耐磨耐温层；结合层由电弧离子镀方法制备；过渡层在氮气环境下采用电弧离子镀方法制备；支撑层采用电弧离子镀方法制备，由CrYN层和AlCrSiN层逐层交替形成，防橘皮缺陷耐磨耐温层采用电弧离子镀方法制备，由AlCrYN层和AlCrSiN层逐层交替形成；利用稀土掺杂和纳米多层结构两个设计思路，进一步完善AlCrN涂层的性能，使其具备良好的抗黏着和耐温性能，解决黏着导致的橘皮缺陷问题。

【技术实现步骤摘要】
压铸模具表面AlCrYN/AlCrSiN纳米复合梯度涂层及其制备方法
本专利技术属于薄膜材料
，具体涉及一种压铸模具表面AlCrYN/AlCrSiN纳米复合梯度涂层及其制备方法。
技术介绍
汽车是压铸技术应用的主要领域，占到压铸件应用的70％以上。在“汽车轻量化”及新能源汽车发展已成必然趋势的大背景下，目前除汽车发动机、变速箱、传动系统等采用大量精密压铸件外，车身框架等大型构件也开始采用铝合金压铸件。据统计特斯拉ModelS系列车型中95％结构采用铝合金材料压铸成型。压铸模具是压铸生产线中最为重要的组成部分。高压、高速是压铸的主要特征。在压铸过程结束后，铝液将发生凝固。由于铝液和模具表面的相互作用将会引起涂层和凝固铝件之间的粘连，当脱模时经常会导致工件表面出现黏附撕裂损伤，形成所谓的“橘皮”效应。严重增加后续加工工序的难度和产品报废，是压铸企业重点关注的急需解决的问题。针对该问题，目前主要采用表面处理的方法解决，主要包括氮化、PVD、CVD等技术处理。但效果欠佳，不能很好的解决橘皮损伤的问题。压铸过程是一个复杂的多物理场耦合问题，具有典型的基体和涂层材料的弹塑性变形过程，也有涂层的耐磨耐温以及粘铝等冶金过程的作用。涂层材料的硬度、韧性和耐温性能都会影响到最终的模具性能。对压铸模具表面进行氮化、渗钒、PVD和CVD等处理可提高模具表面的抗粘着以及抗冲蚀性能，但其寿命有限，不能较好满足压铸模具长寿命高可靠的使用需求，急需开发新型防护涂层。纳米多层膜是近年来发展的新型超硬涂层材料，由于其独特的增硬增韧效应，使其与常规氮化物涂层相比具有更高的硬度、耐温及耐磨性能。针对铝合金压铸过程中具对涂层高硬度高韧性的特殊要求，将超硬氮化物纳米涂层镀于模具的表面，使模具基体保持较高的强度，同时镀于表面的涂层又可以发挥其“超硬、强韧、耐温、耐磨、自润滑”的效果，赋予压铸模具优异的加工能力。纳米多层膜是以两种晶格常数相近的材料通过交替沉积形成多层结构来提高材料的硬度和韧性。最初为金属/金属体系，后来逐步扩展到金属和氮化物、碳化物、硼化物等材料中。由于氮化物性能优良，制备容易，所以氮化物/氮化物的体系研究较多。形成纳米多层膜后最明显的优势就是硬度的增加，如TiN/VN多层膜当调制周期为5.2nm时，其硬度达到最高值为5560HV。目前发展的纳米多层膜已经有几十种。此外纳米多层膜还可以提高涂层的热稳定性。AlCrN涂层为硬质涂层的典型代表，相比CrN涂层，加入Al而形成的三元AlCrN涂层在抗磨损和高温氧化等方面的性能得到极大提高，加入Al后所形成的AlCrN涂层拥有高硬度及良好的抗黏着等特性，因此在高载荷条件下表现出明显优越的耐磨损特性；相比AlTiN涂层，由于Cr具有比Ti更高的熔点，以Cr代替Ti的AlCrN涂层耐高温氧化温度能明显提高、摩擦系数更小、排屑能力更强，抗粘结性好、韧性更好，虽然硬度稍有降低，但综合性能更为优异。此外，AlCrN涂层在1000℃时硬度仍保持27GPa，这是目前氮化物在该温度下的较高的硬度值。为了进一步提高涂层的抗黏着性能和耐温性，将硅加入涂层中形成AlCrSiN涂层是目前常用的手段。通过硅的加入将涂层形成纳米晶-非晶结构，将涂层的耐温性提高到1100℃。此外，通过稀土掺杂也是提高AlCrN涂层性能的有效方式，主要通过稀土可以细化晶粒提高涂层的致密度。目前针对压铸模具苛刻的使用环境，AlCrSiN涂层具有良好的应用潜力。主要利用其在模具表面的高抗黏着性能和耐温性能。为了进一步提高其冲击能力和韧性，延长模具的使用寿命，将其多层纳米化是一个有效的思路。但目前很多研究主要集中在耐温耐磨性能研究，而对其抗黏着性能研究不够。
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硬度高、韧性好、耐温抗粘的压铸模具表面AlCrYN/AlCrSiN纳米复合梯度涂层，进一步提供该涂层的制备方法，从而提高压铸模具的使用寿命。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：压铸模具表面AlCrYN/AlCrSiN纳米复合梯度涂层包括结合层、过渡层、支撑层、防橘皮缺陷耐磨耐温层，结合层为电弧离子镀方法制备的掺稀土CrY层，过渡层为电弧离子镀方法沉积的CrYN层，支撑层为CrYN/AlCrSiN纳米复合多层膜，防橘皮缺陷耐磨耐温层为AlCrYN/AlCrSiN纳米复合多层膜。本专利技术解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的CrYN/AlCrSiN纳米复合多层膜由CrYN层和AlCrSiN层交替生长形成，厚度为500-2000纳米；CrYN层的单层厚度为5-10纳米，AlCrSiN层的单层厚度为5-20纳米，调制周期为10-30纳米。本专利技术解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的AlCrYN/AlCrSiN纳米复合多层膜由AlCrYN层和AlCrSiN层交替生长形成，厚度为1000-5000纳米；AlCrYN层的单层厚度为5-10纳米，AlCrSiN层的单层厚度为5-20纳米，调制周期为10-30纳米。本专利技术解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的压铸模具的表面粗糙度为Rz1.6-Rz50，采用喷砂方法进行制备。本专利技术的另一个主题为：压铸模具表面AlCrYN/AlCrSiN纳米复合梯度涂层的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将压铸模具进行喷砂处理，调整喷砂压力，获取所需的表面粗糙度；步骤2、将步骤1的压铸模具进行离子氮化，获取所需的氮化层深度；步骤3、准备电弧离子镀设备，将压铸模具放在电弧离子镀设备的真空室内的工件架上，对压铸模具进行离子刻蚀清洗，使得模具表面达到镀膜的要求；步骤4、开启CrY靶，在步骤3所得的压铸模具表面制备结合层，所述的结合层为CrY层；步骤5、通入氮气，采用电弧离子镀方法在步骤4所得的压铸模具表面沉积CrYN作为过渡层；步骤6、开启AlCrY靶，当压铸模具旋转到CrY靶前面时形成CrYN层，当压铸模具旋转到AlCrSiN靶前面时形成AlCrSiN层，压铸模具不停旋转，就会在压铸模具表面逐层形成交替的CrYN/AlCrSiN纳米复合多层，以作为支撑层；步骤7、关闭CrY靶，随后打开AlCrY靶，压铸模具在旋转过程中交替在表面生成AlCrYN层和AlCrSiN层，形成AlCrYN/AlCrSiN纳米复合多层膜；之后关闭电弧离子镀设备，自然冷却，得到AlCrYN/AlCrSiN纳米复合梯度涂层。本专利技术另一个主题的进一步优选的技术方案为：所述步骤1中，喷砂压力为0.3-0.8MPa。本专利技术另一个主题的进一步优选的技术方案为：所述步骤2中制备的工艺参数为：在300-500Pa条件下，氮化深度为50-200微米。本专利技术另一个主题的进一步优选的技术方案为：所述步骤3中制备的工艺参数为：刻蚀电压20-150V，刻蚀深度0.1-0.5微米。本专利技术另一个主题的进一步优选的技术方案为：所述步骤4中制备的工艺参数为：在0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.压铸模具表面AlCrYN/AlCrSiN纳米复合梯度涂层，其特征在于自压铸模具表面向外依次包括结合层、过渡层、支撑层、防橘皮缺陷耐磨耐温层，结合层为电弧离子镀方法制备的掺稀土CrY层，过渡层为电弧离子镀方法沉积的CrYN层，支撑层为CrY N/AlCrSiN纳米复合多层膜，防橘皮缺陷耐磨耐温层为AlCrYN/AlCrSiN纳米复合多层膜。/n

【技术特征摘要】
1.压铸模具表面AlCrYN/AlCrSiN纳米复合梯度涂层，其特征在于自压铸模具表面向外依次包括结合层、过渡层、支撑层、防橘皮缺陷耐磨耐温层，结合层为电弧离子镀方法制备的掺稀土CrY层，过渡层为电弧离子镀方法沉积的CrYN层，支撑层为CrYN/AlCrSiN纳米复合多层膜，防橘皮缺陷耐磨耐温层为AlCrYN/AlCrSiN纳米复合多层膜。


2.根据权利要求1所述的压铸模具表面AlCrYN/AlCrSiN纳米复合梯度涂层，其特征在于所述的CrYN/AlCrSiN纳米复合多层膜由CrYN层和AlCrSiN层交替生长形成，厚度为500-2000纳米；CrYN层的单层厚度为5-10纳米，AlCrSiN层的单层厚度为5-20纳米，调制周期为10-30纳米。


3.根据权利要求1所述的压铸模具表面AlCrYN/AlCrSiN纳米复合梯度涂层，其特征在于所述的AlCrYN/AlCrSiN纳米复合多层膜由AlCrYN层和AlCrSiN层交替生长形成，厚度为1000-5000纳米；AlCrYN层的单层厚度为5-10纳米，AlCrSiN层的单层厚度为5-20纳米，调制周期为10-30纳米。


4.根据权利要求1所述的压铸模具表面AlCrYN/AlCrSiN纳米复合梯度涂层，其特征在于所述的压铸模具的表面粗糙度为Rz1.6-Rz50，采用喷砂方法进行制备。


5.压铸模具表面AlCrYN/AlCrSiN纳米复合梯度涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、将压铸模具进行喷砂处理，调整喷砂压力，获取所需的表面粗糙度；
步骤2、将步骤1的压铸模具进行离子氮化，获取所需的氮化层深度；
步骤3、准备电弧离子镀设备，将压铸模具放在电弧离子镀设备的真空室内的工件架上，对压铸模具进行离子刻蚀清洗，使得模具表面达到镀膜的要求；
步骤4、开启CrY靶，在步骤3所得的压铸模具表面制备结合层，所述的结合层为CrY层；
步骤5、通入氮气，采用电弧离子镀方法在...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨兵，朱恩光，蒋佳丽，朱杨俊，卢嘉日，潘崇恩，吴伟，周林，
申请(专利权)人：宁波迈柯新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33