一種多層納米復合涂層沖壓模具及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明提供了一種多層納米復合涂層沖壓模具，應用于機械加工行業，屬于機械沖壓模具加工領域，本發明還提供了上述模具的制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著現代工業的發展，模具應用越來越廣泛，模具工業已成為工業發展的基礎。近幾年，我國模具工業以每年15%左右的速度快速發展，在世界模具產值中所占的比例顯著提尚。
[0003]模具80%以上的失效是因為表面損傷，由于模具在承受外力時表面受力最復雜，零件結構及服役條件等因素引起的應力大多集中在表面，使表面比心部處于更嚴酷的工作條件下，從而導致模具表面早期破壞。采用表面處理技術可以大大提高模具的表面性能，模具表面傳統硬化工藝有:表面滲氮、碳氮共滲、電鍍硬鉻或鎳等技術，在模具淬火后進行表面滲氮或碳氮化物，能在低于回火溫度下實現1000HV以上的表面硬度，同時提高表面的抗腐蝕、耐磨和抗龜裂等特性，并降低摩擦系數。
[0004]但是，這些模具無法承受高溫高壓的等工況，不適宜用于鋼鋁等材料的加工，至于電鍍硬鉻或鎳，則因其抗疲勞性較差，一旦失效就會出現龜裂現象，改善的方法之一是加厚鍍層，但卻會使鍍層的附著力降低，同時使表面精度及光潔度下降。
[0005]為了解決模具使用中的這些問題，科研人員進行了大量研究，發現物理氣相沉積表面涂層技術，涂鍍的涂層硬度高、耐磨性好，抗高溫、耐腐蝕，涂覆在模具上可大大提高模具使用性能，工件經涂層處理后壽命和生產效率都能夠增加3-10倍。
[0006]物理氣相沉積技術制備的涂層材料種類繁多，涂層結構千差萬別，不同的涂層材料面對相同的加工工況，其使用效果大不一樣；相同的涂層材料面對不同的加工工況，使用效果也不一樣；相同的涂層材料，不同的涂層結構，涂層性能同樣大不一樣。
【發明內容】
[0007]本發明提供了一種多層納米復合涂層沖壓模具，該涂層模具具有較高的硬度、良好的耐磨耐腐蝕及自潤滑性能；并且此結構涂層對不同基體材質具有廣泛的實用性，同時易于產業化推廣。
[0008]實現本發明上述目的所采用的技術方案為:
[0009]一種多層納米復合涂層沖壓模具，至少包括模具基體，所述的模具基體上由內至外依次附著有過渡層、連接層A、主耐磨層、連接層B以及自潤滑層，所述的過渡層為TiN或CrN，所述連接層A為TiN和CrN交替構成的納米多層，所述主耐磨層為TiN、CrN和MoN交替構成的納米多層，所述連接層B為CrN和MoN交替構成的納米多層，所述自潤滑層為MoN。
[0010]所述過度層的厚度為1?2微米；所述連接層A的厚度50?200納米；所述主耐磨層的厚度為2?5微米；所述連接層B的厚度為50?200納米；所述自潤滑層的厚度為200?500納米。[0011 ] 所述連接層A中，單層TiN厚度為15-25nm，單層CrN厚度為20_30nm ;所述主耐磨層中單層TiN厚度為6-10nm，單層CrN為厚度8_12nm，單層MoN為厚度5_10nmo
[0012]所述的模具基體的材質為模具鋼、高速鋼或硬質合金。
[0013]本發明中還提供了制備上述多層納米復合涂層沖壓模具的方法，該制備過程簡單易行，極易于工業化生產。
[0014]實現本發明上述目的所采用的技術方案為:
[0015]—種制備上述多層納米復合涂層沖壓模具的方法，包括以下步驟:(1)、將表面潔凈的模具基體裝夾在工件架上，在0.005?0.03Pa的真空環境，380?500°C溫度下加熱處理1?3小時；
[0016](2)、加熱完畢后，在0.007?0.05Pa真空環境、400?500°C溫度、1?3rpm轉速、-600?-1000V偏壓條件下，對模具基體進行Ti或Cr離子刻蝕20?30分鐘；
[0017](3)、金屬離子刻蝕結束后，在0.5?2Pa氮氣真空環境、400?500°C溫度、1?3rpm轉速、-80?-150V偏壓條件下，在模具基體上沉積TiN或CrN過渡層；
[0018](4)、過渡層沉積結束后，0.5?2Pa氮氣真空環境、400?500°C溫度、1?3rpm轉速、-50?-100V偏壓條件下，在過渡層上沉積TiN/CrN連接層A ;
[0019](5)、連接層A沉積結束后，2?5Pa氮氣真空環境、400?500°C溫度、1?3rpm轉速、-30?-80V偏壓條件下，在連接層上A上沉積TiN/CrN/MoN主耐磨層；
[0020](6)、主耐磨層沉積結束后，在2?5Pa氮氣真空環境、400?500°C溫度、1?3rpm轉速、-50?-100V偏壓條件下，在主耐磨層上沉積CrN/MoN連接層B ；
[0021](7)、連接層B沉積結束后，在1?3Pa氮氣真空環境、400?500°C溫度、1?3rpm轉速、-80?-150V偏壓條件下，在連接層B上沉積自潤滑層MoN。
[0022](8)、沉積結束后，真空環境下自然冷卻，當溫度降低到100°C以下時，打開真空腔體，取出多層納米復合涂層沖壓模具。
[0023]本發明針對現有模具表面處理技術的不足，采用物理氣相沉技術，提供了一種多層納米復合涂層模具及其制備方法，在各種材質模具基體材料上通過物理氣相沉積技術涂覆由TiN或CrN、TiN/CrN、TiN/CrN/MoN、CrN/MoN、MoN依次構成的多層納米復合涂層。本發明的涂層結構一方面使復合涂層具有較高性能；另一方面可以使涂層與基體具有良好的附著力；同時還具有簡單易行的可操作性。本發明制備的多層納米復合材料可重復性高，極易大規模工業化生產。本發明制備的納米復合涂層模具具有良好的膜基結合力、高的硬度(35GPa)和低摩擦系數(小于0.5)。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明所提供的多層納米復合涂層沖壓模具的制備裝置結構示意圖；
[0025]圖2為本發明制備的多層納米復合涂層結構示意圖；
[0026]圖中:1_抽真空系統；2_真空室；3_工件架；4_加熱器；5_金屬靶；6_爐門。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖及具體實施例對本發明做詳細具體的說明，但是本發明的保護內容不局限于以下實施例。
[0028]本發明所提供的下列實施例中用來制備多層納米復合涂層沖壓模具的裝置如圖1所示，該裝置的真空室2由爐壁圍成，真空室2高度為1000mm，直徑為900mm。其內壁固裝有加熱器4，用于加熱除氣和鍍膜過程升溫。真空室側面設有爐門6，以方便工件的裝卸。真空室設有抽真空系統1，抽真空系統1由一個擴散栗、一個羅茨栗和兩個機械栗構成，用來維持鍍膜腔的真空，本底真空可達到7X 10 4Pa。金屬靶5分布于真空室2的爐壁兩側及爐門6上，為提高涂層與工件之間的附著力，工件偏壓由30kW直流脈沖電源提供，偏壓可在0?-1000V范圍內連續調節；模具裝在工件架3上；氮氣、氬氣分別有質量流量計控制，轉架繞爐體中心軸的公轉，以保證鍍膜的均勻性。
[0029]實施例1
[0030]本實施例中所提供的多層納米復合涂層沖壓模具的制備方法如下:
[0031]首先，將模具清洗干凈，裝夾在設備工件架上，并對設備抽真空。在真空度為0.03Pa開始對模具進行加熱，溫度控制在380°C，加熱3個小時；加熱結束后，在0.05Pa真空度，溫度控制在400°C，工件轉速lrpm，偏壓-600V對基體進行金屬離子刻蝕；金屬離子刻蝕結束后，在氣壓0.5Pa，偏壓保持在-80V，溫度控制在400°C，轉速lrpm，得到厚度為1微米的TiN或CrN過渡層；在氮氣環境下，氣壓控制在0.5Pa，偏壓控制在-50V，溫度400°