用于鋁壓鑄模具的涂層材料以及制備該涂層材料的方法
用于鋁壓鑄模具的涂層材料以及制備該涂層材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于鋁壓鑄模具的涂層材料以及制備該涂層材料的方法。該涂層材料包括形成在基材的表面上的CrN結合層、布置在CrN結合層的表面上的TiAlN/CrN納米多層、以及布置在TiAlN/CrN納米多層的表面上的TiAlN/CrSi(C)N納米多層。由于涂層材料優(yōu)異的耐咬合性、耐熱性和高溫穩(wěn)定性，用于鋁壓鑄模具的涂層材料可在高溫環(huán)境下保持模具的物理特性，從而延長模具的使用壽命。
【專利說明】用于鋁壓鑄模具的涂層材料以及制備該涂層材料的方法
[0001]相關專利的交叉引用
[0002]本申請基于35U.S.C.§ 119要求于2012年8月7日在韓國知識產(chǎn)權局提交的韓國專利申請第10-2012-86083號的優(yōu)先權，其全部公開內(nèi)容通過引用的方式合并入本文。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及用于鋁壓鑄模具的涂層材料以及制備該涂層材料的方法。更具體地，本發(fā)明涉及具有多層結構并顯示出改善的耐咬合性和模具耐用性的鋁壓鑄模具用的涂層材料，以及制備該涂層材料的方法，其中多層結構包括CrN結合層、TiAlN/CrN納米多層、TiAlN/CrSiN 或 TiAlN/CrSiCN 納米多層。
【背景技術】
[0004]近年來，由于制造工藝已經(jīng)變得自動化并以高速執(zhí)行，多種金屬材料，例如模具、機械結構等，在更苛刻的條件下使用。
[0005]具體而言，由于連續(xù)的高負載和高沖擊，鋁壓鑄模具需要高水平的物理性能，因此鋁壓鑄模具的使用壽命由模具材料、模具設計、工作條件、模具的熱處理以及表面處理等決定。因為熱沖擊造成的熱裂、熔融鋁造成的咬合和磨損、高溫工作環(huán)境(例如，高達750°C)造成的熱塑煉等，使用壽命降低。
[0006]因此，已做出各種嘗試來防止模具使用壽命的縮短并保持模具性能。具體地，已進行廣泛的有效研究來開發(fā)具有優(yōu)異物理特性例如耐咬合性、耐磨性、低磨性、耐熱性、耐酸性等的涂層材料。
[0007]對于傳統(tǒng)模具，將基于鈦(Ti)、鉻(Cr)等的氮化物或碳化物用作表面保護涂層材料。具體地，在鋁壓鑄模具中，通常將`氮化鋁鈦(TiAlN)或氮化鉻鋁(AlCrN)用作涂層材料。然而，TiAlN不具有充足的耐熱性以用作暴露于高達約750°C高溫環(huán)境的鋁壓鑄模具的涂層材料，且TiAlN具有較差的熱穩(wěn)定性，例如，當暴露于高溫環(huán)境時，顯示出較差的物理特性。
[0008]此外，相比于TiAIN，AlCrN具有相對優(yōu)良的耐熱性，但其耐咬合性較差，所以熔融的合金例如鋁可容易地附著至模具的表面，導致模具的使用壽命縮短并降低鑄鐵產(chǎn)品的質量。
[0009]以上作為本發(fā)明相關技術而提供的描述僅用于幫助理解本發(fā)明的背景，不應當視為包括在本領域技術人員所知的相關技術中。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本發(fā)明已建議解決以上缺點，并提供相比于傳統(tǒng)氮化鋁鈦(TiAlN)或氮化鉻鋁(AlCrN)涂層材料具有優(yōu)良耐熱性、高溫穩(wěn)定性和耐咬合性的用于鋁壓鑄模具的涂層材料，從而延長模具的使用壽命。本發(fā)明也提供制備該涂層材料的方法。
[0011]根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于鋁壓鑄模具的涂層材料包括，形成在基材表面上的氮化鉻(CrN)結合層、布置在CrN結合層的表面上的TiAlN/CrN納米多層、以及布置在TiAlN/CrN納米多層的表面上的TiAlN/CrSi (C)N (氮化硅碳鉻)納米多層。
[0012]此外，TiAlN/CrSi(C)N納米多層可具有0.5~5μπι的厚度。CrN結合層和TiAlN/CrN納米多層可分別具有0.5飛μ m的厚度。
[0013]根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于鋁壓鑄模具的涂層材料的制備方法包括，響應于經(jīng)氣體入口輸入氮氣而形成的氮氣氛圍，使用Cr靶材將CrN結合層沉積在基材的表面上，使用TiAl靶材和Cr靶材將TiAlN/CrN納米多層沉積在所沉積的CrN結合層的表面上，以及使用TiAl靶材和CrSi靶材將TiAlN/CrSiN納米多層沉積在所沉積的TiAlN/CrN納米多層表面上。
[0014]根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于鋁壓鑄模具的涂層材料的制備方法包括，響應于經(jīng)氣體入口輸入氮氣而形成的氮氣氛圍，使用Cr靶材將CrN結合層沉積在基材的表面上，使用TiAl靶材和Cr靶材將TiAlN/CrN納米多層沉積在所沉積的CrN結合層的表面上，以及響應于經(jīng)氣體入口輸入乙炔氣(C2H2^形成的乙炔氣(C2^氛圍，使用TiAl靶材和CrSi靶材將TiAlN/CrSiN納米多層沉積在所沉積的TiAlN/CrN納米多層的表面上，。
[0015]另外，可通過將TiAlN/CrSiN納米多層沉積為約0.5~5 μ m的厚度而進行TiAlN/CrSiN納米多層的沉積?？赏ㄟ^將TiAlN/CrSiCN納米多層沉積為約0.5飛μ m的厚度而進行TiAlN/CrSiCN納米多層的沉積?？赏ㄟ^將CrN結合層沉積至約0.5飛μ m的厚度而進行CrN結合層的沉積，并通過將TiAlN/CrN納米多層沉積至約0.5飛μ m的厚度而進行TiAlN/CrN納米多層的沉積。
[0016]此外，可通過將TiAlN/CrN納米多層沉積為TiAlN/CrN納米多層中的T1、Al和Cr的比值為1: 1: 1，來進行TiAlN/CrN納米多層的沉積?？赏ㄟ^將TiAlN/CrSiN納米多層沉積為TiAlN/CrSiN納米多層中的T1、A1 'Cr和Si的比值為1:1:0.9:0.1,來進行TiAlN/CrSiN納米多層的沉積?？赏ㄟ^將TiAlN/CrSiCN納米多層沉積為TiAlN/CrSiCN納米多層中的T1、Al、Cr、Si和C的比值為1:1:0.8:0.1:0.1，來進行TiAlN/CrSiCN納米多層的沉積。
[0017]此外，可使用物理氣相沉積(PVD)法來實施沉積。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]現(xiàn)參考在附圖中圖示的示例性實施方式來詳細描述本發(fā)明的以上和其它特征，附圖在以下僅以說明的方式給出，因此并不限制本發(fā)明，其中:
[0019]圖1是示出根據(jù)相關技術的鋁壓鑄模具的中心翅片上的咬合的示例圖；
[0020]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的TiAlCrSi (C)N涂層材料的結構的示例圖；
[0021]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的用于制造涂層材料的物理氣相沉積(PVD)系統(tǒng)的示例圖；
[0022]圖4是示出于鋁熔融金屬中浸潰并旋轉6小時后用氫氧化鈉清洗的涂覆有傳統(tǒng)TiAlN涂層材料的模具的示例圖；
[0023]圖5是示出于鋁熔融金屬中浸潰并旋轉6小時后用氫氧化鈉清洗的涂覆有傳統(tǒng)AlCrN涂層材料的模具的示例圖；
[0024]圖6是示出于鋁熔融金屬中浸潰并旋轉6小時后用氫氧化鈉清洗的涂覆有根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的涂層材料的模具的示例圖；以及
[0025]圖7是示出于鋁熔融金屬中浸潰并旋轉27小時后用氫氧化鈉清洗的涂覆有根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的涂層材料的模具的示例圖。
【具體實施方式】
[0026]本文所用的術語僅僅是出于描述具體的實施方式的目的，并不意在限制本發(fā)明。本文所用的單數(shù)形式“一個/ 一種”、“該”意在同樣包括復數(shù)形式，除非上下文以其他方式明確指出。還應當理解，在用于本說明書時，術語“包含”、“包括”和/或“含有”是指所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、和/或組件的存在，但并不排除一種或多種其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、和/或組件的存在或加入。本文所用的術語“和/或”包括一種或多種相關所列項的任意或所有組合。
[0027]除非特別說明或從上下文清楚看出，本文所用的術語“約”應理解為在本領域的正常容許范圍內(nèi)，例如在均值的2個標準差內(nèi)。“約”可以理解為在所述數(shù)值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%內(nèi)。除非另外從上下文清楚得到，本文提供的所有數(shù)值都被術語“約”所修飾。
[0028]本發(fā)明所使用的術語“TiAlCrSi(C)N”是指“TiAlCrSiN”或“TiAlCrSiCN”，且本文所使用的術語 “TiAlN/CrSi(C)N” 是指 “TiAlN/CrSiN” 或 “TiAlN/CrSiCN”。
[0029]以下將參照附圖詳細描述本發(fā)明的實施方式。
[0030]圖1是示出在鋁壓鑄模具的中心翅片上出現(xiàn)咬合的示例圖。如圖1所示，當使用鋁壓鑄模具進行鑄造時，從鋁熔融金屬生成咬合產(chǎn)物10。咬合產(chǎn)物10可降低模具表面的硬度，并可造成裂縫、模具損壞等，從而縮短模具壽命。
[0031]此外，鋁壓鑄模具通常需要高水平的物理特性，以承受由極端高的壓力和高循環(huán)造成的苛刻條件。用作傳統(tǒng)涂層材料的TiAlN或AlCrN可表現(xiàn)出較差的耐熱性、高溫穩(wěn)定性、耐咬合性等，因此在模具使用壽命的延長上具有局限性。因此，本發(fā)明提供TiAlCrSi (C)N涂層材料。
[0032]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的TiAlCrSi (C)N涂層材料的結構的示例圖。如圖2中所示，根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的涂層材料可包括，形成在基材100表面上的CrN結合層110、配置成支撐功能層而被布置在CrN結合層110的表面上的TiAlN/CrN納米多層120、以及布置在TiAlN/CrN納米多層120的表面上的功能層TiAlN/CrSi (C) N納米多層130。
[0033]此外，鋁壓鑄模具的基材還可在必要的時候包括氮化合(nitrification)過程形成的厚度為80至120 μ m的氮化物層。
[0034]此外，CrN結合層110因其高化學穩(wěn)定性例如耐腐蝕性及其機械特性例如硬度、耐摩擦性、潤滑特性等而被廣泛運用。因此，在本發(fā)明中，CrN結合層110可被用作結合層，以將殘余應力降至最低并改善韌性、耐疲勞性、耐沖擊性等。
[0035]此外，TiAlN/CrN納米多層120可用作支承層，以改善鋁壓鑄模具所需的特性，例如耐熱性、耐酸性、耐咬合性等。TiAlN/CrSi(C)N納米多層130可用作功能層，以改善本發(fā)明的涂層材料的特性，例如耐熱性、耐酸性、耐磨性、高溫下低摩擦力、以及耐咬合性。
[0036]換言之，耐磨性和耐沖擊性是相互矛盾的特性，其可使用耐沖擊性高的CrN結合層110以及耐磨性高的TiAlN/CrN納米多層120與TiAlN/CrSi (C) N納米多層130來進行改善。
[0037]此外，CrN結合層110可具有約0.5飛μ m的厚度。當厚度小于約0.5 μ m時，不充分量的構成材料可引起耐性效力的降低，反之，當厚度超過約5 μ m時，涂層可能會剝落。
[0038]此外，TiAlN/CrN納米多層120和TiAlN/CrSi (C)N納米多層130可分別具有約
0.5^5 μ m的厚度。當厚度小于約0.5 μ m時,兩個不同的層可能會混合，導致難以形成多層結構，并因此降低材料的品質。另一方面，當厚度超過約5 μ m時，兩層之間的匹配形變(matchedtransformation)可能被破壞，導致硬度變差。
[0039]用涂層涂覆金屬基材表面的方法可被劃分為PVD法和化學氣相沉積(CVD)法。
[0040]PVD是一種干燥加工方法，其向靶材提供負極性并且在以氣相狀態(tài)提供離子化金屬時在材料(例如，基材)的表面上沉積離子化金屬材料。在PVD法中，離子化的金屬材料可均勻地涂覆到基材的表面上，并使用細離子顆粒改善粘附性。
[0041 ] 換言之，在本發(fā)明中，PVD法采用電弧、高功率脈沖磁控濺射(HIPMS)和電感耦合等離子體(ICP)，以獲得納米級沉積以及涂層材料顆粒的高速涂覆。
[0042]圖3是根據(jù)本發(fā)明的用于制造涂層材料的PVD系統(tǒng)的示例圖。如圖3所示，該PVD系統(tǒng)可包括腔室200 ;泵210、0靶材220、1141靶材230、03丨靶材240以及氣體入口 250 ；和安裝在腔室200上的加熱單元260 ；以及安裝在腔室200內(nèi)的旋轉支架270上的模具(例如，基材)。
[0043]作為涂層的預處理工序，可使用泵210將腔室200的內(nèi)部轉變?yōu)檎婵諣顟B(tài)，并通過經(jīng)氣體入口 250輸入氬氣而轉·變?yōu)榈入x子體狀態(tài)。
[0044]此外，清潔基材100的表面，并通過使用加熱裝置260將腔室200加熱至約80°C并通過對模具施加預定電壓使正氬離子碰撞模具的表面，從而活化基材100的表面。此外，可通過氣體入口 250在腔室200中輸入氮氣(N2),以形成氮氣(N2)氛圍，并且可使用Cr靶材220將Cr離子供應至基材100的表面，將CrN結合層110沉積為約0.5飛μ m的厚度。
[0045]另外，使用旋轉支架270，將沉積有CrN結合層110的模具選擇性地暴露于配置成提供Ti和Al離子的TiAl靶材230以及配置成提供Cr離子的Cr靶材220，可將TiAlN/CrN納米多層120沉積為約0.5~5 μ m的厚度，其中TiAlN/CrN納米多層120的結構是TiAlN層和CrN層交替堆疊在CrN結合層110的表面上。
[0046]TiAlN/CrN納米多層120可以是配置成改善基材100的耐熱性、耐酸性、耐磨性和韌性的支承層，且可根據(jù)各個層的交替堆疊而沉積形成T1、Al和Cr在TiAlN/CrN納米多層120中的比值為1:1:1，以將基材的耐熱性、耐酸性、耐磨性和韌性最大化。
[0047]此外，通過將沉積有TiAlN/CrN納米多層120的模具選擇性地暴露于配置成提供Ti和Al離子的TiAl靶材230和配置成提供Cr和Si離子的CrSi靶材240，可將TiAlN/CrSi (C) N納米多層130沉積為約0.5~5 μ m的厚度，其中TiAlN/CrSi (C) N納米多層130的結構是TiAlN層和CrSi (C) N層交替堆疊在TiAlN/CrN納米多層120的表面上。當進行上述工藝，以響應于經(jīng)氣體入口 250在腔室200中輸入乙炔氣(C2H2)而在腔室200中形成乙炔氣(C2H2)氛圍時，可用所供應的碳(C)沉積TiAlN/CrSiCN納米多層，其中TiAlN/CrSiCN納米多層的結構是TiAlN層和CrSiCN層交替堆疊在TiAlN/CrN納米多層120的表面上。
[0048]TiAlN/CrSi (C)N納米多層130可以是配置成改善本發(fā)明涂層材料的特性如耐熱性、耐酸性、耐磨性、高溫下低摩擦和耐咬合性的功能層。由于各個層交替堆疊以將上述效果最大化，TiAlN/CrSi(C)N納米多層130可被沉積形成T1、Al、Cr、Si和(C)的比值為1:1: (0.8~)0.9:0.1: (0.1)。
[0049]表1
[0050]
【權利要求】
1.一種用于鋁壓鑄模具的涂層材料，其包括: CrN結合層,形成在基材的表面上； TiAlN/CrN納米多層，布置在所述CrN結合層的表面上；以及 TiAlN/CrSi (C)N納米多層，布置在所述TiAlN/CrN納米多層的表面上。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于鋁壓鑄模具的涂層材料，其中， 所述TiAlN/CrSi (C)N納米多層具有約0.5~5 μ m的厚度。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于鋁壓鑄模具的涂層材料，其中， 所述CrN結合層和所述TiAlN/CrN納米多層分別具有約0.5飛μ m的厚度。
4.一種制備用于鋁壓鑄模具的涂層材料的方法，包括: 響應于經(jīng)腔室的氣體入口輸入氮氣(N2)而形成的氮氣(N2)氛圍，使用Cr靶材，將CrN結合層沉積在基材的表面上； 使用TiAl靶材和所述Cr靶材，將TiAlN/CrN納米多層沉積在所沉積的CrN結合層的表面上；以及 使用所述TiAl靶材和CrSi靶材，將TiAlN/CrSiN納米多層沉積在所沉積的TiAlN/CrN納米多層的表面上。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中， 所述TiAlN/CrSiCN納米多層的沉積還包括將所述TiAlN/CrSiN納米多層沉積為約0.5~5 μ m的厚度。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中， 所述CrN結合層的沉積還包括，將所述CrN結合層沉積為約0.5飛μ m的厚度，所述TiAlN/CrN納米多層的沉積還包括，將所述TiAlN/CrN納米多層沉積為約0.5飛μ m的厚度。
7.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中， 所述TiAlN/CrN納米多層的沉積還包括，沉積所述TiAlN/CrN納米多層(120)，使所述TiAlN/CrN納米多層中的T1、Al和Cr的比值為1:1:1。
8.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中， 所述TiAlN/CrSiN納米多層的沉積還包括，沉積所述TiAlN/CrSiN納米多層，使所述TiAlN/CrSiN納米多層中的T1、Al、Cr和Si的比值為1:1:0.9:0.1。
9.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中， 使用物理氣相沉積法進行所述沉積。
10.一種制造用于鋁壓鑄模具的涂層材料的方法，包括: 響應于經(jīng)腔室的氣體入口輸入氮氣(N2)而形成的氮氣(N2)氛圍，使用Cr靶材，將CrN結合層沉積在基材的表面上； 使用TiAl靶材和所述Cr靶材，將TiAlN/CrN納米多層沉積在所沉積的CrN結合層的表面上；以及 響應于經(jīng)所述腔室的氣體入口輸入乙炔氣(C2H2)而形成的乙炔氣(C2H2)氛圍，使用所述TiAl靶材和CrSi靶材，將TiAlN/CrSiCN納米多層沉積在所沉積的TiAlN/CrN納米多層的表面上。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中， 所述TiAlN/CrSiCN納米多層的沉積還包括，將所述TiAlN/CrSiN納米多層沉積為約,0.5~5 μ m的厚度。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中， 所述CrN結合層的沉積還包括，將所述CrN結合層沉積為約0.5飛μ m的厚度，所述TiAlN/CrN納米多層的沉積還包括，將所述TiAlN/CrN納米多層沉積為約0.5飛μ m的厚度。
13.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中， 所述TiAlN/CrN納米多層的沉積還包括，沉積所述TiAlN/CrN納米多層，使所述TiAlN/CrN納米多層中的T1、Al和Cr的比值為1:1:1。
14.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中， 通過沉積所述TiAlN/CrSiCN納米多層使所述TiAlN/CrSiCN納米多層中的T1、Al、Cr、Si和C的量的比值為1:1:0.8:0.1:0.1，來進行所述TiAlN/CrSiCN納米多層的沉積。
15.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中， 使用物理氣相沉積法進行所述沉積。
【文檔編號】C23C14/06GK103567374SQ201210592987
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年12月31日 優(yōu)先權日:2012年8月7日
【發(fā)明者】車星澈, 姜同河 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社, 起亞自動車株式會社
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于鋁壓鑄模具的涂層材料以及制備該涂層材料的方法。該涂層材料包括形成在基材的表面上的CrN結合層、布置在CrN結合層的表面上的TiAlN/CrN納米多層、以及布置在TiAlN/CrN納米多層的表面上的TiAlN/CrSi(C)N納米多層。由于涂層材料優(yōu)異的耐咬合性、耐熱性和高溫穩(wěn)定性，用于鋁壓鑄模具的涂層材料可在高溫環(huán)境下保持模具的物理特性，從而延長模具的使用壽命。
【專利說明】用于鋁壓鑄模具的涂層材料以及制備該涂層材料的方法
[0001]相關專利的交叉引用
[0002]本申請基于35U.S.C.§ 119要求于2012年8月7日在韓國知識產(chǎn)權局提交的韓國專利申請第10-2012-86083號的優(yōu)先權，其全部公開內(nèi)容通過引用的方式合并入本文。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及用于鋁壓鑄模具的涂層材料以及制備該涂層材料的方法。更具體地，本發(fā)明涉及具有多層結構并顯示出改善的耐咬合性和模具耐用性的鋁壓鑄模具用的涂層材料，以及制備該涂層材料的方法，其中多層結構包括CrN結合層、TiAlN/CrN納米多層、TiAlN/CrSiN 或 TiAlN/CrSiCN 納米多層。
【背景技術】
[0004]近年來，由于制造工藝已經(jīng)變得自動化并以高速執(zhí)行，多種金屬材料，例如模具、機械結構等，在更苛刻的條件下使用。
[0005]具體而言，由于連續(xù)的高負載和高沖擊，鋁壓鑄模具需要高水平的物理性能，因此鋁壓鑄模具的使用壽命由模具材料、模具設計、工作條件、模具的熱處理以及表面處理等決定。因為熱沖擊造成的熱裂、熔融鋁造成的咬合和磨損、高溫工作環(huán)境(例如，高達750°C)造成的熱塑煉等，使用壽命降低。
[0006]因此，已做出各種嘗試來防止模具使用壽命的縮短并保持模具性能。具體地，已進行廣泛的有效研究來開發(fā)具有優(yōu)異物理特性例如耐咬合性、耐磨性、低磨性、耐熱性、耐酸性等的涂層材料。
[0007]對于傳統(tǒng)模具，將基于鈦(Ti)、鉻(Cr)等的氮化物或碳化物用作表面保護涂層材料。具體地，在鋁壓鑄模具中，通常將`氮化鋁鈦(TiAlN)或氮化鉻鋁(AlCrN)用作涂層材料。然而，TiAlN不具有充足的耐熱性以用作暴露于高達約750°C高溫環(huán)境的鋁壓鑄模具的涂層材料，且TiAlN具有較差的熱穩(wěn)定性，例如，當暴露于高溫環(huán)境時，顯示出較差的物理特性。
[0008]此外，相比于TiAIN，AlCrN具有相對優(yōu)良的耐熱性，但其耐咬合性較差，所以熔融的合金例如鋁可容易地附著至模具的表面，導致模具的使用壽命縮短并降低鑄鐵產(chǎn)品的質量。
[0009]以上作為本發(fā)明相關技術而提供的描述僅用于幫助理解本發(fā)明的背景，不應當視為包括在本領域技術人員所知的相關技術中。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本發(fā)明已建議解決以上缺點，并提供相比于傳統(tǒng)氮化鋁鈦(TiAlN)或氮化鉻鋁(AlCrN)涂層材料具有優(yōu)良耐熱性、高溫穩(wěn)定性和耐咬合性的用于鋁壓鑄模具的涂層材料，從而延長模具的使用壽命。本發(fā)明也提供制備該涂層材料的方法。
[0011]根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于鋁壓鑄模具的涂層材料包括，形成在基材表面上的氮化鉻(CrN)結合層、布置在CrN結合層的表面上的TiAlN/CrN納米多層、以及布置在TiAlN/CrN納米多層的表面上的TiAlN/CrSi (C)N (氮化硅碳鉻)納米多層。
[0012]此外，TiAlN/CrSi(C)N納米多層可具有0.5~5μπι的厚度。CrN結合層和TiAlN/CrN納米多層可分別具有0.5飛μ m的厚度。
[0013]根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于鋁壓鑄模具的涂層材料的制備方法包括，響應于經(jīng)氣體入口輸入氮氣而形成的氮氣氛圍，使用Cr靶材將CrN結合層沉積在基材的表面上，使用TiAl靶材和Cr靶材將TiAlN/CrN納米多層沉積在所沉積的CrN結合層的表面上，以及使用TiAl靶材和CrSi靶材將TiAlN/CrSiN納米多層沉積在所沉積的TiAlN/CrN納米多層表面上。
[0014]根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于鋁壓鑄模具的涂層材料的制備方法包括，響應于經(jīng)氣體入口輸入氮氣而形成的氮氣氛圍，使用Cr靶材將CrN結合層沉積在基材的表面上，使用TiAl靶材和Cr靶材將TiAlN/CrN納米多層沉積在所沉積的CrN結合層的表面上，以及響應于經(jīng)氣體入口輸入乙炔氣(C2H2^形成的乙炔氣(C2^氛圍，使用TiAl靶材和CrSi靶材將TiAlN/CrSiN納米多層沉積在所沉積的TiAlN/CrN納米多層的表面上，。
[0015]另外，可通過將TiAlN/CrSiN納米多層沉積為約0.5~5 μ m的厚度而進行TiAlN/CrSiN納米多層的沉積?？赏ㄟ^將TiAlN/CrSiCN納米多層沉積為約0.5飛μ m的厚度而進行TiAlN/CrSiCN納米多層的沉積?？赏ㄟ^將CrN結合層沉積至約0.5飛μ m的厚度而進行CrN結合層的沉積，并通過將TiAlN/CrN納米多層沉積至約0.5飛μ m的厚度而進行TiAlN/CrN納米多層的沉積。
[0016]此外，可通過將TiAlN/CrN納米多層沉積為TiAlN/CrN納米多層中的T1、Al和Cr的比值為1: 1: 1，來進行TiAlN/CrN納米多層的沉積?？赏ㄟ^將TiAlN/CrSiN納米多層沉積為TiAlN/CrSiN納米多層中的T1、A1 'Cr和Si的比值為1:1:0.9:0.1,來進行TiAlN/CrSiN納米多層的沉積?？赏ㄟ^將TiAlN/CrSiCN納米多層沉積為TiAlN/CrSiCN納米多層中的T1、Al、Cr、Si和C的比值為1:1:0.8:0.1:0.1，來進行TiAlN/CrSiCN納米多層的沉積。
[0017]此外，可使用物理氣相沉積(PVD)法來實施沉積。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]現(xiàn)參考在附圖中圖示的示例性實施方式來詳細描述本發(fā)明的以上和其它特征，附圖在以下僅以說明的方式給出，因此并不限制本發(fā)明，其中:
[0019]圖1是示出根據(jù)相關技術的鋁壓鑄模具的中心翅片上的咬合的示例圖；
[0020]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的TiAlCrSi (C)N涂層材料的結構的示例圖；
[0021]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的用于制造涂層材料的物理氣相沉積(PVD)系統(tǒng)的示例圖；
[0022]圖4是示出于鋁熔融金屬中浸潰并旋轉6小時后用氫氧化鈉清洗的涂覆有傳統(tǒng)TiAlN涂層材料的模具的示例圖；
[0023]圖5是示出于鋁熔融金屬中浸潰并旋轉6小時后用氫氧化鈉清洗的涂覆有傳統(tǒng)AlCrN涂層材料的模具的示例圖；
[0024]圖6是示出于鋁熔融金屬中浸潰并旋轉6小時后用氫氧化鈉清洗的涂覆有根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的涂層材料的模具的示例圖；以及
[0025]圖7是示出于鋁熔融金屬中浸潰并旋轉27小時后用氫氧化鈉清洗的涂覆有根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的涂層材料的模具的示例圖。
【具體實施方式】
[0026]本文所用的術語僅僅是出于描述具體的實施方式的目的，并不意在限制本發(fā)明。本文所用的單數(shù)形式“一個/ 一種”、“該”意在同樣包括復數(shù)形式，除非上下文以其他方式明確指出。還應當理解，在用于本說明書時，術語“包含”、“包括”和/或“含有”是指所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、和/或組件的存在，但并不排除一種或多種其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、和/或組件的存在或加入。本文所用的術語“和/或”包括一種或多種相關所列項的任意或所有組合。
[0027]除非特別說明或從上下文清楚看出，本文所用的術語“約”應理解為在本領域的正常容許范圍內(nèi)，例如在均值的2個標準差內(nèi)。“約”可以理解為在所述數(shù)值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%內(nèi)。除非另外從上下文清楚得到，本文提供的所有數(shù)值都被術語“約”所修飾。
[0028]本發(fā)明所使用的術語“TiAlCrSi(C)N”是指“TiAlCrSiN”或“TiAlCrSiCN”，且本文所使用的術語 “TiAlN/CrSi(C)N” 是指 “TiAlN/CrSiN” 或 “TiAlN/CrSiCN”。
[0029]以下將參照附圖詳細描述本發(fā)明的實施方式。
[0030]圖1是示出在鋁壓鑄模具的中心翅片上出現(xiàn)咬合的示例圖。如圖1所示，當使用鋁壓鑄模具進行鑄造時，從鋁熔融金屬生成咬合產(chǎn)物10。咬合產(chǎn)物10可降低模具表面的硬度，并可造成裂縫、模具損壞等，從而縮短模具壽命。
[0031]此外，鋁壓鑄模具通常需要高水平的物理特性，以承受由極端高的壓力和高循環(huán)造成的苛刻條件。用作傳統(tǒng)涂層材料的TiAlN或AlCrN可表現(xiàn)出較差的耐熱性、高溫穩(wěn)定性、耐咬合性等，因此在模具使用壽命的延長上具有局限性。因此，本發(fā)明提供TiAlCrSi (C)N涂層材料。
[0032]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的TiAlCrSi (C)N涂層材料的結構的示例圖。如圖2中所示，根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的涂層材料可包括，形成在基材100表面上的CrN結合層110、配置成支撐功能層而被布置在CrN結合層110的表面上的TiAlN/CrN納米多層120、以及布置在TiAlN/CrN納米多層120的表面上的功能層TiAlN/CrSi (C) N納米多層130。
[0033]此外，鋁壓鑄模具的基材還可在必要的時候包括氮化合(nitrification)過程形成的厚度為80至120 μ m的氮化物層。
[0034]此外，CrN結合層110因其高化學穩(wěn)定性例如耐腐蝕性及其機械特性例如硬度、耐摩擦性、潤滑特性等而被廣泛運用。因此，在本發(fā)明中，CrN結合層110可被用作結合層，以將殘余應力降至最低并改善韌性、耐疲勞性、耐沖擊性等。
[0035]此外，TiAlN/CrN納米多層120可用作支承層，以改善鋁壓鑄模具所需的特性，例如耐熱性、耐酸性、耐咬合性等。TiAlN/CrSi(C)N納米多層130可用作功能層，以改善本發(fā)明的涂層材料的特性，例如耐熱性、耐酸性、耐磨性、高溫下低摩擦力、以及耐咬合性。
[0036]換言之，耐磨性和耐沖擊性是相互矛盾的特性，其可使用耐沖擊性高的CrN結合層110以及耐磨性高的TiAlN/CrN納米多層120與TiAlN/CrSi (C) N納米多層130來進行改善。
[0037]此外，CrN結合層110可具有約0.5飛μ m的厚度。當厚度小于約0.5 μ m時，不充分量的構成材料可引起耐性效力的降低，反之，當厚度超過約5 μ m時，涂層可能會剝落。
[0038]此外，TiAlN/CrN納米多層120和TiAlN/CrSi (C)N納米多層130可分別具有約
0.5^5 μ m的厚度。當厚度小于約0.5 μ m時,兩個不同的層可能會混合，導致難以形成多層結構，并因此降低材料的品質。另一方面，當厚度超過約5 μ m時，兩層之間的匹配形變(matchedtransformation)可能被破壞，導致硬度變差。
[0039]用涂層涂覆金屬基材表面的方法可被劃分為PVD法和化學氣相沉積(CVD)法。
[0040]PVD是一種干燥加工方法，其向靶材提供負極性并且在以氣相狀態(tài)提供離子化金屬時在材料(例如，基材)的表面上沉積離子化金屬材料。在PVD法中，離子化的金屬材料可均勻地涂覆到基材的表面上，并使用細離子顆粒改善粘附性。
[0041 ] 換言之，在本發(fā)明中，PVD法采用電弧、高功率脈沖磁控濺射(HIPMS)和電感耦合等離子體(ICP)，以獲得納米級沉積以及涂層材料顆粒的高速涂覆。
[0042]圖3是根據(jù)本發(fā)明的用于制造涂層材料的PVD系統(tǒng)的示例圖。如圖3所示，該PVD系統(tǒng)可包括腔室200 ;泵210、0靶材220、1141靶材230、03丨靶材240以及氣體入口 250 ；和安裝在腔室200上的加熱單元260 ；以及安裝在腔室200內(nèi)的旋轉支架270上的模具(例如，基材)。
[0043]作為涂層的預處理工序，可使用泵210將腔室200的內(nèi)部轉變?yōu)檎婵諣顟B(tài)，并通過經(jīng)氣體入口 250輸入氬氣而轉·變?yōu)榈入x子體狀態(tài)。
[0044]此外，清潔基材100的表面，并通過使用加熱裝置260將腔室200加熱至約80°C并通過對模具施加預定電壓使正氬離子碰撞模具的表面，從而活化基材100的表面。此外，可通過氣體入口 250在腔室200中輸入氮氣(N2),以形成氮氣(N2)氛圍，并且可使用Cr靶材220將Cr離子供應至基材100的表面，將CrN結合層110沉積為約0.5飛μ m的厚度。
[0045]另外，使用旋轉支架270，將沉積有CrN結合層110的模具選擇性地暴露于配置成提供Ti和Al離子的TiAl靶材230以及配置成提供Cr離子的Cr靶材220，可將TiAlN/CrN納米多層120沉積為約0.5~5 μ m的厚度，其中TiAlN/CrN納米多層120的結構是TiAlN層和CrN層交替堆疊在CrN結合層110的表面上。
[0046]TiAlN/CrN納米多層120可以是配置成改善基材100的耐熱性、耐酸性、耐磨性和韌性的支承層，且可根據(jù)各個層的交替堆疊而沉積形成T1、Al和Cr在TiAlN/CrN納米多層120中的比值為1:1:1，以將基材的耐熱性、耐酸性、耐磨性和韌性最大化。
[0047]此外，通過將沉積有TiAlN/CrN納米多層120的模具選擇性地暴露于配置成提供Ti和Al離子的TiAl靶材230和配置成提供Cr和Si離子的CrSi靶材240，可將TiAlN/CrSi (C) N納米多層130沉積為約0.5~5 μ m的厚度，其中TiAlN/CrSi (C) N納米多層130的結構是TiAlN層和CrSi (C) N層交替堆疊在TiAlN/CrN納米多層120的表面上。當進行上述工藝，以響應于經(jīng)氣體入口 250在腔室200中輸入乙炔氣(C2H2)而在腔室200中形成乙炔氣(C2H2)氛圍時，可用所供應的碳(C)沉積TiAlN/CrSiCN納米多層，其中TiAlN/CrSiCN納米多層的結構是TiAlN層和CrSiCN層交替堆疊在TiAlN/CrN納米多層120的表面上。
[0048]TiAlN/CrSi (C)N納米多層130可以是配置成改善本發(fā)明涂層材料的特性如耐熱性、耐酸性、耐磨性、高溫下低摩擦和耐咬合性的功能層。由于各個層交替堆疊以將上述效果最大化，TiAlN/CrSi(C)N納米多層130可被沉積形成T1、Al、Cr、Si和(C)的比值為1:1: (0.8~)0.9:0.1: (0.1)。
[0049]表1
[0050]
【權利要求】
1.一種用于鋁壓鑄模具的涂層材料，其包括: CrN結合層,形成在基材的表面上； TiAlN/CrN納米多層，布置在所述CrN結合層的表面上；以及 TiAlN/CrSi (C)N納米多層，布置在所述TiAlN/CrN納米多層的表面上。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于鋁壓鑄模具的涂層材料，其中， 所述TiAlN/CrSi (C)N納米多層具有約0.5~5 μ m的厚度。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于鋁壓鑄模具的涂層材料，其中， 所述CrN結合層和所述TiAlN/CrN納米多層分別具有約0.5飛μ m的厚度。
4.一種制備用于鋁壓鑄模具的涂層材料的方法，包括: 響應于經(jīng)腔室的氣體入口輸入氮氣(N2)而形成的氮氣(N2)氛圍，使用Cr靶材，將CrN結合層沉積在基材的表面上； 使用TiAl靶材和所述Cr靶材，將TiAlN/CrN納米多層沉積在所沉積的CrN結合層的表面上；以及 使用所述TiAl靶材和CrSi靶材，將TiAlN/CrSiN納米多層沉積在所沉積的TiAlN/CrN納米多層的表面上。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中， 所述TiAlN/CrSiCN納米多層的沉積還包括將所述TiAlN/CrSiN納米多層沉積為約0.5~5 μ m的厚度。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中， 所述CrN結合層的沉積還包括，將所述CrN結合層沉積為約0.5飛μ m的厚度，所述TiAlN/CrN納米多層的沉積還包括，將所述TiAlN/CrN納米多層沉積為約0.5飛μ m的厚度。
7.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中， 所述TiAlN/CrN納米多層的沉積還包括，沉積所述TiAlN/CrN納米多層(120)，使所述TiAlN/CrN納米多層中的T1、Al和Cr的比值為1:1:1。
8.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中， 所述TiAlN/CrSiN納米多層的沉積還包括，沉積所述TiAlN/CrSiN納米多層，使所述TiAlN/CrSiN納米多層中的T1、Al、Cr和Si的比值為1:1:0.9:0.1。
9.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中， 使用物理氣相沉積法進行所述沉積。
10.一種制造用于鋁壓鑄模具的涂層材料的方法，包括: 響應于經(jīng)腔室的氣體入口輸入氮氣(N2)而形成的氮氣(N2)氛圍，使用Cr靶材，將CrN結合層沉積在基材的表面上； 使用TiAl靶材和所述Cr靶材，將TiAlN/CrN納米多層沉積在所沉積的CrN結合層的表面上；以及 響應于經(jīng)所述腔室的氣體入口輸入乙炔氣(C2H2)而形成的乙炔氣(C2H2)氛圍，使用所述TiAl靶材和CrSi靶材，將TiAlN/CrSiCN納米多層沉積在所沉積的TiAlN/CrN納米多層的表面上。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中， 所述TiAlN/CrSiCN納米多層的沉積還包括，將所述TiAlN/CrSiN納米多層沉積為約,0.5~5 μ m的厚度。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中， 所述CrN結合層的沉積還包括，將所述CrN結合層沉積為約0.5飛μ m的厚度，所述TiAlN/CrN納米多層的沉積還包括，將所述TiAlN/CrN納米多層沉積為約0.5飛μ m的厚度。
13.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中， 所述TiAlN/CrN納米多層的沉積還包括，沉積所述TiAlN/CrN納米多層，使所述TiAlN/CrN納米多層中的T1、Al和Cr的比值為1:1:1。
14.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中， 通過沉積所述TiAlN/CrSiCN納米多層使所述TiAlN/CrSiCN納米多層中的T1、Al、Cr、Si和C的量的比值為1:1:0.8:0.1:0.1，來進行所述TiAlN/CrSiCN納米多層的沉積。
15.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中， 使用物理氣相沉積法進行所述沉積。
【文檔編號】C23C14/06GK103567374SQ201210592987
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年12月31日 優(yōu)先權日:2012年8月7日
【發(fā)明者】車星澈, 姜同河 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社, 起亞自動車株式會社
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0訪客 來自[中國] 2022年04月05日 20:56壓鑄時難以脫模是什么原因
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