[发明专利]一种工模具材料表面的TiAlN/TiN薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域，特别涉及一种工模具材料表面的TiAlN/TiN薄膜 及其制备方法。

背景技术

现代制造业中，多数零部件都采用工模具成型，这些工模具由基体或者 钢铁材料制成。随着工业技术的发展，工模具的工作条件日益苛刻，在使用 中经常出现磨损、开裂及塑性变形等失效形式。因此，提高工模具使用寿命 能直接提高加工制造业的生产率。

TiN薄膜材料硬度高，摩擦系数小，以其耐磨性和抗蚀性好而广泛应用 于各种零部件的表面保护层，加入适量的Al能进一步改善TiN的机械性能， 并在一定程度上改善热稳定性。将TiAlN薄膜镀在基体材料制成的工模具表 面，可以提高工模具使用寿命。一方面，要求TiAlN薄膜与工模具基体材料 之间的结合力高，使得镀上去的TiAlN薄膜与工模具基体不容易分离；另一 方面，要求薄膜的厚度要适当，一般在1～5μm范围内，厚度太厚，会因内 应力大从而结合力小并导致分离，厚度太薄，则因强度不足而导致薄膜破碎。

但是，目前TiAlN薄膜与工模具基体材料之间的结合力尚不能令人满 意，从而导致镀膜工模具的TiAlN薄膜易剥落，耐磨性差，寿命低。普通镀 TiN薄膜的颗粒尺寸都是在0.5～1μm的范围，简称“微米级”颗粒，它与基体 材料表面间的结合力为5～10牛顿(划痕测试仪的金刚石压头的曲率半径 R＝0.1mm)。人们通过磁过滤降低颗粒尺寸来提高TiN薄膜与工模具基体 材料之间的结合力。人们还通过在膜基之间增加过渡层来提高TiAlN薄膜与 工模具基体材料的结合力，中间过渡层的设计原则为：过渡层与基体的化学 相容性，确保过渡层与基体的良好结合；过渡层与表层的化学相容性，确保 过渡层与表层的良好结合；过渡层的膨胀系数应介于基体与表层之间，减少 热膨胀应力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种抗磨损性能 好、使用寿命长、TiN薄膜与工模具基体材料之间结合力大的工模具材料表 面的磁过滤TiAlN/TiN双层薄膜。

本发明的另一个目的在于提供一种上述磁过滤TiAlN/TiN双层薄膜的制 备方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种工模具材料表面的磁过滤TiAlN/TiN双层薄膜，是在工模具基体材 料的表面上先镀覆一层磁过滤TiN薄膜，然后再镀覆一层磁过滤TiAlN薄膜， 双层薄膜的总厚度为1～4μm。其中，由于TiN的化学相容性和膨胀系数介 于工模具基体材料与表层TiAlN薄膜之间，所以将磁过滤TiN薄膜作为过渡 层，可以有效提高磁过滤TiAlN/TiN薄膜和基体材料之间的界面结合力，其 界面结合力可超过30N。

上述磁过滤TiAlN/TiN双层薄膜的制备方法，包括下述步骤：

(1)首先将工模具基体材料进行表面化学超声波清洗；

(2)然后将工模具基体材料装入多弧离子镀膜机中，抽真空至 6.5×10^-3Pa或以上，用高纯氩轰击工模具基体材料进行离子清洗，清洗时间 为3～10分钟；

(3)将偏压调控在-700～-900伏、占空比控制在20～40％；开启磁过 滤器，调整磁过滤器控制电源，电压为15～20伏，电流为3.0～4.0安培，保 证磁场强度；将氮气流量调整为60～90SCCM，工模具基体材料温度控制在 200～280℃；然后再启动磁过滤单弧镀靶，镀覆磁过滤TiN膜，镀膜时间为 30～60分钟；

(4)将氮气流量调整为0.06～0.09SLM，工模具基体材料温度控制在 200～280℃，镀覆磁过滤TiAlN薄膜，镀膜时间为60～120分钟；最后得到 镀覆在工模具基体材料表面的磁过滤TiAlN/TiN薄膜。

步骤1中，表面化学超声波清洗的工艺为：将工模具基体材料在 8～10％NaOH溶液中用超声波清洗10～30分钟，然后用酒精脱水并烘干。

步骤3中，镀覆磁过滤TiN薄膜时，优选镀膜磁过滤单弧镀靶电流为 80安培，电压为20伏，偏压-300伏，氮气流量60SCCM，占空比20％， 镀膜时间60分钟。

步骤3中，通过调整工模具基体材料在磁过滤器出口处的位置以及磁过 滤器镀膜的时间，可达到显著提高镀膜与工模具基体材料界面结合力的目 的，优选将工模具基体材料正对(平行)磁过滤器弯管出口，工模具基体材 料与出口处相距70mm。