[发明专利]一种用于压铸模具的AlCrNbSiTiCN高熵合金纳米复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于压铸模具的AlCrNbSiTiCN高熵合金纳米复合涂层及其制备方法。AlCrNbSiTiCN高熵合金纳米复合涂层采用梯度层结构，由结合层、过渡层、支撑层、增硬层和抗粘层构成。其制备方法是：对经过化学清洗的离子氮化压铸模具进行离子刻蚀，然后采用电弧离子镀方法沉积纯Nb结合层、NbN过渡金属陶瓷层、NbN/AlCrNbSiTiN高熵合金氮化物支撑层、AlCrNbSiTiN/AlCrNbSiTiCN高熵合金氮碳化物纳米多层增硬层和AlCrNbSiTiCN抗粘铝层。涂层从结构上为多种合金涂层材料的组合，成分上具有渐变特点，大幅度降低涂层的内应力和提高涂层的韧性，可以较好克服现有压铸模具涂层抗高温性能和抗粘铝性能不足的缺点，大幅度提高铝压铸模具的寿命和适应性。

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种模具涂层，具体涉及一种用于压铸模具的AlCrNbSiTiCN高熵合金纳米复合涂层及其制备方法。

背景技术

压铸是一种利用高压强制将金属熔液压入形状复杂的金属模内的一种精密铸技术，是目前汽车发动机铝合金缸体的主要生产方法，压铸模具质量是决定缸体质量的重要因素。提高压铸模质量和寿命对于降低企业的生产成本、提高经济效益至关重要。在1964年，日本压铸协会对于压铸定义为“在高温将熔化合金压入精密铸模，在短时间内大量生产高精度而铸面优良的铸造方式”。美国称压铸为Die Casting，英国则称压铸为PressureDie Casting，而最为国内一般业者所熟悉的是日本的说法，称为压铸。压铸是最先进的金属成型方法之一，是实现少切屑，无切屑的有效途径，应用很广，发展很快。目前不再局限于汽车工业和仪表工业，逐步扩大到其它各个工业部门。

模具型芯是铝合金压铸模具系统中的重要组件，其失效形式有热疲劳、铝合金粘着、开裂和变形等。其中铝液粘着是型芯失效的最为常见的形式，当型芯使用到一定模次后，铝合金会粘着于型芯表面，使压铸件尺寸精度受到影响；粘模是通过化学反应和机械粘接共同作用造成的。铝合金与铁在模具中进行融合时，则会产生一种铝合金与模具材料的化学化合物。一旦发生粘模，铝合金与模具就会紧紧地粘接在一起。当型芯表面粘铝导致脱模困难，必须对模具表面进行修复，严重影响正常生产。为了减缓粘铝，一种方法可以通过调整铝合金液中的合金成分，但效果不明显，局限性强。另一方面对型芯表面进行 PVD和CVD 等工艺处理，使型芯表面形成一层致密而稳定的高硬度薄膜涂层，提高型芯表面的抗铝粘性能、抗氧化性能以及耐磨性能。为了提高使用效果，除了表面涂层处理之外，模具表面喷涂润滑剂也是压铸过程中一个不可缺少的环节，一个是为了给模具降温，另一个是在模具表面形成润滑层，提高脱模性能。目前应用较广的是水基润滑剂，水掺油的润滑剂是最好的，因为使用润滑剂时水在沉积油的同时会通过蒸发冷却模具的表面，这可以帮助脱模。由于润滑剂的大量使用，导致生产成本很高，同时还存在一定的污染，为此新型无润滑剂型抗粘铝涂层的开发具有重要价值。

高熵氮化物涂层由于具有热力学上的高熵效应以及结晶学上的迟缓扩散效应，在抗高温氧化和耐磨等方面具有比常规三元和四元氮化物涂层更突出的优势。(Al_29.1Cr_30.8Nb_11.2Si_7.7Ti_21.2)₅₀N₅₀体现出优异的综合性能，不但具有超过35GPa的硬度，同具在900℃经2小时退火后其氧化膜仅80纳米厚。尤其值得强调的是(Al_0.34Cr_0.22Nb_0.11Si_0.11Ti_0.22)₅₀N₅₀涂层，在900℃经50小时长时退火后其氧化膜仅290纳米，1300℃退火增重仅0.015mg/cm²，这是目前氮化物耐氧化实验中报道的最好的抗氧化数据。与常规氮化物涂层相比，高熵涂层在耐高温场合具备更好的结构稳定性和表面抗氧化性能。由于多主元特点导致氧化膜成分复杂，结构致密，能承受激烈的温度载荷，对基体材料具有良好的保护作用，可满足恶劣工况条件下耐温抗氧化的特殊需要。