专利名称：模具基础材料的涂层结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涂层结构，具体为涂布模具基础材料的涂层结构。更具体地，本发明涉及这样一种涂层结构，其在涂布材料与基础材料间提供良好粘附且在涂布时不引起开
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背景技术：
模具例如用于汽车钢板的模具在使用时经受很大的压力，其不期望地缩短它们的寿命。为了延长该寿命，通常对模具的表面进行涂布。使用的涂布材料的类型取决于最终的用途和期望的特性包括赋予耐磨性等而不同。图I是示出对模具基础材料进行涂布的常规工序的流程图。参照图1，涂布模具基础材料的常规方法包括等离子体氮化处理(SllO)和PVD (物理气相沉积)涂布(S120)。 在等离子体渗氮处理(SllO)中，将氮气供入装载有基础材料的反应室，之后使供入的氮气离子化。氮粒子渗入并扩散至基础材料的表面，从而增加固化层的厚度。结果，可以增加基础材料的硬度，可以赋予合适的韧性，且可以增强薄膜之间的粘附力。在PVD涂布(SI20)中，使用PVD用理想的涂布材料涂布基础材料的表面。然而，金属基础材料的常规涂层结构在涂层与基础材料之间具有低粘附力，不期望地弓I起分离容易，且导致硬度差且摩擦系数低。
发明内容
因此，牢记以上在相关技术中遇到的问题作出本发明。本发明的目的是提供模具基础材料的涂层结构，其在涂布材料与基础材料丨司提供闻粘附力且在涂布时不引起开裂。本发明的一方面提供模具基础材料的涂层结构，包括在基础材料的表面形成的离子渗氮层、在离子氮化层上形成的中间涂层、和在中间涂层上形成的表面涂层。在这方面，中间涂层和表面涂层可以使用，例如，AlTiCrN, AlCrSiN, AlTiSiN或AlTiCrSiN来形成。在这方面，可以通过使基础材料的表面进行等离子体处理而形成离子渗氮层。在各个实施方式中，离子渗氮层可以形成为具有适当的厚度，例如约80 120 μ m的厚度，中间涂层和表面涂层可以形成为具有合适的厚度，例如约4 16 μ m的厚度，并且表面涂层可以形成为具有合适的厚度，例如约2μπι或更小的厚度。例如，表面涂层的厚度可以是任何大于O的值，例如约O. 05 μ m或更大、约O. Ιμ 或更大、约O. 2μπι或更大、约O. 3μπι或更大、约O. 4 μ m或更大、约O. 5 μ m或更大、约O. 6 μ m或更大、约O. 7 μ m或更大、约O. 8 μ m或更大等，直至约2 μ m的范围。在此方面，涂层结构还可以包括在表面涂层的表面上的TiC涂层。该TiC涂层可以形成为具有适合的厚度，例如约O. I O. 3μπι的厚度。
本发明的以上和其它目的、特征和优势将会从以下与附图结合的详细描述中更加清楚地进行理解，其中图I是示出模具基础材料的常规涂布工序的流程图；图2是示出根据本发明的实施方式的模具基础材料的涂层结构的示意图；图3是具体示出图2的涂层的视图；且图4是示出根据本发明的实施方式的模具基础材料的涂层结构的照片。
具体实施例方式在下文中，本发明的优选实施方式将参考附图进行说明。除非特别说明或从上下文明显得到，否则本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准偏差内。约可以理解为在所述数值的 8%,7%,6%,5%,4%,3%,2%U%>0. 5%,O. 1%,0. 05%或O. Ol% 内。除非另外从上下文清楚得到，本文提供的所有数值都由术语约修饰。图2示意性地示出根据本发明的实施方式的模具基础材料的涂层结构，图3具体示出图2的涂层，且图4为示出根据本发明的实施方式的模具基础材料的涂层结构的照片。如图2至图4所示，根据本发明的实施方式的模具基础材料的涂层结构包括形成在基础材料的表面的离子渗氮层，接下来是中间涂层和表面涂层。可以通过使基础材料的表面进行等离子体处理而形成离子渗氮层。可以通过用掺碳氮化物涂布离子渗氮层的表面而形成中间涂层和表面涂层。如此，可以将模具的基础材料形成为用于汽车钢板等的在使用时可承受大量的压力的模具。此外，根据本发明的模具基础材料还可以包括其它用于模具的基础材料。根据本发明的实施方式，可以通过将用于模具的基础材料装入反应室内并使基础材料的表面进行等离子体渗氮处理而形成离子渗氮层。如此，用等离子体活化的氮渗入并扩散至基础材料中，从而形成离子渗氮层。根据示例性实施方式，该离子渗氮层的形成可以如下进行。在装载基础材料之前，使反应室的内部真空化，之后将氢(H2)气和氩(Ar)气充入反应室，从而可以进行溅射。随后将基础材料装入反应室中，并且进行溅射来清洁基础材料的表面并使基础材料的表面状态不稳定，其在随后的渗氮处理中促进氮气的渗入和扩散。随后，将氢(H2)气和氮(N2)气供入反应室中并向其施加电压，从而可以进行渗氮处理。渗氮处理可以于氮在反应室中被激活的条件下进行适当的时间，例如，约8 15小时。在形成离子渗氮层时，工序温度可以适当地提高，例如，约460 490°C。从基础材料的表面朝向其内部形成的离子渗氮层和化合物层的总厚度可以是约80 120 μ m。如果朝向基础材料的表面的内部形成的离子渗氮层和化合物层的总厚度太薄，例如小于约80 μ m,实现基础材料的必要硬度和韧性以及增强基础材料与涂层之间的粘附力变得困难。随着离子渗氮层和化合物层的总厚度变大，可以有效地显示上述效果(即，适当的硬度、韧性和粘附)。然而，如果上述距离基础材料的表面的厚度太大，例如超过约120 μ m,所得的层变得难以渗入和扩散活化氮。在离子渗氮处理完成之后，在离子渗氮层的表面上选择性地形成精细且坚固的氮化物薄膜例如CrN层。由此形成氮化物薄膜，从而对基础材料的表面赋予耐冲击性。在氮化物薄膜上方，形成涂层。具体而言，通过用合适的材料例如掺碳氮化物涂布离子渗氮层的表面来形成涂层。应该理解的是，取决于最终用途和由此所赋予的期望的特性包括例如赋予硬度、耐腐蚀性、耐磨性等，涂布材料的类型可以变化。如此，可以使用任何合适的涂布材料且可以通过考虑这些期望的特性和最终用途而对其进行选择。例如，因为汽车钢板用模具需要高硬度、高耐磨性、和高耐热性，可以适当地采用例如AlTiCrN、AlCrSiN, AlTiSiN, AlTiCrSiN等的金属氮化物化合物。根据各个实施方式，可以使用CVD(化学气相沉积)或PVD来形成由金属氮化物化合物构成的涂层。而且，为了制备高密度等离子体以形成涂布材料纳米粒子并实现高速的涂布，可以应用电弧、HIPIMS (高功率脉冲磁控溅射)、ICP (电感耦合等离子体)等。中间涂层和表面涂层可以形成为具有合适的厚度以赋予期望的特性，例如约4 16 μ m的厚度。如果中间涂层和表面涂层的厚度太小,例如小于约4 μ m，通过涂布对基础材料赋予不足的硬度和耐磨性。另一方面，如果中间涂层和表面涂层的厚度太大，例如超过约 16 μ m，当在基础材料上形成精细图案时，因该精细图案而可能使形成贯穿基础材料具有均一厚度的涂层变得困难，而且涂布成本可能过度地增加。根据本发明的实施方式，可以通过使中间涂层(其涂布有金属氮化物化合物)的表面掺杂碳，由此形成金属碳氮化物化合物来形成表面涂层。具体来说，将由金属氮化物化合物构成的中间涂层的表面掺杂碳以生成金属碳氮化物化合物，由此增加摩擦系数和耐磨性。如此，使用甲烷、乙炔、和苯气来掺杂碳，并且金属氮化物化合物还一起掺杂了氮气。掺有碳和氮的金属氮化物化合物包括，例如，AlTiCrCN, AlCrSiCN, AlTiSiCN,AlTiCrSiCN,其具有低摩擦以及优异的耐热性和耐磨性。掺有碳的表面涂层的厚度是，例如约2μπι或更小。在一些实施方式中，为了进一步使低摩擦的特性最大化，还可将TiC层施加在掺有碳的表面涂层的表面上。TiC层的厚度可以改变以增强该低摩擦，例如可以是约O. I 3 μ m 厚。以下的表I示出根据本发明的实施例的模具基础材料的特性(涂布材料的特性在表中详述)，还示出与所述比较例的特性相比的这些特性。表I实施例和比较例的特性
权利要求
1.一种模具基础材料的涂层结构，包括 在基础材料的表面形成的离子渗氮层； 使用AlTiCrN、AlCrSiN、AlTiSiN或AlTiCrSiN在所述离子渗氮层上形成的中间涂层；和 使用AlTiCrCN、AlCrSiCN, AlTiSiCN或AlTiCrSiCN在所述中间涂层上形成的表面涂层。
2.如权利要求I所述的涂层结构，其中通过使所述基础材料的表面进行等离子体处理而形成所述离子渗氮层，所述离子渗氮层具有约80 120 μ m的厚度。
3.如权利要求2所述的涂层结构，其中所述中间涂层和所述表面涂层具有约4 16 μ m的总厚度。
4.如权利要求3所述的涂层结构，所述表面涂层的厚度为约2μπι或更小。
5.如权利要求I所述的涂层结构，还包括在所述表面涂层的表面上的TiC涂层，所述TiC涂层具有约O. I O. 3 μ m的厚度。
6.一种形成模具基础材料的涂层结构的方法，包括 在基础材料的表面形成离子渗氮层； 使用AlTiCrN、AlCrSiN、AlTiSiN或AlTiCrSiN在所述离子渗氮层上形成中间涂层；和 使用AlTiCrCN、AlCrSiCN, AlTiSiCN或AlTiCrSiCN在所述中间涂层上形成表面涂层。
7.如权利要求6所述的方法，其中形成所述离子渗氮层的步骤包括使所述基础材料的表面进行等离子体处理。
8.如权利要求6所述的方法，其中将所述离子渗氮层形成为具有约80 120μ m的厚度，并且将所述中间涂层和所述表面涂层形成为具有约4 16 μ m的总厚度。
9.如权利要求6所述的方法，其中形成所述中间涂层和所述表面涂层的步骤包括用掺碳氮化物涂布所述离子渗氮层的表面。
10.如权利要求6所述的方法，还包括在所述表面涂层的表面上形成TiC涂层，所述TiC涂层具有约O. I O. 3 μ m的厚度。
全文摘要
本发明涉及模具基础材料的涂层结构，其在涂布材料与基础材料之间表现出良好粘附，且在涂布时不引起开裂。该涂层结构包括在基础材料的表面形成的离子渗氮层、使用AlTiCrN、AlCrSiN、AlTiSiN或AlTiCrSiN在离子渗氮层上形成的中间涂层、和使用AlTiCrCN、AlCrSiCN、AlTiSiCN或AlTiCrSiCN在中间涂层上形成的表面涂层。
文档编号C23C28/00GK102817032SQ20111039121
公开日2012年12月12日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年6月10日
发明者车星澈, 金注喆, 吴承泽, 朴建昱, 李斗焕, 朴炫达, 孔镐荣 申请人:现代自动车株式会社