压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层及制备方法与流程

本发明涉及薄膜材料技术领域，尤其涉及一种压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层及制备方法。

背景技术：

压铸是金属铸造工艺的一种，其特点是利用模具内腔对融化的金属施加高压。根据压铸类型的不同，分为冷室压铸和热室压铸。铸造设备和模具的造价高昂，因此压铸工艺一般只会用于批量制造大量产品。制造压铸的零部件相对来说比较容易，压铸特别适合制造大量的中小型铸件，因此压铸是各种铸造工艺中使用最广泛的一种。同其他铸造技术相比，压铸的表面更为平整，拥有更高的尺寸一致性。中国是压铸的大国，全世界的很多零部件都是中国生产的压铸件。

压铸过程中存在高温高压问题，经常由于模具的过早损坏降低了生产效率，特别抽芯是压铸中管状零件生产中非常关键的部件，经常会由于铝液和抽芯的黏附导致脱模困难。如果出现脱模困难问题，经常需要压铸机停止作业维修模具，或者会导致压铸出来的零部件尺寸精度超差，造成废品率增加，严重影响生产。现有改进技术一是改变抽芯的结构尺寸，但由于零件尺寸精度的限制难以做大的改动；二是对表面进行表面涂层，改变抽芯的表面状态，改善抽芯的脱模性能。在现有的抽芯表面涂层中，物理气相沉积（英文缩写为pvd）镀陶瓷是最为有效的技术手段，特别是其低温特性可以将各种氮化物或者碳化物制备到抽芯表面，这样可以有效提高抽芯的寿命。

在现有的pvd涂层中，一般氮化物或者碳化物等涂层具有高的硬度，但其摩擦系数较大，对于抽芯的脱模过程帮助不大，但其可以提高抽芯的表面耐磨性能，有效降低抽芯的故障率。类金刚石（英文缩写为dlc）具有高硬度和高润滑特性，在工业上已经广泛应用于各种需要耐磨和润滑的场合。但dlc涂层的劣势也比较明显，一般在400℃时涂层会分解，性能严重恶化。为了提高dlc涂层的性能，一般采用掺杂等手段来实现，可以将dlc涂层的问题提高到更高的温度。但目前该方面的研究相对比较匮乏，不能满足抽芯耐温耐磨自润滑的需要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种耐温和耐磨性能良好的压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层，以解决抽芯的耐磨和润滑问题，进一步地提供压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层，包括依次附着在压铸抽芯以外的结合层、过渡层、梯度层和耐高温自润滑层，所述的结合层为纯sib层，所述的过渡层为sibn层，所述的梯度层为sitic-dlc涂层，所述的耐高温自润滑层为sitic-dlc和btic-dlc构成的sitic-dlc/btic-dlc纳米多层膜。

本发明解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的结合层的硼的含量为1-5%。

本发明解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的结合层的厚度为50-200纳米。

本发明解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的过渡层为非晶结构。

本发明解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的过渡层的厚度为500-1000纳米。

本发明解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的梯度层中sitic纳米晶粒径为5-15纳米，dlc为非晶结构。

本发明解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的梯度层的厚度为100-1000纳米。

本发明解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：所述的耐高温自润滑层为sitic-dlc单层和btic-dlc单层交替形成，所述的sitic-dlc单层厚为10-40纳米，所述的btic-dlc单层厚度为5-50纳米，调制周期为15-90纳米。

本发明解决上述技术问题所采用的进一步优选的技术方案为：耐高温自润滑层的厚度为200-1000纳米。

本发明的另一个保护主题：压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层的制备方法，包括如下步骤

步骤一：在100-300℃、氩气和氢气环境中，对抽芯进行离子刻蚀，刻蚀电压为100-150v，刻蚀时间为30-60分钟；

步骤二：在0.4-1pa，0-100v条件下利用射频磁控溅射法沉积纯sib层；

步骤三：在0.4-3pa，0-100v条件下通入氮气利用射频磁控溅射法沉积纯sibn层；

步骤四：在0.4-2pa，0-200v条件下通入乙炔利用射频磁控溅射法沉积sitic-dlc梯度层；

步骤五：在0.4-2pa，0-250v条件下利用射频溅射tisi靶和tib靶在乙炔环境中制备sitic-dlc/btic-dlc纳米多层膜作为耐高温自润滑层；

步骤六：制备结束后自然冷却，得到压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层。

与现有技术相比，本发明所制备压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层的使压铸抽芯具有良好的耐温和耐磨自润滑性能，保证了抽芯可以长期稳定的工作，使抽芯的寿命增加，故障率降低，降低压铸生产厂家的生产成本。

附图说明

以下将结合附图和优选实施例来对本发明进行进一步详细描述，但是本领域的技术人员将领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为对本发明范围的限制。此外，除非特别指出，附图仅示意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并可能包含夸张性显示，并且附图也并非一定按比例绘制。

图1为本发明制备压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层所采用的设备的示意图；图2为本发明的压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图来详细描述本发明的优选实施例。本领域中的技术人员将领会的是，这些描述仅为描述性的、示例性的，并且不应被解释为限定了本发明的保护范围。

实施例1：

具体地，如图1所示，在压铸抽芯基体上制备压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层的设备包括由真空室的炉壁围成。真空室设有抽真空口6，抽真空机组通过抽真空口6对真空室进行抽真空。设备为双开门，通过第一门11和第二门2打开；刻蚀源1装在真空室的前部，主要是提供刻蚀用的等离子体。三组射频磁控溅射靶安装在炉壁上，两个一组，共三组，射频磁控溅射靶分别安装第一sib靶3和第二sib靶4、第一tisi靶5和第二tisi靶8以及第一tib靶9和第二tib靶10。样品装在工件架7上。该布局使真空室中等离子体密度大幅度增加，工件完全浸没在等离子体中。

将压铸抽芯放置到如图1所示的设备进行涂层制备作业，具体步骤如下：

步骤一：

在100℃、氩气和氢气环境中，对经过抛光和清洗的压铸抽芯经过等离子刻蚀，刻蚀电压为100v，刻蚀时间为30分钟。

采用了离子刻蚀方法，彻底去除压铸抽芯表面的氧化物污染，有效提高涂层和基体的结合力。由于纯的氩气在去除有机物时存在一定的难度，本发明中还采用将氢气和氩气作为混合气体进行清洗，彻底去除表面的有机污染物。根据表面污染的不同，清洗时间和清洗电压因为有所不同。

步骤二：

然后在0.4pa，0v条件下开启第一sib靶3和第二sib靶4，在离子刻蚀后的压铸抽芯表面利用射频磁控溅射法沉积纯sib层作为结合层，硼的含量为1%，结合层的厚度为50纳米。

步骤三：

在步骤二的基础上，在0.4pa，0v条件下通入氮气，利用射频磁控溅射法沉积纯sibn层作为过渡层，过渡层的厚度为500纳米。需要说明的是，sibn层为非晶结构。

步骤四：

在0.4pa，0v条件下通入乙炔，开启第一tisi靶和第二tisi靶，利用射频磁控溅射法沉积sitic-dlc涂层作为梯度层，sitic纳米晶粒径为15纳米，dlc为非晶结构，梯度层的厚度为100纳米。

步骤五：

在0.4pa，0v条件下，进一步开启第一tib靶和第二tib靶，从而当压铸抽芯旋转到tisi靶前面时射频磁控溅射形成sitic-dlc单层，当压铸抽芯旋转到tib靶前面时射频磁控溅射形成btic-dlc单层，工件架不停旋转，就会在压铸抽芯表面逐层形成交替的sitic-dlc/btic-dlc纳米多层膜，以作为耐高温自润滑层。

优选地，sitic-dlc单层厚为10纳米，btic-dlc单层厚度为5纳米，调制周期为15纳米，耐高温自润滑层的厚度为200纳米，涂层总厚度在控制在850纳米。

在本实施例中，采用射频溅射技术和传统的dlc制备方法有所差别。传统dlc制备方法一般采用直流磁控溅射和中频磁控溅射，利用氩离子把碳原子从靶上溅射出来形成薄膜，但其离化率低，涂层硬度低，耐磨性不足。而且如果在制备过程中如果通入乙炔之类的气体，经常会导致靶的表面绝缘性增加，降低成膜速度。为了避免靶中毒问题，本实施例中采用射频磁控溅射技术来制备dlc涂层，主要是在通入乙炔气体时，尽管靶面出现绝缘层，但射频磁控溅射可以溅射绝缘材料，不会影响涂层过程的进行。

sitic-dlc和btic-dlc复合构建新型超硬自润滑sitic-dlc/btic-dlc纳米复合涂层材料主要从如下两个方面考虑：首先，从结构上而言sitic-dlc中具有高硬度的sitic相，dlc是非晶相，sitic纳米晶镶嵌在非晶dlc涂层中。与此类似btic-dlc中也存在类似的结构，该种结构可以提高涂层的硬度；其次，sitic-dlc和btic-dlc两者材料成分存在较大的差别，将两者进行纳米多层复合可以大幅度提高涂层的硬度和韧性，从而提高涂层的耐磨性能；第三，sitic-dlc/btic-dlc涂层中的sitic和btic可以提高涂层的耐温性，避免dlc涂层耐温性不足的缺点；第四，纳米晶-非晶结构的采用可以起到陶瓷掺杂的效果，大幅度降低涂层的应力；第五，由于该涂层具有良好的结构稳定性和低摩擦系数特性，在抽芯中具有良好的应用前景。

步骤六：

制备结束后自然冷却，在压铸抽芯基体上得到压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层。

如图2所示，压铸抽芯基体100的表面附着有压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层200。

该涂层包括依次附着在压铸抽芯以外的结合层201、过渡层202、梯度层203和耐高温自润滑层204，结合层201为纯sib层，过渡层202为sibn层，梯度层203为sitic-dlc涂层，耐高温自润滑层204为sitic-dlc和btic-dlc构成的sitic-dlc/btic-dlc纳米多层膜。

综上，本实施例是综合利用射频磁控溅射技术、纳米多层膜技术、纳米晶-非晶技术、梯度涂层技术来开发适合于压铸模具抽芯表面涂层材料。

本实施例所制备压铸抽芯用耐高温自润滑层纳米多层自润滑层使压铸抽芯具有良好的耐温和耐磨自润滑性能，保证了抽芯可以长期稳定的工作，使抽芯的寿命增加，故障率降低，降低压铸生产厂家的生产成本。

在本实施例中，涂层的结构也经过了大量的优化，采用了多层梯度结构。这个主要是考虑梯度结构可以有效的降低dlc涂层的应力，可以制备更厚的涂层。更厚的涂层意味着更好的耐磨性。

特别是本实施例中在sitic-dlc和btic-dlc涂层中，sitic和btic纳米晶碳化物的掺杂使涂层具有更高的硬度和低的应力，同时还可以提高涂层的耐温性。而耐温性对dlc涂层寿命的提升具有决定性的作用。尤其是在高温条件使用时，如果dlc涂层的耐温性差，则涂层会很快失效而失去保护作用。

此外为了提高涂层的沉积速率，本实施例中将乙炔气体通入利用射频放电的高离化率使沉积速率提升。

因此，本实施例所提供的压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层及制备方法具有如下优点：

第一，与常规dlc涂层制备方法相比，本实施例利用射频溅射方法进行制备，可以避免靶中毒问题，使溅射过程一直处于稳定状态，有利于提高涂层批量生产的稳定性和重复性；

第二，本实施例利用碳化物来提高涂层的硬度和降低涂层的应力，可以制备更厚应力更低的dlc涂层，同时利用碳化物纳米晶镶嵌在dlc非晶中的结构使涂层具有更好的韧性；

第三，本实施例采用梯度复合涂层技术，形成结构和成分渐变，使涂层具有良好的附着力；

第四，本实施例将高硬度的sitic-dlc和btic-dlc自润滑涂层进行复合，可以使涂层致密度增加，耐腐蚀性增加，同时还可以进一步提高其耐磨性和高温热稳定性；

第五，本实施例采用制备技术与现行涂层设备相近，同时涂层设备结构简单，易于控制，工业应用前景良好；

第六，采用制备技术与现行涂层设备相近，同时涂层设备结构简单，易于控制，工业应用前景良好。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上，对制备的工艺参数进行调整。在此仅对不同之处进行阐述，相同处不再累述。

步骤一：在300℃、氩气和氢气环境中，对抽芯进行离子刻蚀，刻蚀电压为150v，刻蚀时间为60分钟。

步骤二：在1pa，100v条件下沉积利用射频磁控溅射法纯sib层作为结合层，硼的含量为5%，结合层的厚度为200纳米。

步骤三：在3pa，100v条件下通入氮气利用射频磁控溅射法沉积纯sibn层作为过渡层，过渡层的厚度为1000纳米。

步骤四：在2pa，200v条件下通入乙炔利用射频磁控溅射法沉积sitic-dlc涂层作为梯度层，sitic纳米晶粒径为5纳米，dlc为非晶结构，梯度层的厚度为1000纳米。

步骤五：在2pa，250v条件下利用射频溅射tisi靶和tib靶在乙炔环境中制备sitic-dlc/btic-dlc纳米多层膜作为耐高温自润滑层，sitic-dlc单层厚为40纳米，btic-dlc单层厚度为50纳米，调制周期为90纳米，耐高温自润滑层的厚度为1000纳米。涂层总厚度在控制在3200纳米。

步骤六：制备结束后自然冷却，在压铸抽芯基体上得到压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层。

实施例3：

本实施例是在实施例1的基础上，对制备的工艺参数进行调整。在此仅对不同之处进行阐述，相同处不再累述。

步骤一：在200℃、氩气和氢气环境中，对抽芯进行离子刻蚀，刻蚀电压为120v，刻蚀时间为50分钟；

步骤二：在0.8pa，50v条件下沉积利用射频磁控溅射法纯sib层作为结合层，硼的含量为3%，结合层的厚度为100纳米。

步骤三：在2pa，50v条件下通入氮气利用射频磁控溅射法沉积纯sibn层作为过渡层，过渡层的厚度为800纳米。

步骤四：在1pa，100v条件下通入乙炔利用射频磁控溅射法沉积sitic-dlc涂层作为梯度层，sitic纳米晶粒径为10纳米，dlc为非晶结构，梯度层的厚度为500纳米。

步骤五：在1pa，100v条件下利用射频溅射tisi靶和tib靶在乙炔环境中制备sitic-dlc/btic-dlc纳米多层膜作为耐高温自润滑层，sitic-dlc单层厚为20纳米，btic-dlc单层厚度为20纳米，调制周期为60纳米，耐高温自润滑层的厚度为600纳米。涂层总厚度在控制在2000纳米。

步骤六：制备结束后自然冷却，在压铸抽芯基体上得到压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层。

实施例4：

本实施例是在实施例1的基础上，对制备的工艺参数进行调整。在此仅对不同之处进行阐述，相同处不再累述。

步骤一：在250℃、氩气和氢气环境中，对抽芯进行离子刻蚀，刻蚀电压为120v，刻蚀时间为50分钟。

步骤二：在0.8pa，80v条件下沉积利用射频磁控溅射法纯sib层作为结合层，硼的含量为4%，结合层的厚度为100纳米。

步骤三：在1pa，60v条件下通入氮气利用射频磁控溅射法沉积纯sibn层作为过渡层，过渡层的厚度为800纳米。

步骤四：在1pa，100v条件下通入乙炔利用射频磁控溅射法沉积sitic-dlc涂层作为梯度层，sitic纳米晶粒径为10纳米，dlc为非晶结构，梯度层的厚度为500纳米。

步骤五：在1pa，100v条件下利用射频溅射tisi靶和tib靶在乙炔环境中制备sitic-dlc/btic-dlc纳米多层膜作为耐高温自润滑层，sitic-dlc单层厚为30纳米，btic-dlc单层厚度为20纳米，调制周期为50纳米，耐高温自润滑层的厚度为250纳米。涂层总厚度在控制在1650纳米。

步骤六：制备结束后自然冷却，在压铸抽芯基体上得到压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层。

实施例5：

本实施例是在实施例1的基础上，对制备的工艺参数进行调整。在此仅对不同之处进行阐述，相同处不再累述。

步骤一：在180℃、氩气和氢气环境中，对抽芯进行离子刻蚀，刻蚀电压为120v，刻蚀时间为50分钟。

步骤二：在0.9pa，90v条件下沉积利用射频磁控溅射法纯sib层作为结合层，硼的含量为3%，结合层的厚度为80纳米。

步骤三：在3pa，100v条件下通入氮气利用射频磁控溅射法沉积纯sibn层作为过渡层，过渡层的厚度为800纳米。

步骤四：在2pa，200v条件下通入乙炔利用射频磁控溅射法沉积sitic-dlc涂层作为梯度层，sitic纳米晶粒径为8纳米，dlc为非晶结构，梯度层的厚度为500纳米。

步骤五：在1pa，150v条件下利用射频溅射tisi靶和tib靶在乙炔环境中制备sitic-dlc/btic-dlc纳米多层膜作为耐高温自润滑层，sitic-dlc单层厚为40纳米，btic-dlc单层厚度为10纳米，调制周期为50纳米，耐高温自润滑层的厚度为400纳米。涂层总厚度在控制在1780纳米。

步骤六：制备结束后自然冷却，在压铸抽芯基体上得到压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层。

实施例6：

本实施例是在实施例1的基础上，对制备的工艺参数进行调整。在此仅对不同之处进行阐述，相同处不再累述。

步骤一：在120℃、氩气和氢气环境中，对抽芯进行离子刻蚀，刻蚀电压为130v，刻蚀时间为40分钟。

步骤二：在0.5pa，80v条件下沉积利用射频磁控溅射法纯sib层作为结合层，硼的含量为3%，结合层的厚度为100纳米。

步骤三：在2pa，50v条件下通入氮气利用射频磁控溅射法沉积纯sibn层作为过渡层，过渡层的厚度为900纳米。

步骤四：在1pa，120v条件下通入乙炔利用射频磁控溅射法沉积sitic-dlc涂层作为梯度层，sitic纳米晶粒径为12纳米，dlc为非晶结构，梯度层的厚度为700纳米。

步骤五：在1pa，100v条件下利用射频溅射tisi靶和tib靶在乙炔环境中制备sitic-dlc/btic-dlc纳米多层膜作为耐高温自润滑层，sitic-dlc单层厚为40纳米，btic-dlc单层厚度为50纳米，调制周期为50纳米，耐高温自润滑层的厚度为550纳米。涂层总厚度在控制在2250纳米。

步骤六：制备结束后自然冷却，在压铸抽芯基体上得到压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层。

以上对本发明所提供的压铸抽芯用耐高温纳米多层自润滑涂层及制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。