TWI477616B - 被覆件及其製造方法 - Google Patents

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被覆件及其製造方法
本發明涉及一種被覆件及其製造方法。
習知的鎂或鎂合金、鋁或鋁合金等低熔點材料的成型模具的材質通常為不銹鋼。然而，在高溫氧化性環境中，不銹鋼基體表面易形成疏鬆的氧化鉻（Cr2 O3 ）層；當溫度逐漸升高，Cr2 O3 層變得不穩定並開始分解，使得不銹鋼基體內部的Fe、Ni等金屬離子向Cr2 O3 層擴散，引起Cr2 O3 層出現裂紋、剝落等氧化失效現象，大大降低了不銹鋼基體的高溫抗氧化性。
此外，所述Cr2 O3 層的形成將使成型模具表面變得粗糙，如此將影響成型產品的外觀、降低成型產品的良率，同時亦會縮短成型模具的使用壽命。
有鑒於此，有必要提供一種能較好的解決上述問題的被覆件。
另外，還提供上述被覆件的製造方法。
一種被覆件，包括基體、依次形成於基體上的鉻層、氮氧化鉻層及氮化鈦層。
一種被覆件的製造方法，包括以下步驟：
提供基體；
以鉻靶為靶材，於基體上磁控濺射鉻層；
以鉻靶為靶材，以氮氣及氧氣為反應氣體，於鉻層上磁控濺射氮氧化鉻層；
以鈦靶為靶材，以氮氣為反應氣體，於氮氧化鉻層上磁控濺射氮化鈦層。
本發明被覆件的製造方法，在基體上藉由磁控濺射鍍膜法依次形成鉻層、氮氧化鉻層及氮化鈦層。由於在高溫氧化性條件下，所述鉻層及CrON層均可有效防止基體發生氧化，如此可有效提高所述基體的高溫抗氧化性；所述TiN層的形成可防止CrON層被刮傷，從而使所述被覆件具有良好的耐磨性。
此外，當被覆件為用於成型鎂、鎂合金、鋁或鋁合金等低熔點材料的成型模具時，所述被覆件高溫抗氧化性的提高，可提高成型產品的良率，還可延長被覆件的使用壽命。
請參閱圖1，本發明一較佳實施例的被覆件10包括基體11、依次形成於基體11上的鉻層13、氮氧化鉻（CrON）層15及氮化鈦（TiN）層17。
所述基體11的材質為不銹鋼、模具鋼或高速鋼等。
所述被覆件10可為用於成型鎂、鎂合金、鋁或鋁合金等低熔點材料的成型模具。
所述鉻層13、CrON層15及TiN層17可分別藉由磁控濺射鍍膜法形成。
所述鉻層13的厚度為100~200nm。
所述CrON層15的厚度為0.5~1μm。所述CrON層15中鉻元素的質量百分含量為40%~60%，氧元素的質量百分含量為30%~50%，氮元素的質量百分含量為5%~15%。
所述TiN層17的厚度為0.4~1.2μm。
請一併參閱圖2所示，本發明一較佳實施例的被覆件10的製造方法主要包括如下步驟：
提供一基體11。該基體11可以藉由沖壓成型得到。
對該基體11進行預處理。該預處理可包括常規的對基體11進行化學除油、除蠟、酸洗、超聲波清洗及烘乾等步驟。
提供一鍍膜機100，將所述基體11置於該鍍膜機100內，採用磁控濺射鍍膜法依次於基體11上形成鉻層13、CrON層15及TiN層17。
如圖2所示，該鍍膜機100包括一鍍膜室20及連接在鍍膜室20的一真空泵30，真空泵30用以對鍍膜室20抽真空。該鍍膜室20內設有轉架（未圖示）、二第一靶材22及二第二靶材23。轉架帶動基體11沿圓形軌跡21作公轉，且基體11在沿軌跡21公轉時亦自轉。二第一靶材22與二第二靶材23關於軌跡21的中心對稱設置，且二第一靶材22相對地設置在軌跡21的內外側，二第二靶材23相對地設置在軌跡21的內外側。每一第一靶材22及每一第二靶材23的兩端均設有氣源通道24，氣體經該氣源通道24進入所述鍍膜室20中。當基體11穿過二第一靶材22之間時，可鍍上第一靶材22表面濺射出的粒子；同理，當基體11穿過二第二靶材23之間時，可鍍上第二靶材23表面濺射出的粒子。本實例中，所述第一靶材22為鉻靶，所述第二靶材23為鈦靶。
於該基體11的表面磁控濺射鉻層13。形成所述鉻層13的具體操作方法及工藝參數為：對該鍍膜室20進行抽真空處理至本底真空度為8.0×10-3 Pa，以氬氣為工作氣體，向鍍膜室20內通入流量為100~200sccm的氬氣，於基體11上施加-100~-300V的偏壓，加熱該鍍膜室20至100~150℃（即鍍膜溫度為100~150℃），開啟第一靶材22的電源，設置其功率為5~10kW，沉積該鉻層13。沉積該鉻層13的時間為5~15min。
所述鉻層13中的Cr原子在高溫氧化環境下可與O原子結合形成Cr2 O3 保護膜，因而可有效防止基體11發生氧化而失效。
於該鉻層13上形成CrON層15。形成該CrON層15的具體操作方法及工藝參數為：保持氬氣流量、鍍膜溫度、第一靶材22的電源功率及施加於基體11的偏壓不變，以氮氣及氧氣為反應氣體，設置氮氣的流量為10~100sccm、氧氣的流量為10~100sccm，沉積該CrON層15。沉積該CrON層15的時間為30~60min，沉積完畢後關閉所述第一靶材22的電源。
所述的CrON層15在其形成過程中可形成Cr-O及Cr-N兩相化合物，該兩相化合物同時形成可相互抑制各相晶粒的生長，從而可降低各相晶粒的尺寸，增強該CrON層15的緻密性而達到阻礙氧氣向CrON層15內部擴散的作用，可進一步防止基體11發生氧化。
於該CrON層15上形成TiN層17。形成該TiN層17的具體操作方法及工藝參數為：保持氬氣流量、鍍膜溫度及施加於基體11的偏壓不變，以氮氣為反應氣體，設置氮氣的流量為60~120sccm，開啟所述第二靶材23的電源，設置其功率為8~10kW，沉積該TiN層17。沉積該TiN層17的時間為30~90min。
所述TiN層17具有高熔點、高硬度及優異的耐磨性能，因此該TiN層17能夠對CrON層15進行保護，防止CrON層15被刮傷。
關閉負偏壓及靶材的電源，停止通入氬氣及氧氣，待所述TiN層17冷卻後，向鍍膜內通入空氣，打開鍍膜室門，取出被覆件10。
本發明較佳實施例被覆件10的製造方法在基體11上藉由磁控濺射鍍膜法依次形成鉻層13、CrON層15及TiN層17。由於在高溫氧化性條件下，所述鉻層13及CrON層15均可有效防止基體11發生氧化，如此可有效提高所述基體11的高溫抗氧化性；所述TiN層17的形成可防止CrON層15被刮傷，從而使所述被覆件10具有良好的耐磨性。
此外，當被覆件10為用於成型鎂、鎂合金、鋁或鋁合金等低熔點材料的成型模具時，所述被覆件10高溫抗氧化性的提高，可提高成型產品的良率，還可延長被覆件10的使用壽命。
下面藉由實施例來對本發明進行具體說明。
實施例1
（1）磁控濺射形成鉻層13
所述鍍膜室20的本底真空度為8×10-3 Pa，氬氣流量為150sccm，施加於基體11上的偏壓為-200V，設置鍍膜溫度為120℃，設置第一靶材22的電源功率為8kW，沉積該鉻層13時間為5min。
（2）磁控濺射形成CrON層15
保持氬氣流量、鍍膜溫度、第一靶材22的電源功率及施加於基體11的偏壓不變，設置氮氣的流量為30sccm、氧氣的流量為40sccm，沉積該CrON層15的時間為40min。
（3）磁控濺射形成TiN層17
保持氬氣流量、鍍膜溫度及施加於基體11的偏壓不變，設置氮氣的流量為60sccm，所述第二靶材23的電源功率為8kW，沉積該TiN層17的時間為60min。
實施例2
（1）磁控濺射形成鉻層13
所述鍍膜室20的本底真空度為8×10-3 Pa，氬氣流量為150sccm，施加於基體11上的偏壓為-200V，設置鍍膜溫度為120℃，設置第一靶材22的電源功率為5kW，沉積該鉻層13時間為10min。
（2）磁控濺射形成CrON層15
保持氬氣流量、鍍膜溫度、第一靶材22的電源功率及施加於基體11的偏壓不變，設置氮氣的流量為60sccm、氧氣的流量為80sccm，沉積該CrON層15的時間為60min。
（3）磁控濺射形成TiN層17
保持氬氣流量、鍍膜溫度及施加於基體11的偏壓不變，設置氮氣的流量為100sccm，所述第二靶材23的電源功率為8kW，沉積該TiN層17的時間為30min。
性能測試
將上述製得的被覆件10進行電磁遮罩效能測試、百格測試、鹽霧測試和高溫高濕測試，具體測試方法及結果如下：
（1）高溫抗氧化測試
採用管式熱處理爐，以10℃/min的升溫速率升溫至800℃，並800℃下保溫10h，然後冷卻該熱處理爐。
測試表明，由本發明實施例1及2所製得的被覆件10經800℃熱處理10h後未見發生氧化、脫落等不良。可見，由本發明實施例方法所製得的被覆件10具有良好的高溫抗氧化性。
（2）耐磨性測試
採用5700型線性耐磨性測試儀，在載荷為1kg力的作用下，以2英寸的滑行長度、25循環/分鐘的循環速度摩擦被覆件10的表面。
結果表明，由本發明實施例1和2所製得的被覆件10在20個循環後均沒有露出基材。可見，該被覆件10具有較好的耐磨性。
10．．．被覆件
11．．．基體
13．．．鉻層
15．．．氮氧化鉻層
17．．．氮化鈦層
100．．．鍍膜機
20．．．鍍膜室
30．．．真空泵
21．．．軌跡
22．．．第一靶材
23．．．第二靶材
24．．．氣源通道
圖1為本發明較佳實施例的被覆件的剖視圖；
圖2為製造圖1中鍍膜件所用真空鍍膜機的示意圖。
10．．．被覆件
11．．．基體
13．．．鉻層
15．．．氮氧化鉻層
17．．．氮化鈦層

Claims (10)

  1. 一種被覆件，包括基體，其改良在於：所述被覆件還包括依次形成於基體上的鉻層、氮氧化鉻層及氮化鈦層。
  2. 如申請專利範圍項1項所述之被覆件，其中所述鉻層、氮氧化鉻層及氮化鈦層分別藉由磁控濺射鍍膜法形成。
  3. 如申請專利範圍項1或2項所述之被覆件，其中所述氮氮化鈦層中鋁元素的質量百分含量為40%~65%，氧元素的質量百分含量為30%~45%，氮元素的質量百分含量為5%~15%。
  4. 如申請專利範圍項1項所述之被覆件，其中所述鉻層的厚度為100~200nm。
  5. 如申請專利範圍項1項所述之被覆件，其中所述氮氧化鉻層的厚度為0.5~1μm，所述氮化鈦層的厚度為0.3~0.5μm。
  6. 如申請專利範圍項1項所述之被覆件，其中所述基體為不銹鋼、模具鋼或高速鋼。
  7. 一種被覆件的製造方法，包括以下步驟：
    提供基體；
    以鉻靶為靶材，於基體上磁控濺射鉻層；
    以鉻靶為靶材，以氮氣及氧氣為反應氣體，於鉻層上磁控濺射氮氧化鉻層；
    以鈦靶為靶材，以氮氣為反應氣體，於氮氧化鉻層上磁控濺射氮化鈦層。
  8. 如申請專利範圍項7項所述之被覆件的製造方法，其中磁控濺射鉻層的步驟採用如下方式實現：以氬氣為工作氣體，設置氬氣流量為100~200sccm，於基體上施加-100~-300V的偏壓，鍍膜溫度為100~150℃，設置鉻靶的電源功率為5~10kW，沉積時間為5~15min。
  9. 如申請專利範圍項7項所述之被覆件的製造方法，其中磁控濺射氮氧化鉻層的步驟採用如下方式實現：以氬氣為工作氣體，設置氬氣流量為100~200sccm，設置氮氣的流量為10~100sccm、氧氣的流量為10~100sccm；於基體上施加-100~-300V的偏壓，鍍膜溫度為100~150℃，設置鉻靶的電源功率為5~10kW，鍍膜溫度為100~150℃，沉積時間為30~60min。
  10. 如申請專利範圍項7項所述之被覆件的製造方法，其中磁控濺射氮化鈦層的步驟採用如下方式實現：以氬氣為工作氣體，設置氬氣流量為100~200sccm，於基體上施加-100~-300V的偏壓，設置氮氣的流量為60~120sccm，設置鈦靶的電源功率為8~10kW，鍍膜溫度為100~150℃，沉積時間為30~90min。
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US5552180A (en) * 1991-11-29 1996-09-03 Ppg Industries, Inc. Multilayer heat processable vacuum coatings with metallic properties
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