專利名稱：用于成型機的表面涂覆膜及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于成型機的表面涂覆膜及其制造方法。具體地，提供能改善成型機的物理特性的表面涂覆膜，其中通過利用多層涂覆層和含碳涂覆層而在成型機上沉積有表面涂覆膜。
背景技術(shù)：
隨著近來全世界油價的上升，并且由于造成氣候變化的全球變暖更加嚴重，已做出許多努力來增加汽車的能效和改善每升燃料的行駛距離。這些努力包括將高強度高張力的鋼板應用到車身上。通過應用高強度高張力的鋼板，車身的重量可以減輕約5 10%，并且預計車輛每升燃料的行駛距離將與車身的重量減輕成比例地增加。成型機，例如壓膜裝置(die assembly)，用于形成這樣的用于車身的高強度高張力鋼板。為了使通過壓膜裝置形成的鋼板的可成型性增加，正在研究將各種涂覆層應用到壓膜裝置表面的方法，以改進壓膜裝置表面的物理特性。已經(jīng)應用到壓膜裝置的涂覆材料的典型實例包括 TD (豐田擴散，Toyota Diffusion)、TiAIN、AlTiCrN+MoS2 等。然而，這些涂覆材料的 問題在于，由此形成的涂覆層在耐用性和耐磨性方面非常不足。具體地，當這些涂覆層應用于980MPa或更高的高強度鋼板的形成中時，如圖1所示，涂覆層剝落并被劃損。具體而言，在傳統(tǒng)TD法的情形中，存在的問題是涂覆層在熱處理時嚴重熱變形，因此涂覆層的變形部分必須在使用之前改進。此外，當將TiAlN或AlTiCrN+MoS2用作涂覆材料時，形成的涂覆材料的耐用性不足。因此,額外使用拉制用油(drawing oil)來降低摩擦和磨損。然而，問題在于拉制用油在后處理例如焊接等過程中成為雜質(zhì)，因此使高強度鋼板的質(zhì)量劣化。應當理解，提供以上說明僅僅是為了幫助理解本發(fā)明，并不表示本發(fā)明落入本領(lǐng)域技術(shù)人員已經(jīng)知曉的相關(guān)技術(shù)的范圍內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
于是，為解決上述問題而設(shè)計出本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供用于成型機的表面涂覆膜及其制造方法。具體地，提供了包含多層涂覆層和含碳涂覆層的表面涂覆膜，其沉積在成型機上能使該成型機的物理特性改善。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個方面是提供用于成型機的表面涂覆膜，包括基底；形成在基底上的氮化物層；沉積在氮化物層上的多層膜層；以及通過氮(N)和碳(C)與TiAl目標物的反應而沉積在多層膜層上的碳氮化物層。優(yōu)選地，通過氮(N)與TiAl目標物和Cr目標物的反應使多層膜層沉積在氮化物層上。根據(jù) 多個實施方式，多層膜層包括沉積在氮化物層上的CrN層；以及沉積在CrN層上的TiAlN層。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，通過氮(N)與Cr目標物的反應來沉積CrN層，并通過氮(N)與TiAl目標物的反應來沉積TiAlN層。根據(jù)多個實施方式，可設(shè)置多個CrN層和TiAlN層，使得它們交替并重復地沉積。根據(jù)多個實施方式，CrN層和TiAlN層可以沉積為具有納米級厚度。根據(jù)多個實施方式，各層的厚度可以相同或者可以不同。根據(jù)多個實施方式，沉積在氮化物層上的CrN層被沉積為使其厚度大于其它CrN層(S卩，隨后沉積的CrN層)的厚度。根據(jù)多個實施方式，碳氮化物層可以是TiAlCN層，并且其可以沉積在多層膜層的最外CrN層。根據(jù)多個實施方式，包含在TiAlCN層中的碳的量可以為約2(T30at%。本發(fā)明的另一方面提供了制備成型機用表面涂覆膜的方法，包括以下步驟在基底上形成氮化物層；在氮化物層上形成多層膜層；以及在多層膜層上形成碳氮化物層。根據(jù)多個實施方式，通過使氮(N)與TiAl目標物和Cr目標物反應來形成多層膜層。根據(jù)多個實施方式，通過使氮(N)和碳(C)與TiAl目標物反應來形成碳氮化物層。根據(jù)多個實施方式，可以通過PVD (物理氣相沉積)或PACVD (等離子體輔助的化學氣相沉積)來形成多層膜層和碳氮化物層。根據(jù)多個實施方式，可以通過PVD (物理氣相沉積)、PACVD (等離子體輔助的化學氣相沉積)、HIPIMS (高功率脈沖磁控濺射)或ICP (感應耦合等離子體沉積)來形成多層膜層和碳氮化物層。本發(fā)明的其他方面和優(yōu)選實施方式在下文中討論。


根據(jù)以下的詳細描述結(jié)合所附附圖，將會更清楚地理解本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點，其中圖1是示出常規(guī)壓膜裝置的損壞區(qū)域的視圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實施方式涂覆在基底上的涂覆膜的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于沉積涂覆膜的裝置的示意圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的涂覆膜的結(jié)構(gòu)的視圖；且圖5是比較本發(fā)明實施例的涂覆膜與比較例的常規(guī)涂覆膜的表。應當理解，所附的附圖并非必然是按比例的，而只是呈現(xiàn)說明本發(fā)明的基本原理的各種優(yōu)選特征的一定程度的簡化表示。本文公開的本發(fā)明的具體設(shè)計特征，包括，例如，具體尺寸、方向、位置和形狀將部分取決于特定的既定用途和使用環(huán)境。
具體實施例方式在下文中，將參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行詳細描述。應理解，本文使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其它類似術(shù)語包括通常的機動車，例如，包括多功能運動車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商務(wù)車的客車，包括各種船只和船舶的水運工具，飛行器等等，并且包括混合動力車、電動車、插入式混合電動車、氫動力車和其它代用燃料車(例如，來源于石油以外的資源的燃料)。如本文所提到的，混合動力車是具有兩種或更多種動力源的車輛，例如，具有汽油動力和電動力的車輛。本文所用的術(shù)語僅僅是出于描述具體的實施方式的目的，并不意在限制本發(fā)明。本文所用的單數(shù)形式“一個/ 一種”(“a”、“an”)、“該”(“the”)意在同樣包括復數(shù)形式，除非上下文中以其他方式明確指出。還應當理解，術(shù)語“包括”(“comprise”、“comprising”)在用于本說明書時是指存在所述的特征、整數(shù)(integer)、步驟、操作、元件、和/或組件，但并不排除存在或加入一種或多種其它特征、整數(shù)(integer)、步驟、操作、元件、組件、和/或其組。本文所用的術(shù)語“和/或”包括一種或多種相關(guān)的列出項的任意一種或所有組合。除非具體說明或從上下文顯而易見，否則將本文所用的術(shù)語“約”理解為在本領(lǐng)域的正常容許范圍內(nèi)，例如在均值的2個標準偏差內(nèi)。“約”可以理解為在所述數(shù)值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0. 5%、0. 1%、0. 05% 或 0. 01% 內(nèi)。除非另外從上下文清楚得到，本文提供的所有數(shù)值都由術(shù)語“約”所修飾。本文中的范圍應理解為該范圍內(nèi)所有數(shù)值的簡略表達。例如，I 50的范圍應理解為包括來自以下的任何數(shù)字、數(shù)字的組合、或子范圍1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、或50，以及所有介于上述整數(shù)間的帶小數(shù)的值，例如，1.1、1. 2、1. 3、1. 4、1. 5、1. 6、1. 7、1. 8、和1. 9。對于子范圍，具體考慮從范圍內(nèi)的任一端點延伸的“嵌套子范圍”。例如，1、0的示例性范圍的嵌套子范圍可以包括一個方向上的1 10、1 20、1 30和1 40，或在另一方向上的50 40、50 30、50 20和50 10。如5中所示，根據(jù)本發(fā)明實施方式的成型機用表面涂覆膜包括基底10 ；形成在基底10上的氮化層20 ;沉積在氮化物層20上的多層膜層30 ;以及沉積在多層膜層30上的碳氮化物層40。具體而言，可以通過氮(N)與TiAl目標物和Cr目標物的反應而將多層膜層30沉積在氮化物層20上。可以通過氮(N)和碳(C)與TiAl目標物的反應將碳氮化物層40沉積在多層膜層30上。即，可以通過添加碳(C)和氮(N)將碳氮化物層40形成在基底10的最外的表面上，如圖2所示。最外表面上的碳氮化物層40使得涂覆有涂覆膜的基底的摩擦系數(shù)和耐磨性改善。根據(jù)多個實施方式，可以使用烴氣例如甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、苯(C6H6)等加入碳(C)。此外，也可以利用固體碳目標物例如石墨目標物等加入碳(C)。同時，可以使用純氮氣(N2)來加入氮(N)，或者可以使用含氮化合物例如氨(NH3)等來加入。此外，可以通過任何已知方法例如離子滲氮來形成氮化物層20。離子滲氮是優(yōu)選的方法，因為其可以在低溫下容易地進行，特別是與氣體滲氮或鹽浴滲氮相比。氮化物層20用來承載基底10上的涂覆膜，由此改善涂覆膜的耐磨性、耐疲勞性、耐沖擊性和耐腐蝕性。如圖2所示，多層膜層30可以包括沉積在氮化物層20上的CrN層；和沉積在CrN層上的TiAlN層。可以通過氮(N)與Cr目標物的反應來將CrN層沉積在氮化物層20上?？梢酝ㄟ^氮(N)與TiAl目標物的反應來將TiAlN層沉積在CrN層上。多個CrN層和TiAlN層可以，例如，以任何期望的數(shù)量交替并重復地沉積，如圖2所示。優(yōu)選地，CrN層和TiAlN層可以沉積為具有納米級厚度。例如，各個CrN層可以沉積為約10 50nm的厚度,優(yōu)選約25 35nm,更優(yōu)選約30nm,且各個TiAlN層沉積成約10 50nm的厚度，優(yōu)選約25 35nm,更優(yōu)選約30nm。如所示出的，CrN和TiAlN層可以交替并重復地沉積，以提供所期望的耐熱性、耐裂性、耐沖擊性、韌性(toughness)和粘合度。具體而言，根據(jù)多個實施方式，多層膜層30具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中多個具有納米級厚度的層堆疊，從而進一步改善涂覆膜的耐用性。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，多層膜層30可以具有約2 10 的厚度。這樣，CrN層和TiAlN層可以設(shè)置為任意數(shù)量、任意厚度，均一或不均一，從而提供具有期望的總厚度的多層月旲層30。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，本發(fā)明中CrN層沉積在氮化物層20上，使其厚度大于其它CrN層的厚度。例如，沉積在氮化物層20上的CrN層可以形成為約0. 5^4 U m的厚度，以提高氮化物層20與TiAlN層之間的粘附度，并增強涂覆膜的韌性和耐沖擊性。同時，如圖所示，本發(fā)明的碳氮化物層40是TiAlCN層，且可以形成在多層膜層30的最外層優(yōu)選為CrN層上。例如，可以通過向TiAlN層中加入碳而形成碳氮化物層40，從而如上所述改進基底10的摩擦系數(shù)和耐磨性。包含在TiAlCN層中的碳的量優(yōu)選為約20 30at%。當碳量少于20at%時，TiAlCN層的結(jié)構(gòu)變?yōu)榫w或多晶結(jié)構(gòu)，因此產(chǎn)生低硬度的TiAlCN層。此外，當其量大于30at%時，TiAlCN層的結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o定形結(jié) 構(gòu)，其也產(chǎn)生低硬度的TiAlCN層。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，制造成型機用表面涂覆膜的方法包括以下步驟在基底10上形成氮化物層20 ;例如通過使氮(N)與TiAl目標物和Cr目標物反應而在氮化物層20上形成多層膜層30 ;以及例如通過使氮(N)和碳(C)與TiAl目標物反應而在多層膜層30上形成碳氮化物層40?？梢酝ㄟ^PVD (物理氣相沉積)或PACVD (等離子體輔助的化學氣相沉積)來形成多層膜層30和碳氮化物層40。圖3示出用于進行PVD的裝置。在該裝置中，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，如所示出的，設(shè)置有泵51以控制腔室50內(nèi)的壓力，并設(shè)置有加熱器52以增加腔室50內(nèi)的溫度。此外，在腔室50的中間提供基底10，在基底10上提供TiAl目標物和Cr目標物以進行PVD，并且設(shè)置有氣體進口 53以向腔室50中引入氮和碳。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，也可以通過HIPMS (高功率脈沖磁控濺射)或ICP(感應耦合等離子體沉積)來形成多層膜層30和碳氮化物層40。即，為得到納米粒子并實現(xiàn)高速涂覆，可以另外使用HIPIMS (高功率脈沖磁控濺射)或ICP (感應耦合等離子體沉積)來形成多層膜層30和碳氮化物層40.在下文中，以下實施例意在說明本發(fā)明而不限制其范圍。實施例基底10由與壓膜裝置相同的材料(SKD11等)制造，并通過淬火和/或回火進行熱處理，其中壓膜裝置用來形成車用鋼板。接著，通過離子滲氮在基底10上形成氮化物層20。通過添加N2與H2的體積比為15^20vol%的N2與H2,在46(T490°C的溫度下進行8 15小時的離子滲氮，從而形成Fe (N)、Fe4N的氮化物層20。氮化物層具有80 120 u m的厚度和80(Tl200HV的硬度。接著，在氮化物層20上形成CrN層以改善粘附度、韌性和耐沖擊性，并且在CrN層上形成厚度為約30nm的TiAlN層和厚度為約30nm的另一 CrN層。之后，交替并重復地沉積其它CrN層和其它TiAlN層，以提供耐熱性、耐裂性、耐沖擊性、韌性和粘附度。最后，將TiAlCN層沉積在最外CrN層上以同時提供低摩擦、耐熱性、耐氧化性和耐磨性。圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的涂覆膜結(jié)構(gòu)的視圖，圖5是比較本發(fā)明實施例的涂覆膜與比較例的常規(guī)涂覆膜的表。如圖4和圖5所示，與涂覆有比較例的常規(guī)涂覆膜的壓膜裝置相比，涂覆有本發(fā)明實施例的涂覆膜的壓膜裝置表現(xiàn)出高粘附度和硬度、低摩擦系數(shù)和優(yōu)異的耐磨性。所以，涂覆有本發(fā)明涂覆膜的成型機(壓膜裝置)具有低摩擦系數(shù)和改善的耐磨性、耐用性和耐熱性。 如上所述，根據(jù)本發(fā)明，具有納米級厚度的CrN層和TiAlN層交替地沉積在成型機的表面上，從而改善耐熱性、耐裂性和耐沖擊性。此外，根據(jù)本發(fā)明，因為含碳的TiAlCN層沉積在成型機的最外側(cè)，可以制造出具有優(yōu)異的耐熱性、耐磨性和耐用性以及低摩擦系數(shù)的涂覆膜，從而使用于生產(chǎn)高強度鋼板的成型機的物理特性得到改進。盡管已經(jīng)出于說明性目的公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員應該理解，可以在不偏離在所附權(quán)利要求中所公開的本發(fā)明的范圍和精神的情況下做出各種改變、添加或替換。`
權(quán)利要求
1.一種用于成型機的表面涂覆膜，包括 基底； 氮化物層，形成在所述基底上； 多層膜層，通過氮(N)與TiAl目標物和Cr目標物的反應而沉積在所述氮化物層上；以及 碳氮化物層，通過氮(N)和碳(C)與TiAl目標物的反應而沉積在所述多層膜層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面涂覆膜，其中所述多層膜層包括 CrN層，通過氮(N)與Cr目標物的反應而沉積在所述氮化物層上；以及 TiAlN層，通過氮(N)與TiAl目標物的反應而沉積在所述CrN層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面涂覆膜，其中所述多層膜層包括多個交替的CrN層和TiAlN 層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面涂覆膜，其中各個所述CrN層和所述TiAlN層具有納米級厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面涂覆膜，其中所述多層膜層包括多個CrN層，并且其中沉積在所述氮化物層上的CrN層的厚度大于其他CrN層的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面涂覆層，其中所述碳氮化物層是TiAlCN層，且沉積在所述多層膜層的最外CrN層上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面涂覆膜，其中所述TiAlCN層中所包含的碳的量為約20 30at%。
8.—種制造成型機用表面涂覆膜的方法，包括以下步驟 在基底上形成氮化物層； 通過使氮(N)與TiAl目標物和Cr目標物反應，在所述氮化物層上形成多層膜層；和 通過使氮(N)和碳(C)與TiAl目標物反應，在所述多層膜層上形成碳氮化物層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造成型機用表面涂覆膜的方法，其中通過PVD(物理氣相沉積)、PACVD (等離子體輔助的化學氣相沉積)、HIPIMS (高功率脈沖磁控濺射)或ICP (感應耦合等離子體沉積)形成所述多層膜層和所述碳氮化物層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于成型機的表面涂覆膜，包括基底；基底上的氮化物層；通過氮(N)與TiAl目標物和Cr目標物的反應而沉積在氮化物層上的多層膜層；以及通過氮(N)和碳(C)與TiAl目標物的反應而沉積在多層膜層上的碳氮化物層。
文檔編號C23C28/04GK103060749SQ201210297849
公開日2013年4月24日 申請日期2012年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者車星澈, 趙炳奎, 孔鎬榮, 鄭秀振, 李俊錫 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社