[发明专利]一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及在金属切割工具表面上覆盖的层状结构及其制备方法，特别是一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层及其制备方法。

背景技术

冷轧用圆盘飞剪通常使用冷作模具钢制作，上、下两个圆盘飞剪配合使用。圆盘剪应能满足若干严格的要求。首先，两圆盘飞剪之间缝隙精度，它保证钢板在剪切力作用下被剪断且剪切面不卷边。第二，圆盘飞剪本体的尺寸精度，它是保证两飞剪间缝隙均匀、精准的前提条件。第三，圆盘飞剪剪刃锋利。第四，圆盘飞剪在空气中、室温下不发生锈蚀。因此，冷轧用圆盘飞剪设计要求其尺寸精度及稳定性高、硬度高、耐磨性好、耐冲击性强，有一定抗氧化能力。

现有的冷轧圆盘飞剪是以冷作模具钢为原材料，根据长期生产实践数据而设计的，具有一定的尺寸精度及稳定性、耐磨损、耐冲击及抗氧化能力。为冷轧圆盘飞剪在不改变其表面精度的公差范围内，提供一种非金属类硬质涂层，是进一步提高其耐磨损性、耐冲击性及抗氧化性，从而提高其使用寿命的有效途径。

查阅相关文献，专利公开(公告)号：CN102296269B、CN102296271B、CN101208461B及CN102634753A公开了一些多层硬质涂层及制备技术，如多层金属及其氮化物、多层类金刚石等；其制备方法有：化学气相沉积和物理气相沉积等；以及被涂覆件，如活塞、精密量具、切削刀具等。上述内容公开了各种多层硬质薄膜在多种零部件上的应用，没有提及圆盘剪的多层硬质涂层技术。上述多层硬质涂层突出了其高温自润滑及涂层应力控制特点，以及低磨擦系数DLC更适用于密封耐磨件及高温用工件；钛硅配比递变涂层力争增高基体与涂层结合力。制备方法有物理气相沉积中的磁控溅射及电弧离子镀的常规镀膜方法，以及化学气相沉积方法。对于圆盘飞剪在使用中，在对涂层耐磨性、尺寸稳定性要求的同时，对其耐冲击性要求更高。为避免园盘飞剪相结构变化，它不适于用环境温度过高的化学气相沉积方法制备。而金属及其氮化物交替多层的硬度不够，DLC更多用于自润滑方面。因此本发明中提出了一种从金属过渡到硬质涂层的涂层结构，并以等离子体增强磁控溅射方法在圆盘飞剪上制备这种涂层。

发明内容

本发明提供了一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层及其制备方法，改善现有冷轧圆盘飞剪的性能指标。

一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层，该涂层分为三层：一层为与基底相接的金属过渡底层，厚度为0.001-1微米，优选0.005-0.5微米；二层为沉积在金属过渡底层顶面的包含V Me及IV V Me族元素中的至少二种元素的富金属中间过渡层，厚度为0.001-1微米，优选0.1-0.5微米；三层为沉积在富金属中间过渡层顶面上的纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层，表面层包括V Me或包含纳米非晶相的IV V Me族元素，纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层厚度为0.1-10微米，优选为2-5微米。

所述的IV V族元素是碳、硅或氮中的1种或2-3种组合；Me是金属材料中的钛、铝或铬中的1种或2-3种组合。

所述的金属过渡底层为Ti、Al或Cr中的一种，优选的Ti金属。

所述的富金属中间过渡层为：添加的反应气体为氮气时，为富钛氮化物层；添加的反应气体为氮气及硅烷时，为富钛的含有纳米非晶Si₃N₄相的氮碳化物层；添加的反应气体为氮气及硅烷，使用的金属为钛、铝及铬时，为富金属钛、铝及铬的含纳米非晶Si₃N₄相的金属氮碳化物层。

所述的纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层中，V Me优选T iN；包含纳米非晶Si₃N₄的IV V Me元素优选纳米复合TiSiCN层或纳米复合TiAlCrSiCN。

所述纳米非晶相是原子比为43％Si及57％N的Si₃N₄，总含量不超过原子比的5％。

所述含纳米非晶相Si₃N₄相涂层中，C原子来自镀膜时形成Si₃N₄相所需的三甲基硅烷(Si(CH₃)₃H)量。形成原子比1％非晶Si₃N₄相，产生12％的金属碳化物相，其余为金属氮化物相。