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。硬质涂层分为三层：一层为与基底相接的金属过渡底层，二层为沉积在金属过渡底层顶面的富金属中间过渡层，三层为沉积在富金属中间过渡层顶面上的陶瓷表面层。硬质涂层的制备包括：冷轧圆盘飞剪的外部清洗；冷轧圆盘飞剪的内部清洗；在冷轧圆盘飞剪表面施加金属过渡底层；在金属过渡底层顶面上施加富金属中间过渡层；在富金属中间过渡层顶面施加纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层。本发明涂层的层状结构具有良好的耐磨性、耐冲击性及耐腐蚀性。在保持冷轧圆盘飞剪原有间隙精度、剪表面精度及组织结构的前提下，可有效提高其硬度，改善耐磨损和耐冲击性能。
1.一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层，其特征是该涂层分为三层：一层为与基底相接的金属过渡底层，厚度为0.001-1微米；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；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；所述的ⅣⅤ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。
2.根据权利要求1所述的一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层，其特征是所述的金属过渡底层为Ti、Al或Cr中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层，其特征是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。
4.根据权利要求1所述的一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层，其特征是所述的纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层中，Ⅴ Me为T iN；包含纳米非晶Si3N4的Ⅳ Ⅴ Me元素纳米非晶Si3N4的Ⅳ Ⅴ Me元素，为纳米复合TiSiCN层或纳米复合TiAlCrSiCN。
5.根据权利要求1所述的一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层，其特征是所述的含纳米非晶相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。
6.一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层的制备方法，其特征是该方法包括下述步骤：
a.冷轧圆盘飞剪的外部清洗：用重量百分比1-10％氢氧化钠碱水溶液，在30℃-50℃下超声清洗5-30分钟，清水漂洗2-3次，鼓风机干燥，然后再次超声波酒精清洗10-30分钟，去离子水漂洗1-2次后，压缩空气或氮气吹干，干燥箱内50℃-200℃保温30-60分钟，工件吊装入镀膜机；
b.冷轧圆盘飞剪的内部清洗：镀膜机本底真空抽至3x10-3Pa以下，真空室加热至100℃-
300℃，保温30-120分钟，去除真空室内残余气体，向真空室回补氩气至1-2Pa，打开钨灯丝，至灯丝电流10-30A，脉冲偏压电源在基体上加偏压，脉冲工艺参数为100-300W功率、60KHz频率、50％占空比；钨灯丝加偏压50～150V，产生增强等离子体，对圆盘飞剪实施内部等离子体清洗10-60分钟；
c.在冷轧圆盘飞剪上施加硬质涂层:该涂层分为三层，即金属过渡底层、富金属中间过渡层和纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层，采用磁控溅射及等离子体增强磁控溅射方法，具体实施过程如下：(1)冷轧圆盘飞剪内部清洗后，降低氩气流量，至真空压强为0.2-1Pa，设定工件旋转速度30-100转/分钟，开启基体直流偏压25-150V，开启磁控靶电源；
(2)在冷轧圆盘飞剪表面施加金属过渡底层：靶功率设定为1-5KW，60KHz频率及50-
(3)在金属过渡底层顶面上施加富金属中间过渡层：开启反应气体，反应气体氮通入量为5-15sccm，三甲基硅烷15-40sccm，继续镀膜15-60分钟；
(4)在富金属中间过渡层顶面施加纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层：增加氮气流量至10-50sccm，继续镀膜5小时；
(5)关闭所有电源及气体，保持真空冷却2-3小时，打开镀膜机，取出镀膜后的冷轧圆盘飞剪。
一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层及其制备方法
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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
[0005] 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。
[0006] 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 ⅤMe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 ⅤMe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。
[0007] 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。
[0008] 所述的金属过渡底层为Ti、Al或Cr中的一种，优选的Ti金属。
[0009] 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。
[0010] 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 ⅤMe元素优选纳米复合TiSiCN层或纳米复合TiAlCrSiCN。
[0011] 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％。
[0012] 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。
[0013] 所述纳米复合TiSiCN涂层中，Ti原子比为总原子比的50％；纳米复合TiAlCrSiCN涂层中，Ti、Al及Cr之和为总原子比的50％，其中Ti、Al、Cr分别为总原子比的0-35％、0-15％和0-15％。
[0014] 一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层的制备方法，该方法包括下述步骤：
[0015] a.冷轧圆盘飞剪的外部清洗：用重量百分比1-10％氢氧化钠碱水溶液，在30℃-50℃下超声清洗5-30分钟，清水漂洗2-3次，鼓风机干燥，然后再次超声波酒精清洗10-30分钟，去离子水漂洗1-2次后，压缩空气或氮气吹干，干燥箱内50℃-200℃保温30-60分钟，工件吊装入镀膜机；
[0016] b.冷轧圆盘飞剪的内部清洗：镀膜机本底真空抽至3x10-3Pa以下，真空室加热至100℃-300℃°，保温30-120分钟，去除真空室内残余气体，向真空室回补氩气至1-2Pa，打开钨灯丝，至灯丝电流10-30A，脉冲偏压电源在基体上加偏压，脉冲工艺参数为100-300W功率、60KHz频率、50％占空比；钨灯丝加偏压50～150V，产生增强等离子体，对圆盘飞剪实施内部等离子体清洗10-60分钟；
[0017] c.在冷轧圆盘飞剪上施加硬质涂层:该涂层分为三层，即金属过渡底层、富金属中间过渡层和纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层，采用磁控溅射及等离子体增强磁控溅射方法，具体实施过程如下：
[0018] (1)冷轧圆盘飞剪内部清洗后，降低氩气流量，至真空压强为0.2-1Pa，设定工件旋转速度30-100转/分钟，开启基体直流偏压25-150V，开启磁控靶电源；
[0019] (2)在冷轧圆盘飞剪表面施加金属过渡底层：靶功率设定为1-5KW，60KHz频率及50-80％占空比。镀膜1-10分钟；
[0020] (3)在金属过渡底层顶面上施加富金属中间过渡层：开启反应气体，反应气体氮通入量为5-15sccm，三甲基硅烷15-40sccm，继续镀膜15-60分钟；
[0021] (4)在富金属中间过渡层顶面施加纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层：增加氮气流量至10-50sccm，继续镀膜5小时；
[0022] (5)关闭所有电源及气体，保持真空冷却2-3小时，打开镀膜机，取出镀膜后的冷轧圆盘飞剪。
[0023] 为了本发明层状结构具有令人满意的结果，各层的硬度等级是很重要的。金属过渡底层及富金属中间过渡层的硬度低于纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层，在基体及纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层之间起到缓冲层作用。层状结构的表面层可根据其所要求的性能和用途加以选择。当纳米金属氮化钛配置在层状表面上时，适用于剪切一般碳钢板；含有纳米非晶Si3N4相的纳米金属氮化物或氮碳化物配置在层状表面上时，适于剪切普通碳钢的同时，也适于剪切合金冷轧钢板，并适于在抗氧化、耐腐蚀环境中剪切钢板。
[0024] 本发明与现有同类技术相比，其显著的有益效果体现在：本发明形成涂层的层状结构具有良好的耐磨性、耐冲击性及耐腐蚀性。在保持冷轧圆盘飞剪原有间隙精度、剪表面精度及组织结构的前提下，可有效提高其硬度，改善耐磨损和耐冲击性能。
附图说明
[0025] 图1是一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层截面示意图。
[0026] 图2是一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层照片。
[0027] 图3是一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图用实例具体描述本发明，该例仅是本发明的一个应用范例，不能理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
[0029] 如图1所示，一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层，一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层，该涂层分为三层：
[0030] 第一层为在冷轧飞剪基体1表面的金属过渡底层2，该金属过渡底层为金属钛或钛、铝及铬，厚度为0.05-0.5微米；
[0031] 第二层为富金属中间过渡层3，该富金属中间过渡层为富钛的金属氮化物、或富钛的含纳米非晶相(Si3N4)的金属氮碳化物、或富钛、铝及铬的含纳米非晶相(Si3N4)的金属氮碳化物，其厚度为0.1-0.5微米；
[0032] 第三层为纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层4，该表面层为氮化钛、或含纳米非晶相(Si3N4)的氮碳化钛、或含纳米非晶相(Si3N4)的氮碳化钛铝铬陶瓷层，其厚度为2-5微米。
[0033] 实施例实物照片如图2所示，分别为涂镀有氮化钛(TiN)、含纳米非晶相(Si3N4)的氮碳化钛(TiSiCN)及含纳米非晶相(Si3N4)的氮碳化钛铝(TiAlCrSiCN)。
[0034] 在冷轧飞剪基体1表面的金属过渡底层2、富金属中间过渡层3及纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层4。实例实物照片如图2所示。
[0035] 如图3所示，一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层的制备方法，以6CrW2Si冷轧带钢圆盘飞剪施加含纳米非晶(Si3N4)的复合TiAlCrSiCN硬质涂层工艺为例，该方法的步骤如下：
[0036] a.冷轧圆盘飞剪的外部清洗：用重量百分比5％氢氧化钠碱水溶液，在40℃下超声清洗20分钟，清水漂洗2次，再次超声波酒精清洗20分钟，去离子水漂洗2次后，压缩空气吹干，干燥箱100℃保温60分钟，工件吊装入镀膜机；
[0037] b.冷轧圆盘飞剪的内部清洗：镀膜机本底真空抽至2x10-3Pa以下，真空室加热至180-200℃，保温60分钟，去除真空室内残余气体，向真空室回补氩气至1-1.2Pa，打开钨灯丝，至灯丝电流16-20A，在基体上施加脉冲偏压：脉冲工艺参数为300W功率、60KHz频率、
50％占空比；钨灯丝加偏压80-100V，产生增强等离子体；增强等离子体对圆盘飞剪实施清洗30分钟。
[0038] c.在冷轧圆盘飞剪上施加硬质涂层:该涂层分为三层，即金属过渡底层、富金属中间过渡层和纳米金属氮碳化物陶瓷表面层，采用磁控溅射及等离子体增强磁控溅射方法，具体实施过程如下：
[0039] (1)冷轧圆盘飞剪经内部清洗后，降低真空室内氩气流量，至真空压强为0.5～0.7Pa。设定工件旋转速度30转/分钟，开启基体直流偏压50～80V；
[0040] (2)在冷轧圆盘飞剪顶面(1)施加金属过渡底层(2)：开启钛、铝、铬磁控靶电源，其中两个钛靶功率设定为5KW、铝靶2KW、铬2KW、60KHz频率及80％占空比，镀膜5分钟；
[0041] (3)在金属过渡底层(2)顶面施加富金属中间过渡层(3)：开启氮气及三甲基硅烷二个通道，使氮气通入量7sccm，三甲基硅烷15～20sccm，继续镀膜30分钟；
[0042] (4)在富金属中间过渡层(3)顶面施加含纳米非晶纳米(Si3N4)复合TiAlCrSiCN表面层(4)：增加氮气流量20-25sccm，继续镀膜5小时；
[0043] (5)关闭所有电源及气体，保持真空冷却3小时以上。打开镀膜机，取出镀膜后的冷轧圆盘飞剪。
[0044] 上述工艺中，如图1所示，冷轧圆盘飞剪上所施加的硬质涂层包括：与基体1相连的金属过渡底层TiAlCr2；在金属过渡底层2顶面的含纳米非晶Si3N4相的富金属TiAlCrCN中间过渡层3；以及在富金属中间过渡层3顶面的含纳米非晶Si3N4相的金属氮碳化物(TiAlCrSiCN)陶瓷硬质涂层4。
[0045] 施加TiSiCN涂层时，四靶全部使用钛金属，反应气体为氮气及三甲基硅烷；施加TiN涂层时，四靶全部使用钛金属，反应气体为氮气。其它工艺同上。对圆盘飞剪硬质涂层的检测及带硬质涂层的圆盘飞剪的使用结果总结，见表1：
[0046] 表1一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层力学性能指标及使用结果
[0047]
[0048] 上述具体实施例表明，采用本技术方法和设备生产的带涂层的圆盘飞剪表面光洁、基体强韧性高、表面硬度提高2-5倍，在成本提高0.3-0.5倍的情况下，单次使用周期提高5-8倍。
