專利名稱：經(jīng)表面處理的模具和制造經(jīng)表面處理的模具的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種經(jīng)表面處理的模具和一種制造經(jīng)表面處理的模具的方法。更特別 地，本發(fā)明涉及一種具有由碳膜覆蓋的表面的模具。
背景技術(shù)：
使用模具來(lái)大量生產(chǎn)具有相同形狀和質(zhì)量的產(chǎn)品的技術(shù)是已知的。日本專利申 請(qǐng)2008-105082號(hào)公報(bào)(JP-A-2008_1050^)記載了 一種用碳膜覆蓋模具的表面以使得 模制后的產(chǎn)品可容易地從模具中取出的技術(shù)。在該技術(shù)中，用纖維狀的納米碳覆蓋模具 的表面以改善表面的耐磨性、耐蝕性、熱傳導(dǎo)性、摩擦特性和機(jī)械強(qiáng)度。例如，當(dāng)該技術(shù)被 應(yīng)用于鑄造模具時(shí)，可防止熔體附著在鑄造模具上，從而可延長(zhǎng)鑄造模具的使用壽命。在 JP-A-2008-105082公開(kāi)的技術(shù)中，允許纖維狀的納米碳在模具的表面上生長(zhǎng)以增強(qiáng)碳膜和 模具表面之間的結(jié)合。纖維狀的納米碳的錨固效應(yīng)防止碳膜與模具表面分離。例如，對(duì)于鑄造模具來(lái)說(shuō)，當(dāng)碳膜與模具表面分離時(shí)，必須再次在模具表面上形成 碳膜。為了減少模具的維護(hù)次數(shù)，必須增強(qiáng)碳膜和模具之間的結(jié)合。在JP-A-2008-105082 記載的技術(shù)中，在碳膜和模具表面之間設(shè)置氮化物層和/或硫化層以增強(qiáng)碳膜和模具之間 的結(jié)合。在JP-A-2008-105082記載的技術(shù)中，利用硫化物氣體如硫化氫( 或二硫化碳 (CS2)提供硫化層。由于這些硫化物氣體是有毒的，所以在使用這樣的硫化物氣體時(shí)必須提 供具有充分的安全性措施的制造裝置。這樣，需要一種能增強(qiáng)碳膜和模具之間的結(jié)合而不 使用硫化物氣體的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種碳膜和金屬層之間的結(jié)合被增強(qiáng)的經(jīng)表面處理的模具，和一種 制造這種經(jīng)表面處理的模具的方法。本發(fā)明的第一方面涉及一種經(jīng)表面處理的模具。所述經(jīng)表面處理的模具具有模 具、金屬層和碳膜。所述金屬層設(shè)置在所述模具的表面上，并且包含從鎳、鉻、鎢和黃銅中選 出的至少一種金屬。所述碳膜設(shè)置在所述金屬層的表面上。所述金屬層包含碳。所述金屬 層中的碳濃度在所述金屬層與所述碳膜的邊界和所述金屬層的中心之間比在所述金屬層 與所述模具的邊界和所述金屬層的中心之間高。在所述經(jīng)表面處理的模具中，碳膜牢固地 結(jié)合在模具上。這是因?yàn)楫?dāng)在從碳膜和金屬層之間的邊界到金屬層的中心的范圍內(nèi)包含大 量的碳時(shí)，碳膜與金屬層中的碳彼此結(jié)合。此外，在所述經(jīng)表面處理的模具中，可防止碳滲 入到所述經(jīng)表面處理的模具的表面中。本發(fā)明的第二方面涉及一種制造經(jīng)表面處理的模具的方法。所述制造方法包括金 屬層的形成和碳膜的形成。在金屬層的形成中，在模具的表面上形成非晶態(tài)金屬層，所述非 晶態(tài)金屬層包含從由鎳、鉻、鎢和黃銅構(gòu)成的組中選出的至少一種金屬。在碳膜的形成中， 在以410°C至510°C的溫度加熱所述金屬層的同時(shí)在所述金屬層上形成碳膜。根據(jù)上述制造方法，在碳膜形成步驟中在碳滲入到金屬層中的同時(shí)碳膜在金屬層的表面上生長(zhǎng)。在被加熱到410°C至510°C時(shí)，金屬層經(jīng)歷從非晶態(tài)到晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。由于金 屬層通過(guò)結(jié)晶被硬化，所以碳膜和金屬層之間的結(jié)合得到改善。這樣，可不使用硫化物氣體 地制造出具有更不易于與模具的表面分離的碳膜的經(jīng)表面處理的模具。當(dāng)允許碳膜在晶態(tài) 金屬層的表面上生長(zhǎng)時(shí)，碳難以滲入到金屬層中。這樣，碳膜和金屬層之間的結(jié)合不能被改 善。在此處所公開(kāi)的制造方法中，在金屬層從非晶態(tài)變?yōu)榫B(tài)的同時(shí)在金屬層的表面上形 成碳膜。這樣，碳滲入到金屬層中并改善碳膜和金屬層之間的結(jié)合。因此，能通過(guò)比傳統(tǒng)的 方法更安全的方法制造出碳膜和模具之間的結(jié)合得到改善的經(jīng)表面處理的模具。根據(jù)本發(fā)明，可不使用有毒原料氣體地制造出具有更不易于與模具分離的碳膜的 經(jīng)表面處理的模具。


從下面參照附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將清楚看到本發(fā)明的上述和其它特征及優(yōu)點(diǎn)， 在附圖中相似的附圖標(biāo)記用于表示相似的元件，并且其中圖1是示出經(jīng)表面處理的模具的特征的剖視圖；圖2示出碳膜形成步驟的處理曲線圖；圖3示出示例1的經(jīng)表面處理的模具的截面的SEM照片；圖4是由圖3中的虛線IV包圍的區(qū)域的放大SEM照片；圖5示出示例1的經(jīng)表面處理的模具的EPMA分析的結(jié)果；圖6示出示例1的經(jīng)表面處理的模具的表面的SEM照片；圖7示出示例2的經(jīng)表面處理的模具的表面的SEM照片；圖8示出示例2的經(jīng)表面處理的模具的表面的SEM照片；以及圖9示出每規(guī)定次數(shù)的試制便進(jìn)行一次的對(duì)試樣1和試樣2的外觀觀察的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本文公開(kāi)的經(jīng)表面處理的模具包括模具2、金屬層4和碳膜8。金屬層 4具有其中擴(kuò)散有碳(C)6的表面層。下面詳細(xì)描述經(jīng)表面處理的模具10的一個(gè)實(shí)施例。經(jīng)表面處理的模具10可例如被用作用于鑄造金屬材料的模具、鍛模和用于樹(shù)脂 成型的模具。特別地，經(jīng)表面處理的模具10可用于鑄造鋁。由于形成有碳膜8，經(jīng)成型的產(chǎn) 品(鋁制產(chǎn)品)可容易地從經(jīng)表面處理的模具10脫離。另外，可確保鋁熔體的流動(dòng)性。此 外，可防止鋁熔體附著在經(jīng)表面處理的模具10的表面上。模具2可由熱鍛模鋼SKD61 (合金工具鋼JIS G4404)制成。金屬層4由鎳、鉻、 鎢、黃銅或它們的化合物制成。這些金屬可良好地順循模具2的變形(例如，熱膨脹或熱收 縮)。另外，這些金屬可與碳膜8牢固地結(jié)合。優(yōu)選地，金屬層4由鎳、鉻或它們的化合物制 成。特別優(yōu)選地，金屬層4由鎳制成。金屬層4優(yōu)選地具有2μπι至ΙΟμπι的厚度。當(dāng)厚度在該范圍內(nèi)時(shí)，金屬層4可良 好地順循模具2的變形，且同時(shí)，確保了碳的固溶擴(kuò)散層和使金屬層4與模具2結(jié)合的層 (在后面描述)兩者的形成。盡管細(xì)節(jié)在后面才描述，但金屬層4在模具2的表面上形成后 即刻為非晶態(tài)的。當(dāng)在金屬層4上形成碳膜8時(shí)，金屬層4經(jīng)歷從非晶態(tài)到晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。金屬層4可通過(guò)諸如熱噴涂、氣相沉積或鍍覆的方法形成在模具2的表面上。特別優(yōu)選地，金屬層4通過(guò)無(wú)電解鍍覆(化學(xué)鍍覆)形成在模具2的表面上。無(wú)電解鍍層在 約400°C或更低的溫度下是非晶態(tài)的，并且在被加熱到約400°C或更高時(shí)變?yōu)榫B(tài)。這樣， 在使用無(wú)電解鍍覆時(shí)，可在模具2的表面上形成非晶態(tài)金屬層4而不利用特殊的裝置。也 就是說(shuō)，當(dāng)通過(guò)無(wú)電解鍍覆在模具2的表面上形成金屬層4時(shí)，容易將金屬層4維持在非晶 態(tài)。另外，與其它方法相比，無(wú)電解鍍覆能容易地形成厚度均勻的金屬層。無(wú)電解鍍覆的優(yōu) 選示例包括無(wú)電解鍍鎳。無(wú)電解鍍鎳材料常常包含5至15wt%的磷(P)。對(duì)磷含量的調(diào)節(jié) 使得能調(diào)節(jié)金屬層4在已轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)后的硬度。另外，磷具有使模具2的表面活化的作用。 當(dāng)通過(guò)諸如熱噴涂或氣相沉積的方法形成金屬層4時(shí)，希望在金屬層4從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫?態(tài)之前在金屬層4的表面上形成碳膜8。在使用無(wú)電解鍍覆時(shí)，通過(guò)將無(wú)電解鍍覆材料供給到模具2上而在模具2的表面 上沉積出鍍層。無(wú)電解鍍覆材料的供給方法的示例包括噴淋(showering)、噴涂和浸漬。在 它們之中，從獲得均勻鍍覆厚度的角度看，將模具2浸漬到無(wú)電解鍍覆材料(溶液)中是優(yōu) 選的。無(wú)電解鍍覆溶液優(yōu)選地被調(diào)節(jié)到80至90°C。溶液溫度過(guò)低會(huì)降低鍍膜的沉積速率， 從而要花更長(zhǎng)的時(shí)間(數(shù)小時(shí)或更久)來(lái)形成鍍層4，或者變得難以形成具有充分厚度的鍍 層4。溶液溫度過(guò)高會(huì)引起沉積速率的局部變動(dòng)，從而變得難以獲得均勻的鍍層4。當(dāng)溶液 溫度在上述范圍內(nèi)時(shí)，能在短時(shí)間(幾分鐘)內(nèi)獲得厚度均勻的鍍層4。在金屬層4的表面區(qū)域內(nèi)形成有碳的固溶擴(kuò)散層6。固溶擴(kuò)散層6是金屬層4的 一部分。固溶擴(kuò)散層6是由于在金屬層4的表面上形成碳膜8時(shí)碳滲入到金屬層4的表面 中而形成的。這樣，固溶擴(kuò)散層6可被看作碳膜8的滲入到金屬層4中的那部分。另外，固 溶擴(kuò)散層6可被認(rèn)為是形成金屬層4的元素與形成碳膜8的元素的混合相。碳膜8通過(guò)固 溶擴(kuò)散層6與金屬層4牢固地結(jié)合。固溶擴(kuò)散層6優(yōu)選地具有0. 5 μ m至2. 0 μ m的厚度。 當(dāng)厚度在該范圍內(nèi)時(shí)，碳膜8與金屬層4可牢固地彼此結(jié)合。如上所述，固溶擴(kuò)散層6是由于碳滲入到金屬層4的表面中而形成的。這樣，在測(cè) 量金屬層4的截面中的碳含量時(shí)，從碳膜8和金屬層4之間的邊界到金屬層4的中心的范 圍內(nèi)的碳含量比從模具2和金屬層4之間的邊界到金屬層4的中心的范圍內(nèi)的碳含量高。 也就是說(shuō)，在金屬層4的鄰近模具2的那個(gè)區(qū)域內(nèi)碳含量低。這可防止碳滲入到模具2中。 為了形成固溶擴(kuò)散層6，優(yōu)選地，首先在模具2的表面上形成非晶態(tài)金屬層4 (金屬層形成步 驟)，并在金屬層4上形成碳膜8的同時(shí)使金屬層4結(jié)晶(碳膜形成步驟)。碳膜8優(yōu)選地是纖維狀的。當(dāng)碳膜8為纖維狀時(shí)，纖維狀的碳膜8的端部與固溶 擴(kuò)散層6中的碳結(jié)合，從而碳膜8變得與固溶擴(kuò)散層6中的碳續(xù)接。換言之，纖維狀的碳膜 8的一部分嵌埋在固溶擴(kuò)散層6中。結(jié)果，碳膜8和金屬層4之間的結(jié)合被增強(qiáng)。形成纖維 狀的碳膜8的材料的示例包括碳納米線圈、碳納米管、碳納米絲及它們的混合物。作為纖維狀的碳膜8的原料，可使用烴(碳?xì)浠衔?，例如乙炔或乙烯。將其上 已形成有金屬層4的模具2放入氣氛爐內(nèi)。然后，在使例如乙炔氣通過(guò)氣氛爐時(shí)，將氣氛爐 內(nèi)的溫度從410°C升高到510°C，于是在金屬層4的表面上形成纖維狀的碳膜8。當(dāng)只有烴 氣通過(guò)氣氛爐時(shí)，有大量的煤灰附著在氣氛爐的內(nèi)側(cè)。這樣，優(yōu)選地，進(jìn)給烴氣和稀釋氣的 氣體混合物使之通過(guò)氣氛爐。稀釋氣的一個(gè)示例為氨氣。當(dāng)使用乙炔氣和氨氣的混合物時(shí)， 優(yōu)選地，在已達(dá)到規(guī)定的溫度至510°C )之后已經(jīng)過(guò)了規(guī)定的時(shí)間時(shí)停止供給乙炔 氣，并且此后僅供給氨氣。通過(guò)該方式，在乙炔氣被稀釋的同時(shí)乙炔進(jìn)行電離且纖維狀的碳膜8生長(zhǎng)。在碳膜8已生長(zhǎng)后，還優(yōu)選地，停止供給氨氣，并在使惰性氣如氮(N2)通過(guò)氣氛 爐的同時(shí)將氣氛爐內(nèi)的溫度降低到低于150°C。這可防止碳膜8的氧化。如上所述，經(jīng)表面處理的模具10可被用作用于鑄造鋁制產(chǎn)品的模具。在用于鑄造 鋁制產(chǎn)品的模具的表面上通常不形成鍍層。特別地，在這種模具的表面上不形成鍍鎳層。鎳 被用作鋁和鐵(模具的材料)之間的結(jié)合劑。這樣，當(dāng)在模具的表面上形成鍍鎳層時(shí)，鋁熔 體與模具的表面牢固地結(jié)合。于是，鋁制產(chǎn)品不能容易地與模具脫離。另一方面，對(duì)于經(jīng)表 面處理的模具10來(lái)說(shuō)，由于在金屬層4的表面上形成有碳膜8，所以即使在模具2的表面上 形成有鍍鎳層(金屬層)4，鋁制產(chǎn)品也能容易地與經(jīng)表面處理的模具10脫離。當(dāng)反復(fù)鑄造 鋁制產(chǎn)品時(shí)，金屬層4上的碳膜8減少。即使在碳膜8的量已減少時(shí)，與其表面上沒(méi)有鍍層 的經(jīng)表面處理的模具相比，鋁附著在經(jīng)表面處理的模具10的表面上的傾向也不會(huì)增大。但 是，其機(jī)理尚未得到充分理解。制造如圖1所示的經(jīng)表面處理的模具10。首先，利用含有硅酸鈉和表面活性劑的 溶液對(duì)模具2的表面進(jìn)行超聲波清洗，然后用5%的鹽酸(HCl)水溶液除去表面上的氧化 膜。隨后，在水洗之后立即進(jìn)行金屬層形成步驟。通過(guò)超聲波清洗，可對(duì)模具2的表面脫脂。 在金屬層形成步驟中，將模具2浸漬到大約90°C的無(wú)電解鍍覆溶液中。所用的無(wú)電解鍍覆 溶液為 Top Nicoron BL(由 OKUNO CHEMICAL INDUSTRIES CO. ,LTD.制造；磷含量按重量 計(jì)約7%)。將模具2浸漬大約20分鐘。結(jié)果，在模具2的表面上形成厚度約為8. 5μπι的 鍍層4。然后，用干燥器對(duì)鍍層4進(jìn)行干燥。接下來(lái)進(jìn)行碳膜形成步驟。碳膜形成步驟在氣氛爐內(nèi)進(jìn)行。首先，將模具2放入氣 氛爐內(nèi)，并對(duì)氣氛爐內(nèi)的空氣進(jìn)行凈化。接下來(lái)，根據(jù)圖2所示的處理曲線圖來(lái)形成碳膜8。 下面描述該處理曲線圖。首先，在使乙炔(C2H2)氣和氨(NH3)氣通過(guò)氣氛爐時(shí)，在0. 內(nèi) 將氣氛爐內(nèi)的溫度升高到430°C。乙炔氣的流量為0.6NL/min，氨氣的流量為15NL/min(第 一步驟)。也就是說(shuō)，使乙炔氣與氨氣的流量比率為1 25的混合氣通過(guò)氣氛爐。在氣氛 爐內(nèi)的溫度已達(dá)到430°C之后經(jīng)過(guò)0. 5h時(shí)停止供給乙炔氣。然后，在將氣氛爐內(nèi)的溫度維 持在430°C時(shí)僅使氨氣通過(guò)氣氛爐達(dá)4. 5h (第二步驟)。此后，停止供給氨氣，并在使氮?dú)?以15NL/min通過(guò)氣氛爐的同時(shí)將氣氛爐內(nèi)的溫度降低到150°C以下。在圖3中示出所得到 的經(jīng)表面處理的模具10的SEM照片。如圖3所示，在經(jīng)表面處理的模具10中，在模具2的表面上形成有鍍鎳層4，并且 在鍍鎳層4的表面上形成有碳膜8。圖4示出由圖3中的虛線IV包圍的區(qū)域的放大視圖。 如圖4所示，在鍍鎳層4的表面區(qū)域內(nèi)(在碳膜8—側(cè)的區(qū)域內(nèi))觀察到碳的固溶擴(kuò)散層 6。固溶擴(kuò)散層6具有約1. 0至2. 0 μ m的厚度。圖5示出對(duì)經(jīng)表面處理的模具10的截面進(jìn)行的EDX(能量色散X射線熒光光譜 儀)分析的結(jié)果。圖線的縱軸表示所檢測(cè)出的元素的強(qiáng)度(計(jì)數(shù)值)，橫軸表示距鍍鎳層 4的表面的距離。如從圖5可見(jiàn)，在距鍍鎳層4的表面約1.9μπι的范圍內(nèi)觀察到其中碳、 鎳和磷共存的固溶擴(kuò)散層6。碳是碳膜8的成分，而鎳和磷是鍍鎳層4的成分。在距前表 面(0μπ )1.4μπ 的范圍內(nèi)，碳含量幾乎均勻。在從1.4μπ 到1. 9 μ m的范圍內(nèi)，碳含量沿 朝向后表面的方向減少。鎳含量和磷含量從表面朝向1.9μπι的深度增加。應(yīng)當(dāng)指出，如圖 5所示在距表面1. 4μ m的范圍內(nèi)檢測(cè)出的鎳和磷可能是由于測(cè)量誤差引起，因?yàn)樵诰啾砻?1.4μπι的范圍內(nèi)碳含量是幾乎均勻的。也就是說(shuō)，在圖5中從表面到1.4μπι深度的區(qū)域可被看作碳膜8的一部分。在這種情況下，固溶擴(kuò)散層6具有約0. 5 μ m的厚度。在該示例的 經(jīng)表面處理的模具10中，可確保至少約0. 5 μ m厚度的固定擴(kuò)散層6。如從圖5可見(jiàn)，鎳、磷和鐵(Fe)在距表面7. 8至8. 3 μ m的范圍內(nèi)共存。鎳和磷是 鍍鎳層4的成分。鐵是模具2的成分。也就是說(shuō)，觀察到使鍍鎳層4與模具2結(jié)合的層的 存在。使鍍鎳層4與模具2結(jié)合的層具有約0.5μπι的厚度。如圖6所示，觀察到在經(jīng)表面 處理的模具10的表面上形成了纖維狀的碳膜8。當(dāng)鍍鎳層4具有約2 μ m的厚度時(shí)，可確保 使鍍鎳層4與模具2結(jié)合的層和固溶擴(kuò)散層6兩者。作為金屬層4的材料，測(cè)試了以下材料。在模具上形成由下列構(gòu)成的各個(gè)金屬層 (1)鍍鉻(Cr)，(2)鎢(W)，(3)黃銅(銅(Cu)和鋅(Zn)的合金)，(4)鉬(Mo)和(5)在 碳膜形成步驟之前結(jié)晶的無(wú)電解鍍鎳，并且對(duì)各種模具進(jìn)行與示例1中相同的碳膜形成步 驟。但是，對(duì)于金屬層(5)的情況，在金屬層4已被加熱到430°C并結(jié)晶之后進(jìn)行與示例1 中相同的碳膜形成步驟。圖7示出在碳膜形成步驟之后具有金屬層(1)的模具的表面的SEM照片。圖8示 出在碳膜形成步驟之后具有金屬層(4)的模具的表面的SEM照片。如圖7所示，可確認(rèn)，在 使用鍍鉻來(lái)形成金屬層時(shí)，盡管金屬層部分地露出，但仍形成了纖維狀的碳膜。雖然未示 出，但對(duì)于金屬層⑵和⑶的情況仍獲得了與金屬層⑴的情況相同的結(jié)果。相反，如圖 8所示，在將鉬用于金屬層時(shí)，可觀察到?jīng)]有碳膜形成。對(duì)于金屬層(5)的情況也是這樣。 也就是說(shuō)，已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用鍍鎳來(lái)形成金屬層時(shí)，即使在模具的表面上形成了鍍鎳層，碳膜 也不會(huì)在鍍鎳層的表面上生長(zhǎng)，除非鍍鎳層是非晶態(tài)的。當(dāng)碳膜形成步驟在鍍鎳層處于非 晶態(tài)的狀態(tài)下進(jìn)行時(shí)，在金屬層中形成固溶擴(kuò)散層并且在金屬層的表面上形成碳膜。制造示例1的經(jīng)表面處理的模具(試樣1)和比較示例的經(jīng)表面處理的模 具(試樣幻，并且反復(fù)進(jìn)行鋁制產(chǎn)品的鑄造。比較示例的經(jīng)表面處理的模具根據(jù)在 JP-A-2008-105082中公開(kāi)的方法來(lái)制造。也就是說(shuō)，使用乙炔氣、氨氣和硫化氫氣體作為 原料氣體來(lái)制造比較示例的經(jīng)表面處理的模具。這樣，比較示例的經(jīng)表面處理的模具在碳 膜和模具之間具有氮化物層和硫化層。在比較示例的方法中，將乙炔氣、氨氣和硫化氫氣體 直接供給到模具。由于模具的表面通常被氧化物等的作用惰化，所以使用硫化氫氣體是使 模具的表面活化所不可避免的。在不使用硫化氫氣體時(shí)，纖維狀的碳膜不易于在模具的表 面上生長(zhǎng)。另外，由于在模具的成型表面上形成有氮化物層，所以成型表面的韌性降低。這 樣，成型表面不能順循模具的體積變化并且氮化物層易于形成“裂紋”。由于鋁制產(chǎn)品的鑄 造條件是公知的，所以省略對(duì)它們的詳細(xì)說(shuō)明。經(jīng)過(guò)每規(guī)定次數(shù)的試制(shot)觀察一次試 樣1和試樣2的外觀。結(jié)果概示于圖9中。圖9中的標(biāo)記“〇”表示模具的外觀良好，而標(biāo)記“ X ”表示在外觀上觀察到某些 異常。當(dāng)外觀良好時(shí)，不必對(duì)模具進(jìn)行維護(hù)(再次表面處理)。當(dāng)外觀不好時(shí)，需要對(duì)模具 進(jìn)行維護(hù)。如圖9所示，示例1的經(jīng)表面處理的模具即使在經(jīng)過(guò)10000次試制后也具有良 好的外觀。相反，在經(jīng)過(guò)1000次試制后在比較示例的經(jīng)表面處理的模具的表面中就觀察到 了裂紋。具體地，比較示例的經(jīng)表面處理的模具在氮化物層中具有裂紋。示例1的經(jīng)表面 處理的模具需要比比較示例的經(jīng)表面處理的模具更低頻率的維護(hù)。如上所述，根據(jù)本文公開(kāi)的技術(shù)可確認(rèn)，即使在不使用硫化物氣體時(shí)，纖維狀的碳 膜也能在模具的表面上生長(zhǎng)。還可確認(rèn)的是，由于在金屬層的表面上形成了碳的固溶擴(kuò)散層，所以碳膜能與金屬層的表面牢固地結(jié)合。下面概述根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例(示例)的經(jīng)表面處理的模具和用于制造經(jīng)表面處 理的模具的方法。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的經(jīng)表面處理的模具在碳膜和模具之間具有由特定元素構(gòu) 成的金屬層以增強(qiáng)它們之間的結(jié)合。經(jīng)表面處理的模具的特征在于，金屬層在表面區(qū)域 (從碳膜和金屬層之間的邊界到金屬層的中心的范圍)內(nèi)比在較深區(qū)域(從模具和金屬層 之間的邊界到金屬層的中心的范圍)內(nèi)包含更多的碳。當(dāng)金屬層在表面范圍內(nèi)包含更多的 碳時(shí)，碳膜與金屬層中的碳彼此結(jié)合。這樣，碳膜和金屬層之間的結(jié)合被增強(qiáng)。結(jié)果，能改 善碳膜和模具之間的結(jié)合而不使用硫化物氣體。根據(jù)本發(fā)明的經(jīng)表面處理的模具包括模具、金屬層和碳膜。金屬層設(shè)置在模具的 表面上，并且包含從鎳、鉻、鎢和黃銅中選出的至少一種。碳膜設(shè)置在金屬層的表面上。金 屬層包含碳。金屬層中的碳含量在從碳膜和金屬層之間的邊界到金屬層的中心的范圍內(nèi)比 在從模具和金屬層之間的邊界到金屬層的中心的范圍內(nèi)高。碳膜可由碳納米線圈、碳納米管和碳納米絲中的至少一種形成。碳膜是纖維狀的 并且纖維的端部與金屬層中的碳結(jié)合。碳膜良好地順循模具的體積變化。這樣，碳膜不易 于與模具分離。金屬層可以是“鍍層”。可在模具的表面上設(shè)置均勻的金屬層。特別優(yōu)選的是鍍鎳層。金屬層可具有2 μ m以上且10 μ m以下的厚度。當(dāng)金屬層的厚度小于2 μ m時(shí)，不 能確保包含碳的金屬層(例如，鍍層)的充分厚度。這樣，碳膜與金屬層不能牢固地彼此結(jié) 合。另外，不能確保形成使金屬層與模具結(jié)合的層。當(dāng)金屬層的厚度大于IOym時(shí)，在模具 膨脹或收縮時(shí)，金屬層不能順循模具的膨脹或收縮。金屬層可被模具的膨脹或收縮破壞。當(dāng) 金屬層的厚度在2 μ m以上且10 μ m以下時(shí)，可將碳膜和金屬層之間的結(jié)合維持在高水平并 且可防止金屬層被破壞。根據(jù)本發(fā)明的制造經(jīng)表面處理的模具的方法包括金屬層的形成和碳膜的形成。在 金屬層的形成中，在模具的表面上形成非晶態(tài)金屬層，所述非晶態(tài)金屬層包含從由鎳、鉻、 鎢和黃銅構(gòu)成的組中選出的至少一種金屬。在碳膜的形成中，在以410°C至510°C加熱金屬 層時(shí)在金屬層上形成碳膜。在金屬層的形成中，可通過(guò)無(wú)電解鍍鎳來(lái)形成金屬層。除非其在高溫下經(jīng)受熱處 理，無(wú)電解鍍鎳層在模具表面上持續(xù)為非晶態(tài)的。這使得在形成金屬層之后在開(kāi)始形成碳 膜之前能容易地保存模具。在碳膜的形成中，可供給烴氣和稀釋氣的氣體混合物至少一段時(shí)間。在碳膜的形成中，可供給乙炔氣和氨的氣體混合物至少一段時(shí)間。由此可在金屬 層的表面上形成纖維狀的碳膜。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)在形成碳膜期間僅供給乙炔氣時(shí)，會(huì)有大量的 煤灰附著在裝置的內(nèi)側(cè)。另外，難以控制碳膜的厚度。當(dāng)使用上述氣體混合物時(shí)，能防止過(guò) 量的煤灰附著在裝置的內(nèi)側(cè)并形成具有期望厚度的碳膜。氨與碳膜的形成不直接相關(guān)。氨 用作乙炔氣的稀釋氣。當(dāng)在碳膜的形成中使用乙炔氣和氨的氣體混合物時(shí)，可在供給氣體混合物之后僅 供給氨。這使得能在控制碳膜厚度的同時(shí)形成纖維狀的碳膜。
盡管已參照本發(fā)明的示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所 述的實(shí)施例或構(gòu)造。本發(fā)明意圖涵蓋各種變型和等同布置。此外，盡管以各種示例性的組 合和構(gòu)型示出了所公開(kāi)的本發(fā)明的各種要素，但包括更多、更少或僅單個(gè)要素的其它組合 和構(gòu)型也在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種經(jīng)表面處理的模具(10)，包括 模具⑵；金屬層G)，所述金屬層設(shè)置在所述模具的表面上并且包含從由鎳、鉻、鎢和黃銅構(gòu)成 的組中選出的至少一種金屬；和碳膜(8)，所述碳膜設(shè)置在所述金屬層的表面上，其中，所述金屬層包含碳，并且所述金屬層中的碳濃度在所述金屬層與所述碳膜的邊 界和所述金屬層的中心之間比在所述金屬層與所述模具的邊界和所述金屬層的中心之間尚ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)表面處理的模具，其中，所述碳膜是纖維狀的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)表面處理的模具，其中，所述碳膜由碳納米線圈、碳納米管 和碳納米絲中的至少一種形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的經(jīng)表面處理的模具，其中，所述金屬層是鍍層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的經(jīng)表面處理的模具，其中，所述鍍層是鍍鎳層。
6.根根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的經(jīng)表面處理的模具，其中，所述金屬層具有 2 μ m以上且10 μ m以下的厚度。
7.—種制造經(jīng)表面處理的模具(10)的方法，包括在模具的表面上形成非晶態(tài)金屬層G)，所述非晶態(tài)金屬層包含從由鎳、鉻、鎢和黃銅 構(gòu)成的組中選出的至少一種金屬；和在以410°C至510°C的溫度加熱所述金屬層的同時(shí)在所述金屬層上形成碳膜(8)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，通過(guò)無(wú)電解鍍鎳形成所述非晶態(tài)金屬層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在給所述金屬層的表面上形成所述碳膜的時(shí)期 的至少一部分期間供給烴氣和稀釋氣的氣體混合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在給所述金屬層的表面上形成所 述碳膜的時(shí)期的至少一部分期間供給乙炔和氨的氣體混合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，通過(guò)供給乙炔和氨的氣體混合物并且隨后僅 供給氨來(lái)形成所述金屬層的表面上的所述碳膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種經(jīng)表面處理的模具和制造經(jīng)表面處理的模具的方法。所述經(jīng)表面處理的模具(10)具有模具(2)、金屬層(4)和碳膜(8)。金屬層(4)設(shè)置在模具(2)的表面上。金屬層(4)包含從鎳、鉻、鎢和黃銅中選出的至少一種成分。碳膜(8)設(shè)置在金屬層(4)的表面上。金屬層(4)包含碳。金屬層(4)中的碳含量在從碳膜(8)和金屬層(4)之間的邊界到金屬層(4)的中心的范圍內(nèi)比在從模具(2)和金屬層(4)之間的邊界到金屬層(4)的中心的范圍內(nèi)高。
文檔編號(hào)C23C28/00GK102078921SQ20101056564
公開(kāi)日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者八百川盾, 古川雄一, 巖田靖 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社