一種高溫耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度納米多層薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高溫耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度納米多層薄膜及其制備方法。 (二）
【背景技術(shù)】
[0002] H13鋼做為一種熱作模具鋼，廣泛應(yīng)用于熱模鍛，熱擠壓模和有色金屬壓鑄模。熱 作模具的工作條件非常惡劣，熱鍛模表面要承受高溫，高壓以及較大的沖擊力。模具的使用 壽命成為一個(gè)突出的日益突出的問題。因此提高模具表面的高熱硬性、高溫耐磨性及抗高 溫氧化的性能，是減少零件加工時(shí)因周期加載及溫度變化對模具表面的磨損，提高模具的 使用壽命的重要措施。
[0003] 提高熱作模具使用壽命經(jīng)濟(jì)有效的方法是對模具進(jìn)行表面處理，離子滲氮和PVD 是常用提高H13模具表面性能的方法。模具表面離子滲氮后能提高模具表面的硬度，而采 用PVD的方法涂覆的耐磨涂層能顯著提高模具表面性能，如CrN涂層硬度為19GPa左右，摩 擦系數(shù)0. 3,最高使用溫度700°C左右，在刀具和模具中得到廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)的發(fā)展， 單層沉積的在模具表面的CrN薄膜已經(jīng)很難適應(yīng)生產(chǎn)的要求，為了提高模具表面的高溫硬 度、高溫摩擦磨損性能，通過設(shè)計(jì)在CrN薄膜的基礎(chǔ)上，引入金屬（鉬、釩、鈦和鋁等）多種 元素，制備出多元氮化物涂層，得到的涂層既可以和基體表面有很強(qiáng)的結(jié)合力，又具備更好 高溫摩擦磨損和抗高溫氧化性能。 (三）

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是提供一種高溫耐磨性能優(yōu)越且膜基結(jié)合力高的Cr-CrN-CrMoAlN梯 度納米多層薄膜及其制備方法。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0006] 一種高溫耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度納米多層薄膜，由H13基體表面經(jīng)離子滲 氮處理之后，再依次沉積純Cr結(jié)合層、CrN梯度過渡層和高溫耐磨CrMoAlN功能層制得 (即，所述多層薄膜自下而上依次為H13基體-離子滲氮層-純Cr結(jié)合層-CrN梯度過渡 層-CrMoAlN功能層）；所述純Cr結(jié)合層厚度為0. 18~0. 21 μ m ;所述CrN梯度過渡層厚 度為0· 25~0· 3 μπι，Cr質(zhì)量含量48. 5 %~51. 1%、N質(zhì)量含量48. 9 %~51. 5 % ;所述 CrMoAlN功能層厚度為1~2. 5 μ m，Cr質(zhì)量含量32. 12 %~34. 43 %、Mo質(zhì)量含量14. 67 %~ 18. 31%、Al 質(zhì)量含量 5. 14%~6. 02%、N 質(zhì)量含量 43. 55%~45. 76%
[0007] 所述離子滲氮處理按本發(fā)明常規(guī)方法進(jìn)行即可，本發(fā)明中，得到的離子滲氮層厚 度為 0· 3 ~0· 5 μπι。
[0008] 本發(fā)明還涉及一種制備所述梯度納米多層薄膜的方法，采用非平衡磁控濺射離子 鍍技術(shù)，包括如下步驟：
[0009] (1)在垂直于水平面并依次垂直的四個(gè)方向安置金屬Cr革[1、金屬Al革[1、金屬Cr革巴 和金屬M(fèi)o靶；在磁控濺射真空腔中間的轉(zhuǎn)架臺(tái)上放置預(yù)先經(jīng)離子滲氮處理后的H13模具鋼 基體，轉(zhuǎn)架臺(tái)可以自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為lOrpm，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為2rpm，靶/基距離為9cm;
[0010] (2)真空室抽真空至LOX 10_4Pa，通入純度為99. 999 %的氬氣，氬氣流量為 3〇SCCm，用四個(gè)0. 3A的靶材電流及負(fù)偏壓450V濺射清洗靶材及基底30min ;
[0011] (3)通入純度為99. 999 %的氬氣，氬氣流量降低為25sccm，Cr靶電流升高為4A， 負(fù)偏壓降低到80V在離子滲氮處理后的基體上沉積純Cr結(jié)合層，時(shí)間170~180s ;然后通 入純度為99. 999 %的氮?dú)猓獨(dú)獾牧髁繛?0sccm，同時(shí)Al靶和Mo靶的電流保持為0. 3A，沉 積CrN過渡層，時(shí)間為170~180s ;最后Al靶電流逐漸上升為6A，Mo靶電流上升為4A~ 6A，氮?dú)饬髁恐饾u降低到50sccm，派射沉積CrMoAlN功能層，時(shí)間100~120min，即可得所 述梯度納米多層薄膜。
[0012] 制備過程中，需通過控制每一步的濺射沉積時(shí)間來控制各層的厚度。
[0013] 本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在：本發(fā)明在H13模具鋼表面經(jīng)離子滲氮后沉積純 Cr結(jié)合層和CrN梯度過渡層顯著提高了膜/基結(jié)合強(qiáng)度，而CrMoAlN薄膜的膜層硬度可達(dá) 31~34PGa，同時(shí)膜層厚度可控。在高溫摩擦磨損試驗(yàn)中，離子滲氮后沉積的梯度多層納米 涂層具有很低的高溫摩擦磨損系數(shù)和磨損率，顯示出良好的高溫減磨抗磨性能，可用于熱 作磨具鋼表面的防護(hù)改性涂層，大幅提高使用壽命。 (四）
【附圖說明】
[0014] 圖1為高溫耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度納米多層薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖2為實(shí)施例1涂層表面SEM形貌；
[0016] 圖3為實(shí)施例1涂層截面SEM形貌。 (五）
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于 此：
[0018] 實(shí)施例1 :
[0019] 采用非平衡磁控濺射離子鍍沉積高溫耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度納米多層薄膜， 步驟如下：
[0020] 1)在垂直于水平面并依次垂直的四個(gè)方向安置金屬Cr革[1、金屬Al革[1、金屬Cr革巴 和金屬M(fèi)o靶；在磁控濺射真空腔中間的轉(zhuǎn)架臺(tái)上放置H13模具鋼基體，轉(zhuǎn)架臺(tái)可以自轉(zhuǎn)和 公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為lOrpm，自傳轉(zhuǎn)速為2rpm，革E /基距離為9cm ;
[0021] 2)真空室抽真空至LOXKT4Pa,通入純度為99. 999 %的氬氣，氬氣流量為 3〇SCCm。用四個(gè)0. 3A的靶材電流及負(fù)偏壓450V濺射清洗靶材及基底30min ;
[0022] 3)通入純度為99. 999 %的氬氣，氬氣流量降低為25sccm，Cr靶電流升高為4A，負(fù) 偏壓降低到80V在離子滲氮基體（離子滲氮層厚度0. 4 μ m)上沉積純Cr結(jié)合層，時(shí)間180s ; 然后通入純度為99. 999%的氮?dú)?，氮?dú)獾牧髁繛?〇SCCm，同時(shí)Al靶和Mo靶的電流保持為 0. 3A，沉積CrN過渡層，時(shí)間為175s ;最后Al靶電流逐漸上升為6A，Mo靶電流逐漸升高為 6A，氮?dú)饬髁恐饾u降低到50sccm，派射沉積CrMoAlN功能層120min。
[0023] 得到的Cr-CrN-CrMoAlN梯度納米多層硬質(zhì)薄膜（結(jié)構(gòu)圖參見圖1)的純Cr結(jié)合層 厚度為0. 21 μL? ;CrN過渡層厚度為0. 26 ym，Cr含量48. 5%、N質(zhì)量含量51. 5%;CrMoAlN功 能層厚度為2. 4ym，Cr含量32. 12%、Mo含量為18. 31%、A1含量為6. 02%、N含量43. 55%， 膜層硬度可達(dá)34GPa。
[0024] 實(shí)施例2 :
[0025] 采用非平衡磁控濺射離子鍍沉積高溫耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度納米多層薄膜， 步驟如下：
[0026] 1)在垂直于水平面并依次垂直的四個(gè)方向安置金屬Cr革[1、金屬Al革[1、金屬Cr革巴 和金屬M(fèi)o靶；在磁控濺射真空腔中間的轉(zhuǎn)架臺(tái)上放置H13模具