一種高溫耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度納米多層薄膜及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發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】
[0002] H13鋼做為一種熱作模具鋼，廣泛應用于熱模鍛，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濟有效的方法是對模具進行表面處理，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0. 3,最高使用溫度700°C左右，在刀具和模具中得到廣泛應用。隨著工業的發展， 單層沉積的在模具表面的CrN薄膜已經很難適應生產的要求，為了提高模具表面的高溫硬 度、高溫摩擦磨損性能，通過設計在CrN薄膜的基礎上，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的結合力，又具備更好 高溫摩擦磨損和抗高溫氧化性能。 (三）

【發明內容】

[0004] 本發明目的是提供一種高溫耐磨性能優越且膜基結合力高的Cr-CrN-CrMoAlN梯 度納米多層薄膜及其制備方法。
[0005] 本發明采用的技術方案是：
[0006] 一種高溫耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度納米多層薄膜，由H13基體表面經離子滲 氮處理之后，再依次沉積純Cr結合層、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結合層-CrN梯度過渡 層-CrMoAlN功能層）；所述純Cr結合層厚度為0. 18~0. 21 μ m ;所述CrN梯度過渡層厚 度為0· 25~0· 3 μπι，Cr質量含量48. 5 %~51. 1%、N質量含量48. 9 %~51. 5 % ;所述 CrMoAlN功能層厚度為1~2. 5 μ m，Cr質量含量32. 12 %~34. 43 %、Mo質量含量14. 67 %~ 18. 31%、Al 質量含量 5. 14%~6. 02%、N 質量含量 43. 55%~45. 76%
[0007] 所述離子滲氮處理按本發明常規方法進行即可，本發明中，得到的離子滲氮層厚 度為 0· 3 ~0· 5 μπι。
[0008] 本發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，包括如下步驟：
[0009] (1)在垂直于水平面并依次垂直的四個方向安置金屬Cr革[1、金屬Al革[1、金屬Cr革巴 和金屬Mo靶；在磁控濺射真空腔中間的轉架臺上放置預先經離子滲氮處理后的H13模具鋼 基體，轉架臺可以自轉和公轉，公轉轉速為lOrpm，自轉轉速為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0. 3A的靶材電流及負偏壓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， 負偏壓降低到80V在離子滲氮處理后的基體上沉積純Cr結合層，時間170~180s ;然后通 入純度為99. 999 %的氮氣，氮氣的流量為90sccm，同時Al靶和Mo靶的電流保持為0. 3A，沉 積CrN過渡層，時間為170~180s ;最后Al靶電流逐漸上升為6A，Mo靶電流上升為4A~ 6A，氮氣流量逐漸降低到50sccm，派射沉積CrMoAlN功能層，時間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間來控制各層的厚度。
[0013] 本發明的有益效果主要體現在：本發明在H13模具鋼表面經離子滲氮后沉積純 Cr結合層和CrN梯度過渡層顯著提高了膜/基結合強度，而CrMoAlN薄膜的膜層硬度可達 31~34PGa，同時膜層厚度可控。在高溫摩擦磨損試驗中，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構示意圖；
[0015] 圖2為實施例1涂層表面SEM形貌；
[0016] 圖3為實施例1涂層截面SEM形貌。 (五）
【具體實施方式】
[0017] 下面結合具體實施例對本發明進行進一步描述，但本發明的保護范圍并不僅限于 此：
[0018] 實施例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方向安置金屬Cr革[1、金屬Al革[1、金屬Cr革巴 和金屬Mo靶；在磁控濺射真空腔中間的轉架臺上放置H13模具鋼基體，轉架臺可以自轉和 公轉，公轉轉速為lOrpm，自傳轉速為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0. 3A的靶材電流及負偏壓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 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結合層，時間180s ; 然后通入純度為99. 999%的氮氣，氮氣的流量為9〇SCCm，同時Al靶和Mo靶的電流保持為 0. 3A，沉積CrN過渡層，時間為175s ;最后Al靶電流逐漸上升為6A，Mo靶電流逐漸升高為 6A，氮氣流量逐漸降低到50sccm，派射沉積CrMoAlN功能層120min。
[0023] 得到的Cr-CrN-CrMoAlN梯度納米多層硬質薄膜（結構圖參見圖1)的純Cr結合層 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34GPa。
[0024] 實施例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方向安置金屬Cr革[1、金屬Al革[1、金屬Cr革巴 和金屬Mo靶；在磁控濺射真空腔中間的轉架臺上放置H13模具