CN104862644A - 一种高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜，由H13基体表面经离子渗氮处理之后，再依次沉积纯Cr结合层、CrN梯度过渡层和高温耐磨CrMoAlN功能层制得。本发明在H13模具钢表面经离子渗氮后沉积纯Cr结合层和CrN梯度过渡层显著提高了膜/基结合强度，而CrMoAlN薄膜的膜层硬度可达31～34PGa，同时膜层厚度可控。在高温摩擦磨损试验中，离子渗氮后沉积的梯度多层纳米涂层具有很低的高温摩擦磨损系数和磨损率，显示出良好的高温减磨抗磨性能，可用于热作磨具钢表面的防护改性涂层，大幅提高使用寿命。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜及其制备方法。
(二)背景技术
H13钢做为一种热作模具钢，广泛应用于热模锻，热挤压模和有色金属压铸模。热作模具的工作条件非常恶劣，热锻模表面要承受高温，高压以及较大的冲击力。模具的使用寿命成为一个突出的日益突出的问题。因此提高模具表面的高热硬性、高温耐磨性及抗高温氧化的性能，是减少零件加工时因周期加载及温度变化对模具表面的磨损，提高模具的使用寿命的重要措施。
提高热作模具使用寿命经济有效的方法是对模具进行表面处理，离子渗氮和PVD是常用提高H13模具表面性能的方法。模具表面离子渗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层能显著提高模具表面性能，如CrN涂层硬度为19GPa左右，摩擦系数0.3，最高使用温度700℃左右，在刀具和模具中得到广泛应用。随着工业的发展，单层沉积的在模具表面的CrN薄膜已经很难适应生产的要求，为了提高模具表面的高温硬度、高温摩擦磨损性能，通过设计在CrN薄膜的基础上，引入金属(钼、钒、钛和铝等)多种元素，制备出多元氮化物涂层，得到的涂层既可以和基体表面有很强的结合力，又具备更好高温摩擦磨损和抗高温氧化性能。
(三)发明内容
本发明目的是提供一种高温耐磨性能优越且膜基结合力高的Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜及其制备方法。
本发明采用的技术方案是：
一种高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜，由H13基体表面经离子渗氮处理之后，再依次沉积纯Cr结合层、CrN梯度过渡层和高温耐磨CrMoAlN功能层制得(即，所述多层薄膜自下而上依次为H13基体-离子渗氮层-纯Cr结合层-CrN梯度过渡层-CrMoAlN功能层)；所述纯Cr结合层厚度为0.18～0.21μm；所述CrN梯度过渡层厚度为0.25～0.3μm，Cr质量含量48.5％～51.1％、N质量含量48.9％～51.5％；所述CrMoAlN功能层厚度为1～2.5μm，Cr质量含量32.12％～34.43％、Mo质量含量14.67％～18.31％、Al质量含量5.14％～6.02％、N质量含量43.55％～45.76％
所述离子渗氮处理按本发明常规方法进行即可，本发明中，得到的离子渗氮层厚度为0.3～0.5μm。
本发明还涉及一种制备所述梯度纳米多层薄膜的方法，采用非平衡磁控溅射离子镀技术，包括如下步骤：
(1)在垂直于水平面并依次垂直的四个方向安置金属Cr靶、金属Al靶、金属Cr靶和金属Mo靶；在磁控溅射真空腔中间的转架台上放置预先经离子渗氮处理后的H13模具钢基体，转架台可以自转和公转，公转转速为10rpm，自转转速为2rpm，靶/基距离为9cm；
(2)真空室抽真空至1.0×10-4Pa，通入纯度为99.999％的氩气，氩气流量为30sccm，用四个0.3A的靶材电流及负偏压450V溅射清洗靶材及基底30min；
(3)通入纯度为99.999％的氩气，氩气流量降低为25sccm，Cr靶电流升高为4A，负偏压降低到80V在离子渗氮处理后的基体上沉积纯Cr结合层，时间170～180s；然后通入纯度为99.999％的氮气，氮气的流量为90sccm，同时Al靶和Mo靶的电流保持为0.3A，沉积CrN过渡层，时间为170～180s；最后Al靶电流逐渐上升为6A，Mo靶电流上升为4A～6A，氮气流量逐渐降低到50sccm，溅射沉积CrMoAlN功能层，时间100～120min，即可得所述梯度纳米多层薄膜。
制备过程中，需通过控制每一步的溅射沉积时间来控制各层的厚度。
本发明的有益效果主要体现在：本发明在H13模具钢表面经离子渗氮后沉积纯Cr结合层和CrN梯度过渡层显著提高了膜/基结合强度，而CrMoAlN薄膜的膜层硬度可达31～34PGa，同时膜层厚度可控。在高温摩擦磨损试验中，离子渗氮后沉积的梯度多层纳米涂层具有很低的高温摩擦磨损系数和磨损率，显示出良好的高温减磨抗磨性能，可用于热作磨具钢表面的防护改性涂层，大幅提高使用寿命。
(四)附图说明
图1为高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜的结构示意图；
图2为实施例1涂层表面SEM形貌；
图3为实施例1涂层截面SEM形貌。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1：
采用非平衡磁控溅射离子镀沉积高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜，步骤如下：
1)在垂直于水平面并依次垂直的四个方向安置金属Cr靶、金属Al靶、金属Cr靶和金属Mo靶；在磁控溅射真空腔中间的转架台上放置H13模具钢基体，转架台可以自转和公转，公转转速为10rpm，自传转速为2rpm，靶/基距离为9cm；
2)真空室抽真空至1.0×10-4Pa，通入纯度为99.999％的氩气，氩气流量为30sccm。用四个0.3A的靶材电流及负偏压450V溅射清洗靶材及基底30min；
3)通入纯度为99.999％的氩气，氩气流量降低为25sccm，Cr靶电流升高为4A，负偏压降低到80V在离子渗氮基体(离子渗氮层厚度0.4μm)上沉积纯Cr结合层，时间180s；然后通入纯度为99.999％的氮气，氮气的流量为90sccm，同时Al靶和Mo靶的电流保持为0.3A，沉积CrN过渡层，时间为175s；最后Al靶电流逐渐上升为6A，Mo靶电流逐渐升高为6A，氮气流量逐渐降低到50sccm，溅射沉积CrMoAlN功能层120min。
得到的Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层硬质薄膜(结构图参见图1)的纯Cr结合层厚度为0.21μm；CrN过渡层厚度为0.26μm，Cr含量48.5％、N质量含量51.5％；CrMoAlN功能层厚度为2.4μm，Cr含量32.12％、Mo含量为18.31％、Al含量为6.02％、N含量43.55％，膜层硬度可达34GPa。
实施例2：
采用非平衡磁控溅射离子镀沉积高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜，步骤如下：
1)在垂直于水平面并依次垂直的四个方向安置金属Cr靶、金属Al靶、金属Cr靶和金属Mo靶；在磁控溅射真空腔中间的转架台上放置H13模具钢基体，转架台可以自转和公转，公转转速为10rpm，自传转速为2rpm，靶/基距离为9cm；
2)真空室抽真空至1.0×10-4Pa，通入纯度为99.999％的氩气，氩气流量为30sccm。用四个0.3A的靶材电流及负偏压450V溅射清洗靶材及基底30min；
3)通入纯度为99.999％的氩气，氩气流量降低为25sccm，Cr靶电流升高为4A，负偏压降低到80V在离子渗氮基体(离子渗氮层厚度0.4μm)上沉积纯Cr结合层，时间170s；然后通入纯度为99.999％的氮气，氮气的流量为90sccm,同时Al靶和Mo靶的电流保持为0.3A，沉积CrN过渡层，时间为185s；最后Al靶电流逐渐上升为6A，Mo靶电流逐渐升高为5A，氮气流量逐渐降低到50sccm，溅射沉积CrMoAlN功能层110min。
得到的高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜的纯Cr结合层厚度为0.2μm；CrN过渡层厚度为0.28μm，Cr含量51.1％、N含量48.9％；CrMoAlN功能层厚度为1.8μm，Cr含量33.46％、Mo含量为16.14％、Al含量为5.54％、N含量44.86％，膜层硬度可达32GPa。
实施例3：
采用非平衡磁控溅射离子镀沉积Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层硬质薄膜，步骤如下：
1)在垂直于水平面并依次垂直的四个方向安置金属Cr靶、金属Al靶、金属Cr靶和金属Mo靶；在磁控溅射真空腔中间的转架台上放置H13模具钢基体，转架台可以自转和公转，公转转速为10rpm，自传转速为2rpm，靶/基距离为9cm；
2)真空室抽真空至1.0×10-4Pa，通入纯度为99.999％的氩气，氩气流量为30sccm。用四个0.3A的靶材电流及负偏压450V溅射清洗靶材及基底30min；纯度为99.999％的
3)通入纯度为99.999％的氩气，氩气流量降低为25sccm，Cr靶电流升高为4A，负偏压降低到80V在离子渗氮基体(离子渗氮层厚度0.4μm)上沉积纯Cr结合层，时间170s；然后通入纯度为99.999％的氮气，氮气的流量为90sccm，同时Al靶和Mo靶的电流保持为0.3A，沉积CrN过渡层，时间为180s；最后Al靶电流逐渐上升为6A，Mo靶电流保持在4A，氮气流量逐渐降低到50sccm，溅射沉积CrMoAlN功能层100min。
得到的高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜的纯Cr结合层厚度为0.19μm；CrN过渡层厚度为0.27μm，Cr含量49.32％、N含量50.68％；CrMoAlN功能层厚度为1.3μm，Cr含量34.43％、Mo含量为14.67％、Al含量为5.14％、N含量45.76％，硬度可达31GPa。
本发明在离子渗氮后的H13模具钢表面溅射沉积高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜表面颗粒大小均匀，涂层致密，无明显缺陷(参见图2)。用扫描电镜观察膜层截面，膜层以柱状晶方式生长(参见图3)。采用划痕法评价高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜与基体表面结合强度，分别在500℃、600℃和700℃下，以SiC球为对磨材料在CETR UMT-2高温摩擦磨损试验机上进行高温磨损试验，施加的载荷为15N，评价实例1、实施案例2和实施例3的高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜的性能，结果见表1。
表1：本发明的高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜与基体的结合强度以及高温摩擦磨损系数和磨损率
本发明在离子渗氮后的H13模具钢表面溅射沉积Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层硬质薄膜具有如下特点：
1.梯度多层薄膜与离子渗氮后的基体表面结合力好。本发明实施的例1、实施例2和实施例3得到的高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜显著的提高了薄膜与基体的结合力，划痕试验得到的实施例1、实施例2和实施例3的Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜的临界载荷值分别为65N、60N和60N。本发明实施例1、实施例2和实施例3的高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜没有出现膜层破裂和剥落现象。
2.硬度高，高温耐磨性好，本发明实施的例1、实施例2和实施例3得到的Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜硬度达到31GPa～34GPa。在500℃、600℃和700℃三种温度下，得到的高温磨损磨损系数基本介于0.1～0.2μ之间，磨损率也控制在0.3×10-6mm3/Nm以下。
Claims (3)
1.一种高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜，由H13基体表面经离子渗氮处理之后，再依次沉积纯Cr结合层、CrN梯度过渡层和高温耐磨CrMoAlN功能层制得；所述纯Cr结合层厚度为0.18～0.21μm；所述CrN梯度过渡层厚度为0.25～0.3μm，Cr质量含量48.5％～51.1％、N质量含量48.9％～51.5％；所述CrMoAlN功能层厚度为1～2.5μm，Cr质量含量32.12％～34.43％、Mo质量含量14.67％～18.31％、Al质量含量5.14％～6.02％、N质量含量43.55％～45.76％。
2.如权利要求1所述的梯度纳米多层薄膜，其特征在于离子渗氮处理得到的离子渗氮层厚度为0.3～0.5μm。
3.一种制备如权利要求1所述梯度纳米多层薄膜的方法，所述方法包括：
(1)在垂直于水平面并依次垂直的四个方向安置金属Cr靶、金属Al靶、金属Cr靶和金属Mo靶；在磁控溅射真空腔中间的转架台上放置预先经离子渗氮处理后的H13模具钢基体，转架台可以自转和公转，公转转速为10rpm，自转转速2rpm，靶/基距离为9cm；
(2)真空室抽真空至1.0×10-4Pa，通入纯度为99.999％的氩气，氩气流量为30sccm，用四个0.3A的靶材电流及负偏压450V溅射清洗靶材及基底30min；
(3)通入纯度为99.999％的氩气，氩气流量降低为25sccm，Cr靶电流升高为4A，负偏压降低到80V在离子渗氮处理后的基体上沉积纯Cr结合层，时间170～180s；然后通入纯度为99.999％的氮气，氮气的流量为90sccm，同时Al靶和Mo靶的电流保持为0.3A，沉积CrN过渡层，时间为170～180s；最后Al靶电流逐渐上升为6A，Mo靶电流上升为4A～6A，氮气流量逐渐降低到50sccm，溅射沉积CrMoAlN功能层，时间100～120min，即可得所述梯度纳米多层薄膜。
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