CN109252140A - 一种冷作模具钢表面制备AlCrCN涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

一种冷作模具钢表面制备AlCrCN涂层的制备方法，方法科学，制备原理清晰，属于材料制备技术领域。在500℃时进行离子镀，其沉积温度不会产生模具变形，有利于保持模具的精度；所制备的涂层度为3500HV，提高了模具表面硬度，减小了模具的磨损量，保证所加工的工件质量。通过AlCrCN涂层与基体在界面结合处形成扩散层，扩散层的元素过渡成梯度，涂层与基体的结合良好；在AlCrCN涂层形成了非晶态的C‑C键，起自润滑的作用，有效地减小摩擦因数。AlCrCN涂层具有超高硬度、低摩擦因数和抗磨损等优点，进一步提高了冷作模具表面硬度，使用寿命可提高3‑5倍。

Description

一种冷作模具钢表面制备AlCrCN涂层的方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，涉及一种冷作模具钢表面制备AlCrCN涂层的方法，特指一种能提高抗磨损性能和延长使用寿命的冷作模具钢表面改性处理方法。
背景技术
钢作为一种基础合金，凭借其低廉的价格和可靠的机械性能成为了世界上使用最广泛的金属。而模具钢作为模具行业最重要材料之一，具有良好的耐腐蚀性、耐磨性和机械强度，被广泛用于注塑和钣金成型工业中。为满足模具的制造及使用要求，近年来已经研究和开发了许多等级的模具钢。但随着钢铁工业和模具工业的快速发展，对模具钢性能的要求变得越来越严苛，由于模具工作环境往往伴随着高温和高载的极端状况，单纯的开发新型模具钢已经不能满足生产需求。因此，考虑使用涂层技术对模具钢进行表面改性处理，达到提高模具磨损性能的目的。
Cr12MoV钢具有较高的淬透性、硬度和韧性，主要用于制造截面较大、结构复杂和工作负荷较重的冷冲压模具。在淬火和低温回火后其硬度可达到50-52HRC，但在工作过程中时仍因发生严重的磨损而报废，磨损已成为冷作模具失效的主要形式之一。
发明内容
本发明的目的是针对Cr12MoV钢在工作过程中时容易产生磨损而报废的原因，提出了一种冷作模具钢表面制备AlCrCN涂层的制备方法。通过在Cr12MoV冷作模具钢表面制备一层AlCrCN涂层，提高了模具表面硬度，有利于保持模具的精度，保证所加工的工件质量，可以有效地减小摩擦因数和模具的磨损量。
本发明的技术方案是：一种冷作模具钢表面制备AlCrCN涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基体为Cr12MoV冷作模钢，经磨削和抛光后，表面粗糙度Ra为0.01μm，分别在酒精和丙酮溶液中分别超声清洗15min，以去除油污，经干燥后待用；
(2)将试样放入图1中镀膜真空室，其真空度为10-4Pa，加热至500℃，保温时间为30min。首先通入氩气，保持真空室内压力为1.0Pa，开启偏压电源，电压900V，占空比0.2，辉光放电清洗15min，偏压降低至500V，开启离子源离子清洗15min；
(3)停止通入氩气，对镀膜真空室抽真空至0.5Pa后，通入氮气，流量为220mL/min，并通入氩气，控制氩气与氮气的流量比为1:2，向真空室内输入混合气体，保持真空室内气压1.2Pa，Al和Cr靶通电，调整偏压为130V，电流180A，沉积50分钟后，在基体表面形成厚度为0.3μm的AlCrN涂层；
(4)在真空室中通入甲烷气体，剩余的等离子体在氩气、氮气和甲烷混合的反应环境中沉积2小时后，在AlCrN涂层表面形成厚度为1μm的AlCrCN涂层。
步骤(2)中所述的镀膜真空室系统本底真空度为2×10-3Pa，氮气和甲烷为反应气体，氩气为进料气体，工作温度500℃，靶电流为60A，氩气气压为5Pa，产生高电离Al+和Cr+等离子体。
步骤(4)中所述的AlCrCN涂层厚度为1μm，和AlCrN涂层一起与基体结合紧密。
步骤(4)中所述的AlCrCN涂层是由AlN、CrN和CrC物相组成。
步骤(4)中所述的AlCrCN涂层是由(Cr，Al)-N、Cr-C和C-C键组成，其中C-C键为非晶C相。
步骤(4)中所述的AlCrCN涂层在结合界面处形成了扩散层，形成冶金结合方式，其结合力为34.8N。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种冷作模具钢表面制备AlCrCN涂层的方法，其方法科学，制备原理清晰，在500℃时进行离子镀，其较低的沉积温度不会使模具产生变形，有利于保持模具的精度；所制备的涂层硬度为3500HV，高硬度的涂层减小了模具磨损量，保证所加工的工件质量，AlCrCN涂层在界面结合处形成的扩散层元素呈现梯度分布，涂层与基体的结合良好；C原子在AlCrCN涂层形成了非晶态的C-C键，主要起自润滑的作用，可以有效地减小摩擦因数；AlCrCN涂层具有超高硬度、低摩擦因数和抗磨损等优点，可以进一步提高冷作模具表面硬度，使用寿命可以提高3-5倍。
附图说明
图1 为本发明中阴极离子镀AlCrCN涂层示意图。
图2 为本发明中AlCrCN涂层表面形貌图。
图3 为本发明中AlCrCN涂层断面形貌图。
图4 为本发明中AlCrCN涂层XRD分析图。
图5 为本发明中AlCrCN涂层拉曼分析图。
图6 为本发明中AlCrCN涂层的界面线扫描图。
图7 为本发明中AlCrCN涂层的结合力分析图。
图8 为本发明中摩擦因数与磨损时间关系图。
图9 为本发明实施例中AlCrCN涂层在载荷为2N时磨损1小时后表面形貌图。
具体实施方式
下面采用本发明的技术方案，结合附图和实例对本发明作进一步说明。
(1)基体为Cr12MoV冷作模钢，经磨削和抛光后，表面粗糙度Ra为0.01μm，在酒精和丙酮溶液中分别超声清洗15min，以去除油污，经干燥后待用。
(2)将试样放入图1中镀膜真空室，其真空度为10-4Pa，加热至500℃，保温30min。首先通入氩气，保持真空室内压力为1.0Pa，开启偏压电源，电压900V，占空比0.2，辉光放电清洗15min，偏压降低至500V，开启离子源离子清洗15min。
(3)停止通入氩气，对镀膜真空室抽真空至0.5Pa后，通入氮气，流量为220mL/min，并通入氩气，控制氩气与氮气的流量比为1:2，向真空室内输入混合气体，保持真空室内气压为1.2Pa。Al和Cr靶通电，调整偏压为130V，电流180A，沉积50分钟后，在基体表面形成厚度为0.3μm的AlCrN涂层。
(4)在真空室中通入甲烷气体，真空室中剩余的等离子体在氩气、氮气和甲烷混合的反应环境中沉积2小时后，在AlCrN涂层表面形成厚度为1μm的AlCrCN涂层。
(5) AlCrCN涂层表面为典型的阴极离子镀的特征，无裂纹缺陷，如图2所示；AlCrCN涂层的厚度为1μm, 和AlCrN涂层一起与基体结合紧密，如图3所示。
(6)AlCrCN涂层的XRD物相分析如图4所示，涂层是由AlN、CrN和CrC等物相组成。
(7)AlCrCN涂层拉曼分析如图5所示，涂层是由(Cr,Al)-N、Cr-C和C-C键组成，其中C-C键为非晶C相，可以起到自润滑的作用，有利于减小摩擦因数。
(8)AlCrCN涂层的界面线扫描分析如图6所示，涂层在结合界面处形成了扩散层，结合方式为冶金结合，其结合力为34.8N，如图7所示。
(9)在磨损载荷为2N时，AlCrCN涂层摩擦因数与磨损时间关系如图8所示，摩擦过程比较平稳，平均摩擦因数为0.45，表现出较低的摩擦因数，主要来源于非晶C的自润滑作用。
(10)AlCrCN涂层在载荷为2N时磨损1小时后表面形貌如图9所示，涂层表面无明显的磨损痕迹，表明涂层具有较高的耐磨损性能。

Claims (6)

1.一种冷作模具钢表面制备AlCrCN涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基体为Cr12MoV冷作模钢，经磨削和抛光后，表面粗糙度Ra为0.01μm，在酒精和丙酮溶液中分别超声清洗15min，去除油污后，经干燥后待用；
(2)将试样放入图1中镀膜真空室，其真空度为10-4Pa，加热至500℃，保温时间为30min，首先通入氩气，保持真空室内压力为1.0Pa，开启偏压电源，电压900V，占空比0.2，辉光放电清洗15min，偏压降低至500V，开启离子源离子清洗15min；
(3)停止通入氩气，对镀膜真空室抽真空至0.5Pa后，通入氮气，流量为220mL/min，并通入氩气，控制氩气与氮气的流量比为1:2，向真空室内输入混合气体，保持真空室内气压为1.2Pa，Al和Cr靶通电，调整偏压为130V，电流180A，沉积50分钟后，在基体表面首先形成厚度为0.3μm的AlCrN涂层；
(4)在真空室中通入甲烷气体，真空室中剩余的等离子体在氩气、氮气和甲烷混合的反应环境中沉积2小时后，在AlCrN涂层表面形成厚度为1μm的AlCrCN涂层。
2.根据权利要求1所述的一种冷作模具钢表面制备AlCrCN涂层的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的镀膜真空室系统本底真空度为2×10-3Pa，氮气和甲烷为反应气体，氩气为进料气体，工作温度500℃，靶电流为60A，氩气气压为5Pa，在高电离作用下产生Al+和Cr+等离子体。
3.根据权利要求1所述的一种冷作模具钢表面制备AlCrCN涂层的方法，其特征在于：步骤(4)中所述AlCrCN涂层的厚度为1μm，和AlCrN涂层一起与基体结合紧密。
4.根据权利要求1所述的一种冷作模具钢表面制备AlCrCN涂层的方法，其特征在于：步骤(4)中所述的AlCrCN涂层是由AlN、CrN和CrC物相组成。
5.根据权利要求1所述的一种冷作模具钢表面制备AlCrCN涂层的方法，其特征在于：步骤(4)中所述的AlCrCN涂层是由(Cr，Al)-N、Cr-C和C-C键组成，其中C-C键为非晶C相。
6.根据权利要求1所述的一种冷作模具钢表面制备AlCrCN涂层的方法，其特征在于：步骤(4)中所述的AlCrCN涂层在结合界面处产生了扩散层，与基体形成冶金结合方式，其结合力为34.8N。
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