CN115261774B - 一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层及其制备方法 - Google Patents

一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层及其制备方法，属于高速冲裁模制备的技术领域。其中，一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的制备方法，包括以下步骤：S1、对高速冲裁模进行一次渗氮处理在其表面上形成一层渗氮化合物层；S2、通过辉光放电电离对高速冲裁模进行表面清洗；S3、二次复合膜层镀膜处理中采用磁控溅射离子复合镀膜方法，依次在高速冲裁模表面上形成具有CrN梯度渐变结构的底层膜、具有AlCrN梯度渐变结构的过渡膜层以及具有AlCrSiN梯度渐变结构的表面膜层。本发明具有改善高速冲裁模硬度、耐磨性、抗粘附性以及强韧性等性能，使得高速冲裁模满足铝合金易拉罐盖高速、高精密冲裁生产要求的效果。

Description

一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层 及其制备方法
技术领域
本发明属于高速冲裁模制备的技术领域，尤其涉及一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层及其制备方法。
背景技术
在冲压生产中，冲裁所用的模具称为冲裁模。铝合金易拉罐是在一定压力下使用的，因此对于罐体和罐盖的制造具有较高的精度要求；其中，铝合金易拉罐盖的冲裁一般采用高速冲裁模完成。铝合金易拉罐高速冲裁模所使用材料的一般为冷作模具钢，如Cr12MoV、SKH51等。
但是，上述冷作模具钢直接用于铝合金易拉罐高速冲裁模，存在着硬度低、耐磨性差、抗粘附性强和强韧性等特点，使得其不能够满足铝合金易拉罐高速、高精密冲裁生产的要求，因此需要对高速冲裁模进行处理。
目前，通常采用热处理技术对高速冲裁模进行处理，但铝合金易拉罐所用的高速冲裁模对刃口间隙不均匀度要求极高(一般≤0.001mm)，而冷作模具钢经热处理会发生微变形，因此采用热处理的方法来提高铝铝合金易拉罐高速冲裁模的硬度和耐磨性满足不了铝合金易拉罐高速、高精密冲裁生产的要求；并且，冷作模具钢制造的高速冲裁模(刃口)所具有的抗粘附性和强韧性，也达不到铝合金易拉罐高速、高精密冲裁生产的要求。
发明内容
本发明的目的是为了改善高速冲裁模的硬度、耐磨性、抗粘附性以及强韧性等性能，使得高速冲裁模满足铝合金压力罐盖高速、高精密冲裁生产的要求，提供一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层及其制备方法。
第一方面，本发明提供的一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的制备方法采用以下的技术方案：
一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的制备方法，所述高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层是通过“渗氮+复合膜层镀膜”二次处理方法获得，具体包括以下步骤：
S1、一次渗氮处理：将经过前处理的高速冲裁模置于双辉等离子体多元扩渗炉中并在渗氮气氛中进行渗氮处理，在所述冲裁模刃口获得的渗氮化合物层的厚度为8μm～9μm，渗层表面硬度为65HRC的渗氮层，经过所述渗氮处理后，所述冲裁模刃口间隙不均匀度≤0.001mm；
S2、表面清洗：将经过所述渗氮处理的高速冲裁模置于磁控溅射离子镀镀膜炉中，所述高速冲裁模表面加热至380～400℃，抽真空并通入Ar，在辉光放电下，Ar电离形成Ar+，蚀刻所述高速冲裁模刃口进行表面清洗；同时，通过微蚀刻的作用，增加所述高速冲裁模刃口的粗糙度，提高所述复合膜层与高速冲裁模刃口基体的结合力；
S3、二次复合膜层镀膜处理：采用磁控溅射离子复合镀膜方法，在经过所述渗氮处理后的冲裁模刃口表面由内至外依次形成具有梯度渐变结构的底层膜、过渡膜层和表面膜层三层复合膜层结构；
(1)底层膜的制备：将经过所述表面清洗的高速冲裁模表面加热至400～450℃，抽真空并通入氮气，开启Cr靶，通过逐层降低沉积时间的方法，在所述高速冲裁模刃口的表面上形成具有梯度渐变结构的CrN底层膜；
(2)过渡膜层的制备：同时开启Cr靶和AlCr靶两个靶材，通过逐层降低基体偏压值和逐层减少沉积时间的方法，在所述底层膜背离高速冲裁模的一面上形成具有梯度渐变结构的AlCrN过渡膜层；
(3)表面膜层的制备：同时开启Cr靶、AlCr靶和TiSi靶三个靶材，通过逐层降低基体偏压值和逐层降低沉积时间的方法，在所述过渡膜层背离高速冲裁模的一面上形成具有梯度渐变结构的AlCrSiN表面膜层。
通过采用上述技术方案，铝合金压力罐为盛装具有压力液体的容器，所以铝合金压力罐冲裁对于高速冲裁模的尺寸要求很高，本发明通过对高速冲裁模的刃口进行渗氮以及复合膜层镀膜二次处理，从而获得具有超硬、高耐磨以及性能优越刃口的高速冲裁模，使得高速冲裁模满足铝合金压力罐高速、高精密冲裁生产的要求；
其中，一次渗氮处理中，氮原子原子扩散固溶在高速冲裁模上，在其刃口的表层上形成渗氮化合物层，在保持高速冲裁模原有的冲击韧度和尺寸精度的基础上，提高了高速冲裁模刃口表面处的强度、硬度以及耐磨性，复合膜层与高速冲裁模之间的强度、硬度以及耐磨性差异较大，而在进行复合镀膜处理之前，首先对高速冲裁模进行渗氮处理，使得高速冲裁模刃口与复合膜层之间通过渗氮化合物结合，可提高复合膜层与高速冲裁模刃口之间的结合力；
在进行磁控溅射离子复合镀膜处理之前，首先利用氩气在光辉放电下电离生成的Ar+对经过渗氮处理的高速冲裁模表面进行清理，一方面可去除高速冲裁模表面的氧化物等杂质；另一方面，通过微蚀刻的作用增加高速冲裁模表面的粗糙度，可进一步提高超硬复合膜层与渗氮化合物层之间的结合力；
进行渗氮处理之后采用磁控溅射离子镀膜技术对高速冲裁模的刃口进行二次复合膜层镀膜处理，在高速冲裁模刃口的表面上沉积多层梯度渐变的超硬复合膜层，复合膜层沿着远离高速冲裁模的方向硬度逐渐增强；
其中，底层膜与渗氮化合物层之间的性质较为相近，使得复合膜层能够与高速冲裁模的刃口形成良好的结合，并且底层膜沿着远离高速冲裁模的方向硬度、强度增强，底层膜能够与过渡膜层靠近高速冲裁模一面的膜层晶格相近，匹配度好，使得底层膜能够与过渡层更好地结合；且过渡膜层的晶格以及力学性能介于底层膜与表面膜层之间，过渡膜层靠近表面膜层部分的膜层晶格与表面膜层晶格相近，匹配度好，使得过渡膜层在于底层膜形成良好结合的同时也能与表面层膜层形成良好的结合；而表层膜层具有的梯度渐变结构，使得表层膜层的两侧面具有不同的性质，其中一面与过渡膜层的晶格更适配，使得表层膜层能够与过渡膜形成良好的结合，而另一面具有超硬、超耐磨的表层性能，能够达到铝合金易拉罐高速、高精密冲裁生产的要求。
进一步地，所述渗氮处理中，所述前处理是对所述高速冲裁模刃口的表面进行打磨后，依次使用丙酮、乙醇进行超声清洗；
任选的，所述渗氮处理中，炉内渗氮气氛中N和H原子的比例为1：3，氮气的流量为90～110mL/min，阴极电压为650～750V，处理时间为3-5h；
任选的，所述渗氮处理中，所述高速冲裁模刃口的表面上形成的所述渗氮化合物层的厚度为8～9μm，表面硬度为65HRC；
任选的，所述表面清洗中，抽真空至真空度为0.3～0.7Pa，氩气的流量为200～250sccm，辉光放电电离的偏压值为-500～-600V，清洗时间为10～20min。
进一步地，所述底层膜包括至少三层呈渐变趋势的CrN层，所述底层膜的制备中，抽真空至真空度为0.1～0.3Pa，氮气的流量为230～280sccm，Cr靶的平均电流值为110～120A，偏压值为-120～-100V，定义最靠近高速冲裁模一侧的CrN层为第一层CrN层，所述第一层CrN层的镀膜时间为5～8min，且镀膜时间随着CrN层层数的增加而减少，镀膜时间减少的幅度为2～3min/层；
任选的，所述Cr靶的纯度为99.95～99.99％。
通过采用上述技术方案，通过梯度渐变结构的底层膜的制备，改善和提高了复合膜层与高速冲裁模晶格的匹配程度，渐变结构同时也使得底层膜远离高速冲裁模的一侧与过渡膜层之间的晶格匹配和结合程度高，最终实现提高高速冲裁模与底层膜、底层膜与过渡膜层之间的结合力、缓和高速冲裁模与过渡层的热膨胀系数差以及硬度值差异的效果。
进一步地，所述过渡膜层包括至少三层呈渐变趋势的AlCrN层，所述过渡膜层的制备中，氮气的流量为230～280sccm，Cr靶和AlCr靶的平均电流值均为110～120A，定义最靠近高速冲裁模一侧的AlCrN层为第一层AlCrN层，所述第一层AlCrN层的偏压值为105～115V、镀膜时间为25～30min，且偏压值和镀膜随着AlCrN层层数的增加而减少，偏压值减少的幅度为8～12V/层、镀膜时间减少的幅度为3～5min/层；
任选的，所述AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为(60～70)：(30～40)；
优选的，所述AlCr靶的纯度为99.95～99.99％。
通过采用上述技术方案，在底层膜的基础上，具有梯度渐变结构的过渡膜层提高了过渡膜层与底层膜、过渡膜层与表层膜层之间的晶格匹配度和结合程度，同时缓和了底层膜与表面膜层之间的热膨胀系数差异的带来的底层膜与表面膜层结合力的下降，进而减小底层膜与表面膜层之间的残余应力。
进一步地，所述表面膜层包括至少两层呈渐变趋势的AlCrSiN层，所述表面膜层的制备中，氮气的流量为250～300sccm，Cr靶、AlCr靶和TiSi靶的平均电流值均为110～120A，定义最靠近高速冲裁模一侧的AlCrSiN层为第一层AlCrSiN层，所述第一层AlCrSiN层的偏压值为105～115V、镀膜时间为30～35min，且偏压值和镀膜随着AlCrSiN层层数的增加而减少，偏压值减少的幅度为8～12V/层、镀膜时间减少的幅度为3～5min/层；
任选的，所述AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为(60～70)：(30～40)；
优选的，所述AlCr靶的纯度为99.95～99.99％；
任选的，所述TiSi靶中Ti与Si原子摩尔比为(70～80)：(20～30)；
优选的，所述TiSi靶的纯度为99.95～99.99％。
通过采用上述技术方案，表面膜层具有至少两层呈渐变趋势的AlCrSiN层，提高了表面膜层与过渡膜层之间的晶格匹配度和结合程度，同时缓和表面膜层与过渡膜层之间热膨胀系数差异带来的表面膜层与过渡膜层之间结合力的下降，减少过渡膜层与表面膜层之间的残余应力；同时，通过梯度渐变结构的表面膜层在高速冲裁模刃口表面形成超硬、耐磨表层性能，使得高速冲裁模满足铝合金压力罐高速高精密冲裁生产的要求；
并且，在梯度渐变复合AlCrSiN层的制备中使用TiSi靶，可使得AlCrSiN层中的晶界增多，阻碍了位错的运动，可制备得到具有超高硬度的复合膜层。
第二方面，本发明提供的一种高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层采用以下的技术方案：
一种高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层，通过上述任一所述的铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的制备方法制备得到，所述铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层沿着远离高速冲裁模方向依次为，渗氮化合物层、具有梯度渐变结构的CrN底层膜、具有梯度渐变结构的AlCrN过渡膜层以及具有梯度渐变结构的AlCrSiN表面膜层。
进一步地，所述底层膜的厚度为220～260nm。
进一步地，所述高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的总厚度为2.0μm-3.0μm。
进一步地，所述高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的表面硬度为900～910HV；
任选的，所述铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层与高速冲裁模的结合力为50～56N。
第三方面，本申请提供的一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模采用以下的技术方案：
一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模，经过上述任一所述的铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的制备方法处理，和/或表面上设置有上述任一所述的铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层。
有益效果：
(1)本发明中采用渗氮处理和磁控溅射离子复合镀膜处理相结合的技术，在高速冲裁模的表面上制备得到了超硬复合膜层，从而获得超硬、高耐磨且性能优越的刃口，实现提高高速冲裁模的硬度、耐磨性以及改善抗粘附性和强韧性的效果，使得高速冲裁模可以满足铝合金压力罐高速、高密度冲裁生产的需要；
(2)在复合膜层的制备过程中，在渗氮处理之后先对高速冲裁模进行表面清洗在进行磁控溅射离子复合镀膜处理，有利于提高渐变CrN层与高速冲裁模之间的结合力，提高复合膜层的层与层之间的结合的稳定性，进而可延长设置有复合膜层的高速冲裁模的使用寿命；
(3)在复合膜层中，底层膜为Cr梯度渐变膜层，其在与高速冲裁模形成良好结合的同时，通过梯度渐变结构又与过渡膜层形成良好的结合；过渡膜层为AlCrN梯度渐变膜层，其在与底层膜形成良好结合的同时，通过梯度渐变结构又能与表层膜层形成良好的结合；表面层为AlCrSiN梯度渐变膜层，其在与过渡膜层形成良好结合的同时，通过梯度渐变结构形成超硬、耐磨性能的表层；
(4)使用TiSi靶作为制备梯度渐变复合AlCrSiN层的靶材，能够实现更好的镀膜效果，减少获得的AlCrSiN层的表面上大熔滴脱落形成的凹坑、离子轰击造成的缝隙以及涂层生长中因应压力过大形成的微孔的出现，能够制备得到具有超高硬度以及强耐磨性的膜层。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1是本发明一个实施例1提供的复合膜层与高速冲裁模表面结合的结构示意图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。在下面的实施例中，如未明确说明，“％”均指重量百分比。
实施例1
本实施例提供的高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层，该复合膜层与高速冲裁模表面结合的结构示意图如图1所示，由图1可知，复合膜层包括渗氮化合物层、底层膜、过渡膜层以及表面膜层，其中高速冲裁模的材质为Cr12MoV冷作模具钢，复合膜层的制备具体包括以下步骤：
S1、前处理：采用砂纸对高速冲裁模的表面进行打磨，使用机械抛光机抛光至镜面，接着依次置于丙酮、无水乙醇中超声清洗15min，取出后烘干；
S2、渗氮处理：将经过前处理的高速冲裁模置于双辉等离子体多元扩渗炉中，在炉内压力为490Pa、渗氮温度为550℃的条件下保温4h，且炉内渗氮气氛中N和H原子的比例为1:3、氮气的流量为90mL/min，阴极电压为650V，高速冲裁模刃口处渗氮层的深度为130μm，最终在高速冲裁模刃口表面上形成上形成一层厚度为8μm的渗氮化合物层；
S3、表面清洗：将经过渗氮处理的高速冲裁模夹装至镀膜设备的旋转架上，对高速冲裁模进行加热至其表面温度为380℃，抽真空至炉内真空度为0.5Pa，旋转架的转速为5Rpm，并以250sccm的流量通入氩气，开启偏压电源，高速冲裁模偏压为-600V，清洗10min；
S4、磁控溅射离子复合镀膜处理：(1)底层膜的制备：将表面清洗的高速冲裁模表面加热至400℃，抽真空至炉内真空度为0.1Pa，并以280sccm的流量通入氮气，开启纯度为99.99％的Cr靶，Cr靶平均电流值为110A，高速冲裁模偏压为-120V，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜时间为5min，第二层镀膜时间为3min；在高速冲裁模刃口的表面上形成了具有2层CrN梯度渐变结构的底层膜；
(2)过渡膜层的制备：同时开启纯度为99.99％的Cr靶和纯度为99.99％的AlCr靶两个靶材，且AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为60：40，并以230sccm的流量通入氮气，Cr靶的平均电流值110A、AlCr靶的平均电流值110A，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜的高速冲裁模偏压为110V，镀膜时间为30min，第二层镀膜至第四层镀膜中，高速冲裁模偏压逐层降低，每层降低10V，镀膜时间也逐层降低，每层降低3min，在底层膜背离高速冲裁模的一面上形成了具有4层AlCrN梯度渐变结构的过渡膜层；
(3)表面膜层的制备：同时开启纯度为99.99％的Cr靶、纯度为99.99％的AlCr靶和纯度为99.99％的TiSi靶三个靶材，且AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为60：40以及TiSi靶中Ti与Si原子摩尔比为70：30，并以250sccm的流量通入氮气，Cr靶的平均电流值110A、AlCr靶的平均电流值110A以及TiSi靶的平均电流值110A，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜的高速冲裁模偏压为110V，镀膜时间为35min，第二层镀膜至第六层镀膜中，高速冲裁模偏压逐层降低，每层降低10V，镀膜时间也逐层降低，每层降低3min，在过渡膜层背离底层膜的一面上形成了具有6层AlCrSiN梯度渐变结构的表面膜层。
复合膜层的终厚度为2.0μm，其中，底层膜的厚度为220nm。
实施例2
本实施例提供的高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层，包括渗氮化合物层、底层膜、过渡膜层以及表面膜层，其中高速冲裁模的材质为Cr12MoV冷作模具钢，复合膜层的制备具体包括以下步骤：
S1、前处理：采用砂纸对高速冲裁模的表面进行打磨，使用机械抛光机抛光至镜面，接着依次置于丙酮、无水乙醇中超声清洗15min，取出后烘干；
S2、渗氮处理：将经过前处理的高速冲裁模置于双辉等离子体多元扩渗炉中，在炉内压力为510Pa、渗氮温度为500℃的条件下保温3h，且炉内渗氮气氛中N和H原子的比例为1:3、氮气的流量为110mL/min，阴极电压为750V，高速冲裁模刃口处渗氮层的深度为150μm，最终在高速冲裁模刃口的表面上形成了一层厚度为9μ的渗氮化合物层；
S3、表面清洗：将经过渗氮处理的高速冲裁模夹装至镀膜设备的旋转架上，对高速冲裁模进行加热至其表面温度为400℃，抽真空至炉内真空度为0.7Pa，旋转架的转速为10Rpm，并以200sccm的流量通入氩气，开启偏压电源，高速冲裁模偏压为-500V，清洗20min；
S4、磁控溅射离子复合镀膜处理：(1)底层膜的制备：将表面清洗的高速冲裁模表面加热至450℃，抽真空至炉内真空度为0.3Pa，并以230sccm通入氮气，开启纯度为99.99％的Cr靶，Cr靶平均电流值为100A，高速冲裁模偏压为-100V，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜时间为8min，第二层镀膜时间为5min；在高速冲裁模刃口的表面上形成了具有2层CrN梯度渐变结构的底层膜；
(2)过渡膜层：同时开启纯度为99.99％的Cr靶和纯度为99.99％的AlCr靶两个靶材，且AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为70：30，并以280sccm的流量通入氮气，Cr靶的平均电流值120A、AlCr靶的平均电流值120A，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜的高速冲裁模偏压为105V，镀膜时间为25min，第二层镀膜至第五层镀膜中，高速冲裁模偏压逐层降低，每层降低8V，镀膜时间也逐层降低，每层降低3min，在底层膜背离高速冲裁模的一面上形成了具有5层AlCrN梯度渐变结构的过渡膜层；
(3)表面膜层：同时开启纯度为99.99％的Cr靶、纯度为99.99％的AlCr靶和纯度为99.99％的TiSi靶三个靶材，且AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为70：30以及TiSi靶中Ti与Si原子摩尔比为80：20，并以300sscm的流量通入氮气，Cr靶的平均电流值120A、AlCr靶的平均电流值120A以及TiSi靶的平均电流值120A，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜的高速冲裁模偏压为105V，镀膜时间为30min，第二层镀膜至第六层镀膜中，高速冲裁模偏压逐层降低，每层降低8V，镀膜时间也逐层降低，每层降低3min，在过渡膜层背离底层膜的一面上形成了具有7层AlCrSiN梯度渐变结构的表面膜层。
复合膜层的终厚度为3.0μm，其中，底层膜的厚度为260nm。
实施例3
本实施例提供的高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层，包括渗氮化合物层、底层膜、过渡膜层以及表面膜层，其中高速冲裁模的材质为Cr12MoV冷作模具钢，复合膜层的制备具体包括以下步骤：
S1、前处理：采用砂纸对高速冲裁模的表面进行打磨，使用机械抛光机抛光至镜面，接着依次置于丙酮、无水乙醇中超声清洗15min，取出后烘干；
S2、渗氮处理：将经过前处理的高速冲裁模置于双辉等离子体多元扩渗炉中，在炉内压力为500Pa、渗氮温度为540℃的条件下保温5h，且炉内渗氮气氛中N和H原子的比例为1:3、氮气的流量为100mL/min，阴极电压为700V，高速冲裁模刃口处渗氮层的深度为140μm，最终在高速冲裁模刃口表面上形成一层厚度为8μm的渗氮化合物层；
S3、表面清洗：将经过渗氮处理的高速冲裁模夹装至镀膜设备的旋转架上，对高速冲裁模进行加热至其表面温度为390℃，抽真空至炉内真空度为0.3Pa，旋转架的转速为7Rpm，并以225sccm的流量通入氩气，开启偏压电源，高速冲裁模偏压为-550V，清洗15min；
S4、磁控溅射离子复合镀膜处理：(1)底层膜的制备：将表面清洗的高速冲裁模表面加热至425℃，抽真空至炉内真空度为0.2Pa，并以250sccm的流量通入氮气，开启纯度为99.99％的Cr靶，Cr靶平均电流值为120A，高速冲裁模偏压为-110V，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜时间为7min，第二层镀膜时间为5min；在高速冲裁模刃口的表面上形成了具有2层CrN梯度渐变结构的底层膜；
(2)过渡膜层的制备：同时开启纯度为99.99％的Cr靶和纯度为99.99％的AlCr靶两个靶材，且AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为65：35，并以260sccm的流量通入氮气，Cr靶的平均电流值115A、AlCr靶的平均电流值115A，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜的高速冲裁模偏压为115V，镀膜时间为28min，第二层镀膜至第三层镀膜中，高速冲裁模偏压逐层降低，每层降低12V，在底层膜背离高速冲裁模的一面上形成了具有3层AlCrN梯度渐变结构的过渡膜层；
(3)表面膜层的制备：同时开启纯度为99.99％的Cr靶、纯度为99.99％的AlCr靶和纯度为99.99％的TiSi靶三个靶材，且AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为65：35以及TiSi靶中Ti与Si原子摩尔比为75：25，并以275sccm的流量通入氮气，Cr靶的平均电流值115A、AlCr靶的平均电流值115A以及TiSi靶的平均电流值115A，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜的高速冲裁模偏压为115V，镀膜时间为30min，第二层镀膜至第五层镀膜中，高速冲裁模偏压逐层降低，每层降低12V，镀膜时间也逐层降低，每层降低3min在过渡膜层背离底层膜的一面上形成了具有5层AlCrSiN梯度渐变结构的表面膜层。
复合膜层的终厚度为2μm，其中，底层膜的厚度为220nm。
对比例1.
本对比例提供的高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层，该复合膜层包括底层膜、过渡膜层以及表面膜层，其中高速冲裁模的材质为Cr12MoV冷作模具钢，复合膜层的制备具体包括以下步骤：
S1、前处理：采用砂纸对高速冲裁模的表面进行打磨，使用机械抛光机抛光至镜面，接着依次置于丙酮、无水乙醇中超声清洗15min，取出后烘干；
S2、表面清洗：将经过渗氮处理的高速冲裁模夹装至镀膜设备的旋转架上，对高速冲裁模进行加热至其表面温度为380℃，抽真空至炉内真空度为0.5Pa，旋转架的转速为5Rpm，并以250sccm的流量通入氩气，开启偏压电源，高速冲裁模偏压为-600V，清洗10min；
S3、磁控溅射离子复合镀膜处理：(1)底层膜的制备：将表面清洗的高速冲裁模表面加热至400℃，抽真空至炉内真空度为0.1Pa，并以280sccm的流量通入氮气，开启纯度为99.99％的Cr靶，Cr靶平均电流值为110A，高速冲裁模偏压为-120V，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜时间为5min，第二层镀膜时间为3min；在高速冲裁模刃口的表面上形成了具有2层CrN梯度渐变结构的底层膜；
(2)过渡膜层的制备：同时开启纯度为99.99％的Cr靶和纯度为99.99％的AlCr靶两个靶材，且AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为60：40，并以230sccm的流量通入氮气，Cr靶的平均电流值110A、AlCr靶的平均电流值110A，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜的高速冲裁模偏压为110V，镀膜时间为30min，第二层镀膜至第四层镀膜中，高速冲裁模偏压逐层降低，每层降低10V，镀膜时间也逐层降低，每层降低3min，在底层膜背离高速冲裁模的一面上形成了具有4层AlCrN梯度渐变结构的过渡膜层；
(3)表面膜层的制备：同时开启纯度为99.99％的Cr靶、纯度为99.99％的AlCr靶和纯度为99.99％的TiSi靶三个靶材，且AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为60：40以及TiSi靶中Ti与Si原子摩尔比为70：30，并以250sccm的流量通入氮气，Cr靶的平均电流值110A、AlCr靶的平均电流值110A以及TiSi靶的平均电流值110A，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜的高速冲裁模偏压为110V，镀膜时间为35min，第二层镀膜至第六层镀膜中，高速冲裁模偏压逐层降低，每层降低10V，镀膜时间也逐层降低，每层降低3min，在过渡膜层背离底层膜的一面上形成了具有6层AlCrSiN梯度渐变结构的表面膜层。
复合膜层的终厚度为3μm，其中，底层膜的厚度为220nm。
对比例2.
本实施例提供的高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层，该复合膜层包括渗氮化合物层、过渡膜层以及表面膜层，其中高速冲裁模的材质为Cr12MoV冷作模具钢，复合膜层的制备具体包括以下步骤：
S1、前处理：采用砂纸对高速冲裁模的表面进行打磨，使用机械抛光机抛光至镜面，接着依次置于丙酮、无水乙醇中超声清洗15min，取出后烘干；
S2、渗氮处理：将经过前处理的高速冲裁模置于双辉等离子体多元扩渗炉中，在炉内压力为490Pa、渗氮温度为550℃的条件下保温4h，且炉内渗氮气氛中N和H原子的比例为1:3、氮气的流量为90mL/min，阴极电压为650V，高速冲裁模刃口处渗氮层的深度为130μm，最终在高速冲裁模刃口表面上形成上形成一层厚度为8μm的渗氮化合物层；
S3、表面清洗：将经过渗氮处理的高速冲裁模夹装至镀膜设备的旋转架上，对高速冲裁模进行加热至其表面温度为380℃，抽真空至炉内真空度为0.5Pa，旋转架的转速为5Rpm，并以250sccm的流量通入氩气，开启偏压电源，高速冲裁模偏压为-600V，清洗10min；
S4、磁控溅射离子复合镀膜处理：
(1)过渡膜层的制备：同时开启纯度为99.99％的Cr靶和纯度为99.99％的AlCr靶两个靶材，且AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为60：40，并以230sccm的流量通入氮气，Cr靶的平均电流值110A、AlCr靶的平均电流值110A，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜的高速冲裁模偏压为110V，镀膜时间为30min，第二层镀膜至第四层镀膜中，高速冲裁模偏压逐层降低，每层降低10V，镀膜时间也逐层降低，每层降低3min，在高速冲裁模刃口的表面上形成了具有4层AlCrN梯度渐变结构的过渡膜层；
(2)表面膜层的制备：同时开启纯度为99.99％的Cr靶、纯度为99.99％的AlCr靶和纯度为99.99％的TiSi靶三个靶材，且AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为60：40以及TiSi靶中Ti与Si原子摩尔比为70：30，并以250sccm的流量通入氮气，Cr靶的平均电流值110A、AlCr靶的平均电流值110A以及TiSi靶的平均电流值110A，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜的高速冲裁模偏压为110V，镀膜时间为35min，第二层镀膜至第六层镀膜中，高速冲裁模偏压逐层降低，每层降低10V，镀膜时间也逐层降低，每层降低3min，在过渡膜层背离高速冲裁模的一面上形成了具有6层AlCrSiN梯度渐变结构的表面膜层，且复合膜层的终厚度为3μm。
对比例3.
本实施例提供的高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层，该复合膜层包括渗氮化合物层、底层膜以及表面膜层，其中高速冲裁模的材质为Cr12MoV冷作模具钢，复合膜层的制备具体包括以下步骤：
S1、前处理：采用砂纸对高速冲裁模的表面进行打磨，使用机械抛光机抛光至镜面，接着依次置于丙酮、无水乙醇中超声清洗15min，取出后烘干；
S2、渗氮处理：将经过前处理的高速冲裁模置于双辉等离子体多元扩渗炉中，在炉内压力为490Pa、渗氮温度为550℃的条件下保温4h，且炉内渗氮气氛中N和H原子的比例为1:3、氮气的流量为90mL/min，阴极电压为650V，高速冲裁模刃口处渗氮层的深度为130μm，最终在高速冲裁模刃口表面上形成上形成一层厚度为8μm的渗氮化合物层；
S3、表面清洗：将经过渗氮处理的高速冲裁模夹装至镀膜设备的旋转架上，对高速冲裁模进行加热至其表面温度为380℃，抽真空至炉内真空度为0.5Pa，旋转架的转速为5Rpm，并以250sccm的流量通入氩气，开启偏压电源，高速冲裁模偏压为-600V，清洗10min；
S4、磁控溅射离子复合镀膜处理：(1)底层膜的制备：将表面清洗的高速冲裁模表面加热至400℃，抽真空至炉内真空度为0.1Pa，并以280sccm的流量通入氮气，开启纯度为99.99％的Cr靶，Cr靶平均电流值为110A，高速冲裁模偏压为-120V，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜时间为5min，第二层镀膜时间为3min；在高速冲裁模刃口的表面上形成了具有2层CrN梯度渐变结构的底层膜；
(2)表面膜层的制备：同时开启纯度为99.99％的Cr靶、纯度为99.99％的AlCr靶和纯度为99.99％的TiSi靶三个靶材，且AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为60：40以及TiSi靶中Ti与Si原子摩尔比为70：30，并以250sccm的流量通入氮气，Cr靶的平均电流值110A、AlCr靶的平均电流值110A以及TiSi靶的平均电流值110A，定义最靠近高速冲裁模一侧的为第一层，第一层镀膜的高速冲裁模偏压为110V，镀膜时间为35min，第二层镀膜至第六层镀膜中，高速冲裁模偏压逐层降低，每层降低10V，镀膜时间也逐层降低，每层降低3min，在底层膜背离底层膜的一面上形成了具有6层AlCrSiN梯度渐变结构的表面膜层。
复合膜层的终厚度为3μm，其中，底层膜的厚度为220nm。
对比例4.
本实施例提供的高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层，该复合膜层包括渗氮化合物层、底层膜、过渡膜层以及表面膜层，其中高速冲裁模的材质为Cr12MoV冷作模具钢，复合膜层的制备具体包括以下步骤：
S1、前处理：采用砂纸对高速冲裁模的表面进行打磨，使用机械抛光机抛光至镜面，接着依次置于丙酮、无水乙醇中超声清洗15min，取出后烘干；
S2、渗氮处理：将经过前处理的高速冲裁模置于双辉等离子体多元扩渗炉中，在炉内压力为490Pa、渗氮温度为550℃的条件下保温4h，且炉内渗氮气氛中N和H原子的比例为1:3、氮气的流量为90mL/min，阴极电压为650V，高速冲裁模刃口处渗氮层的深度为130μm，最终在高速冲裁模刃口表面上形成上形成一层厚度为8μm的渗氮化合物层；
S3、表面清洗：将经过渗氮处理的高速冲裁模夹装至镀膜设备的旋转架上，对高速冲裁模进行加热至其表面温度为380℃，抽真空至炉内真空度为0.5Pa，旋转架的转速为5Rpm，并以250sccm的流量通入氩气，开启偏压电源，高速冲裁模偏压为-600V，清洗10min；
S4、磁控溅射离子复合镀膜处理：(1)底层膜的制备：将表面清洗的高速冲裁模表面加热至400℃，抽真空至炉内真空度为0.1Pa，并以280sccm的流量通入氮气，开启纯度为99.99％的Cr靶，Cr靶平均电流值为110A，高速冲裁模偏压为-120V，镀膜时间为8min；在高速冲裁模刃口的表面上形成了一层底层膜；
(2)过渡膜层的制备：同时开启纯度为99.99％的Cr靶和纯度为99.99％的AlCr靶两个靶材，且AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为60：40，并以230sccm的流量通入氮气，Cr靶的平均电流值110A、AlCr靶的平均电流值110A，镀膜的高速冲裁模偏压为110V，镀膜时间为102min，在底层膜背离高速冲裁模的一面上形成了一层过渡膜层；
(3)表面膜层的制备：同时开启纯度为99.99％的Cr靶、纯度为99.99％的AlCr靶和纯度为99.99％的TiSi靶三个靶材，且AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为60：40以及TiSi靶中Ti与Si原子摩尔比为70：30，并以250sccm的流量通入氮气，Cr靶的平均电流值110A、AlCr靶的平均电流值110A以及TiSi靶的平均电流值110A，膜的高速冲裁模偏压为110V，镀膜时间为165min，在过渡膜层背离底层膜的一面上形成了一层表面膜层。
复合膜层的终厚度为3μm，其中，底层膜的厚度为220nm。
实验例.
对实施例1和对比例1-3提供的高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层进行以下的测试：
(1)膜层硬度测试：依据GB/T4340.1使用维氏显微硬度计进行测试；
(2)膜层结合力测试：依据JB/T8554-1997采用划痕试验法进行测定；
(3)膜层耐磨性测试：采用高温摩擦机对样品进行室温下的摩擦磨损试验，摩擦副为直径6mm的Al2O3磨球，线速度16cm/s，载荷2N，摩擦圈数6000r。
实验结果如表1所示：
表1.复合膜层的机械性能
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由表1可知，实施例1-3制备得到的复合膜层的表面硬度在900～910HV之间，且复合膜层与高速冲裁模刃口的结合力在50～56N，说明制备得到的复合膜层具有优异的表面性能，在高速冲裁模刃口表面镀上复合膜层有益于改善其刃口的印度、耐磨性以及强韧性等机械性能。
实施例1与对比例1相比表面结合力显著提升，实施例1中进行磁控溅射离子复合镀膜处理前首先对高速冲裁模进行渗氮处理，可显著提高高速冲裁模与复合膜层之间的表面结合力，使得高速冲裁模刃口机械性能更加稳定，进而可以更加符合铝合金压力罐高速、高精密冲裁生产的要求。
实施例1与对比例2相比表面结合力显著提升，实施例1中的复合膜层中包含的底层膜改善了复合膜层与高速冲裁模晶格的匹配度，同时底层膜与过渡膜层之间的晶格匹配度和结合程度佳，可实现缓和高速冲裁模与过渡膜层之间的热膨胀系数差以及硬度值差异。
实施例1与对比例3相比表面结合力显著提升，实施例1中的复合膜层中包含的过渡膜提高了底层膜与表面膜层晶格的匹配度，同时缓和底层膜与表面膜层之间的热膨胀系数差以及硬度值差异带来的底层膜与表面膜层结合力的下降，减少复合膜层中层与层之间的残余应力。
实施例1与对比例4相比表面结合力显著提升，对比例4中制备得到的复合膜层中的底层、过渡膜层以及表面膜层的结构单一，而实施例1中制备得到的复合膜层中的底层、过渡膜层以及表面膜层具有梯度渐变结构，梯度渐变结构的设置使得复合膜层的热膨胀系数差以及硬度值差异朝着远离高速冲裁模的方向呈现梯度渐变趋势，可减少复合膜层中层与层之间的残余应力，并且也可提高复合膜层与高速冲裁模刃口之间的结合力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的制备方法，其特征在于：所述高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层是通过渗氮加复合膜层镀膜二次处理方法获得，具体包括以下步骤：
S1、一次渗氮处理：将经过前处理的高速冲裁模置于双辉等离子体多元扩渗炉中并在渗氮气氛中进行渗氮处理，在所述冲裁模刃口获得的渗氮化合物层的厚度为8μm～9μm，渗层表面硬度为65HRC的渗氮层，经过所述渗氮处理后，所述冲裁模刃口间隙不均匀度≤0.001mm；
S2、表面清洗：将经过所述渗氮处理的高速冲裁模置于磁控溅射离子镀镀膜炉中，所述高速冲裁模表面加热至380～400℃时抽真空并通入Ar，在辉光放电下，Ar电离形成Ar+，蚀刻所述高速冲裁模刃口进行表面清洗；同时，通过微蚀刻的作用，增加所述高速冲裁模刃口的粗糙度，提高所述复合膜层与高速冲裁模刃口基体的结合力；
S3、二次复合膜层镀膜处理：采用磁控溅射离子复合镀膜方法，在经过所述渗氮处理后的冲裁模刃口表面由内至外依次形成具有梯度渐变结构的底层膜、过渡膜层和表面膜层三层复合膜层结构；
(1)底层膜的制备：将经过所述表面清洗的高速冲裁模表面加热至400～450℃，抽真空并通入氮气，开启Cr靶，通过逐层降低沉积时间的方法，在所述高速冲裁模刃口的表面上形成具有梯度渐变结构的CrN底层膜；
(2)过渡膜层的制备：同时开启Cr靶和AlCr靶两个靶材，通过逐层降低基体偏压值和逐层减少沉积时间的方法，在所述底层膜背离高速冲裁模的一面上形成具有梯度渐变结构的AlCrN过渡膜层；
(3)表面膜层的制备：同时开启Cr靶、AlCr靶和TiSi靶三个靶材，通过逐层降低基体偏压值和逐层降低沉积时间的方法，在所述的过渡膜层背离高速冲裁模的一面上形成梯度渐变的AlCrSiN表面膜层。
2.根据权利要求1所述的铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的制备方法，其特征在于：所述渗氮处理中，所述前处理是对所述高速冲裁模刃口的表面进行打磨后，依次使用丙酮、乙醇进行超声清洗；
任选的，所述渗氮处理中，炉内渗氮气氛中N和H原子的比例为1：3，氮气的流量为90～110mL/min，阴极电压为650～750V，处理时间为3-5h；
任选的，所述渗氮处理中，所述高速冲裁模刃口的表面上形成的所述渗氮化合物层的厚度为8～9μm，表面硬度为65HRC；
任选的，所述表面清洗中，抽真空至真空度为0.3～0.7Pa，氩气的流量为200～250sccm，辉光放电电离的偏压值为-500～-600V，清洗时间为10～20min。
3.根据权利要求1所述的铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的制备方法，其特征在于：所述底层膜包括至少两层呈渐变趋势的CrN层；所述底层膜的制备中，抽真空至真空度为0.1～0.3Pa，氮气的流量为230～280sccm，Cr靶的平均电流值为110～120A，偏压值为-120～-100V，定义最靠近高速冲裁模一侧的CrN层为第一层CrN层，所述第一层CrN层的镀膜时间为5～8min，且镀膜时间随着CrN层层数的增加而减少，镀膜时间减少的幅度为2～3min/层；
任选的，所述Cr靶的纯度为99.95～99.99％。
4.根据权利要求1所述的铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的制备方法，其特征在于：所述过渡膜层包括至少三层呈渐变趋势的AlCrN层，所述过渡膜层的制备中，氮气的流量为230～280sccm，Cr靶和AlCr靶的平均电流值均为110～120A，定义最靠近高速冲裁模一侧的AlCrN层为第一层AlCrN层，所述第一层AlCrN层的偏压值为105～115V、镀膜时间为25～30min，且偏压值和镀膜随着AlCrN层层数的增加而减少，偏压值减少的幅度为8～12V/层、镀膜时间减少的幅度为3～5min/层；
任选的，所述AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为(60～70)：(30～40)；
优选的，所述AlCr靶的纯度为99.95～99.99％。
5.根据权利要求1所述的铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的制备方法，其特征在于：所述表面膜层包括至少两层呈渐变趋势的AlCrSiN层，所述表面膜层的制备中，氮气的流量为250～300sccm，Cr靶、AlCr靶和TiSi靶的平均电流值均为110～120A，定义最靠近高速冲裁模一侧的AlCrSiN层为第一层AlCrSiN层，所述第一层AlCrSiN层的偏压值为105～115V、镀膜时间为30～35min，且偏压值和镀膜随着AlCrSiN层层数的增加而减少，偏压值减少的幅度为8～12V/层、镀膜时间减少的幅度为3～5min/层；
任选的，所述AlCr靶中Al与Cr原子摩尔比为(60～70)：(30～40)；
优选的，所述AlCr靶的纯度为99.95～99.99％；
任选的，所述TiSi靶中Ti与Si原子摩尔比为(70～80)：(20～30)；
优选的，所述TiSi靶的纯度为99.95～99.99％。
6.一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层，其特征在于：通过权利要求1-5任一所述的铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的制备方法制备得到，所述铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层沿着远离高速冲裁模方向依次为，渗氮化合物层、具有梯度渐变结构的CrN底层膜、具有梯度渐变结构的AlCrN过渡膜层以及具有梯度渐变结构的AlCrSiN表面膜层。
7.根据权利要求6所述的铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层，其特征在于：所述底层膜的厚度为220～260nm。
8.根据权利要求6所述的铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层，其特征在于：所述高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的总厚度为2.0μm～3.0μm。
9.根据权利要求6所述的铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层，其特征在于：所述高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的表面硬度为900～910HV；
任选的，所述铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层与高速冲裁模的结合力为50～56N。
10.一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模，其特征在于：经过权利要求1-5任一所述的铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层的制备方法处理，和/或表面上设置有权利要求6-9任一所述的铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层。
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