一种高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜及其制备方法

　　一种高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜及其制备方法

　　【技术领域】

　　[0001] 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】

　　[0002] 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。

　　[0003] 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,更高使用温度700°C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】

　　[0004] 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。

　　[0005] 本发明采用的技术方案是：

　　[0006] 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. 21 μ m ;所述CrN梯度过渡层厚 度为0· 25~0· 3 μπι，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. 5 μ m，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%

　　[0007] 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· 5 μπι。

　　[0008] 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：

　　[0009] (1)在垂直于水平面并依次垂直的四个方向安置金属Cr革[1、金属Al革[1、金属Cr革巴 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lOrpm，自转转速为2rpm，靶/基距离为9cm;

　　[0010] (2)真空室抽真空至LOX 10_4Pa，通入纯度为99. 999 %的氩气，氩气流量为 3〇SCCm，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 ;

　　[0011] (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 ;更后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，派射沉积CrMoAlN功能层，时间100~120min，即可得所 述梯度纳米多层薄膜。

　　[0012] 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。

　　[0013] 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】

　　[0014] 图1为高温耐磨Cr-CrN-CrMoAlN梯度纳米多层薄膜的结构示意图；

　　[0015] 图2为实施例1涂层表面SEM形貌；

　　[0016] 图3为实施例1涂层截面SEM形貌。 (五）

　　【具体实施方式】

　　[0017] 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：

　　[0018] 实施例1 :

　　[0019] 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：

　　[0020] 1)在垂直于水平面并依次垂直的四个方向安置金属Cr革[1、金属Al革[1、金属Cr革巴 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lOrpm，自传转速为2rpm，革E /基距离为9cm ;

　　[0021] 2)真空室抽真空至LOXKT4Pa,通入纯度为99. 999 %的氩气，氩气流量为 3〇SCCm。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 ;

　　[0022] 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. 4 μ m)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9〇SCCm，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 ;更后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，派射沉积CrMoAlN功能层120min。

　　[0023] 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. 21 μL? ;CrN过渡层厚度为0. 26 ym，Cr含量48. 5%、N质量含量51. 5%;CrMoAlN功 能层厚度为2. 4ym，Cr含量32. 12%、Mo含量为18. 31%、A1含量为6. 02%、N含量43. 55%， 膜层硬度可达34GPa。

　　[0024] 实施例2 :

　　[0025] 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：