[發明專利]一種冷作模具鋼基體上的CrMoAlN涂層及其制備方法和性能測試方法

在審

• 申請號: 201610054723.9
• 申請日: 2016-01-26
• 公開（公告）號: CN105624623A
• 公開（公告）日: 2016-06-01
• 發明（設計）人: 樓白楊;張俠
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06;C23C14/02
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 吳秉中

技術領域

本發明涉及一種冷作模具鋼基體上的CrMoAlN涂層及其制備方法和性能測試方法。

背景技術

目前我國家用電器約80%的零件依靠模具加工,機電工業中約70%的零件采用模具成形。模具性能的好壞、壽命的長短直接影響模具的質量和經濟效益，因此對模具制造提出了更高的要求。模具失效往往始于模具的表面，表面性能的優劣直接影響到模具的使用及壽命。而模具對表面和心部的性能要求是不同的，很難通過更換材料或模具的整體熱處理來達到這樣的性能要求。采用不同的表面處理技術，可提高模具的表面性能，使模具擁有強韌的心部、耐磨耐蝕的表面，使模具壽命提高幾倍甚至幾十倍。表面工程中的PVD涂層技術是目前應用最廣泛同時也是最有價值的一類表面技術。PVD中的磁控濺射技術所獲得的硬質膜層具有高硬度，膜/基結合力好，耐磨減磨，耐熱、耐腐蝕性能好，涂層顆粒致密均勻，表面光潔等優點，可很好的改善模具的使用性能，提高其使用壽命。硬質涂層的發展從化學氣相沉積（CVD）技術制備TiN開始，經歷了物理氣相沉積技術的出現，TiAlN涂層的廣泛應用，直至如今的AlTiN，CrAlN，TiAlSiN，金剛石等一系列新型涂層的誕生和應用，已呈獻百花齊放的態勢。最近，CrAlN涂層已經報道表現出比TiAlN有著更高的抗氧化性。此外，MoN涂層顯示出低的摩擦系數是因為摩擦過程中形成了固體潤滑劑氧化鉬。

MoN涂層被認為是減磨應用領域比較好的替代材料。很多學者將Mo作為第三元素添加到CrN、AlN等氮化物涂層中去，但是很少有學者將CrAlN和MoAlN結合起來去研究四元涂層CrMoAlN是否具有二者的優勢，以獲得綜合性能較好的涂層。因此本研究創造性地將四種元素結合起來用非平衡磁控濺射技術在冷作模具鋼表面鍍上CrMoAlN四元涂層，我們預想獲得具有耐磨性好并且耐高溫等一系列優秀性能的四元薄膜。

發明內容

為了提高Cr12冷作模具鋼的抗磨損性能性能，利用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設備在其表面沉積了一層CrMoAlN多元涂層，本發明提供了CrMoAlN涂層的制備方法及RT-300℃抗高溫摩擦磨損性能測試方法。本發明所用的摩擦磨損設備為HT-600型高溫摩擦磨損試驗機，球盤摩擦副中所用的對磨球的直徑為φ4mm，材質為WC-Co硬質合金（硬度2000HV）。本文的摩擦磨損實驗是在空氣相對濕度約為50%，無潤滑劑的條件下進行的。實驗所加載荷為10N，轉速為500r/min，實驗溫度分別為RT、100℃、200℃、300℃。

所述的一種冷作模具鋼基體上的CrMoAlN涂層，其特征在于采用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設備，在冷作模具鋼基體上依次鍍膜Cr粘結層、CrN過渡層及CrMoAlN四元涂層。

所述的冷作模具鋼基體上的CrMoAlN涂層的制備方法，其特征在于包括如下步驟：

1）將干燥后的冷作模具鋼基體置于鍍膜機真空室內試樣臺的樣品架上，使用大偏壓和低靶電流對冷作模具鋼基體進行預濺射，所述真空室為圓柱型結構，內設置兩個Cr靶、一個Al靶和一個Cr靶，兩個Cr靶相對放置，Al靶和Cr靶相對放置；

2）調節基體偏壓至-100V，開啟Cr靶并將靶電流設置為4A，沉積金屬Cr粘結層，沉積時間為320-380s，Cr靶為兩個，且相對設置在真空室的兩邊；

3）調整基體偏壓至-80V，通過質量流量閥引入反應氣體氮氣，開始沉積CrN過渡層，沉積時間為450-550s；

4）開啟Al靶和Mo靶，并設定Al靶和Mo靶的靶電流，將電流逐步增加至設定值，此時四個靶全部處于開啟狀態，開始沉積CrMoAlN四元涂層，沉積時間7200s。

所述的冷作模具鋼基體上的CrMoAlN涂層的制備方法，其特征在于步驟1）中預濺射過程為:將鍍膜室抽真空后通入氬氣，將試樣臺轉速設為3-5rpm，基體偏壓為-450V，靶電流設為0.3A，對冷作模具鋼基體表面進行Ar⁺等離子體清洗，清洗時間為20-40min。

所述的冷作模具鋼基體上的CrMoAlN涂層的制備方法，其特征在于步驟1）中真空度為2.0×10^-6Torr，氬氣流量為25sccm，清洗時間為30min。

所述的冷作模具鋼基體上的CrMoAlN涂層的制備方法，其特征在于步驟2）中沉積時間為360s，步驟3）中沉積時間為500s。