[发明专利]一种冷作模具钢基体上的CrMoAlN涂层及其制备方法和性能测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种冷作模具钢基体上的CrMoAlN涂层及其制备方法和性能测试方法。

背景技术

目前我国家用电器约80%的零件依靠模具加工,机电工业中约70%的零件采用模具成形。模具性能的好坏、寿命的长短直接影响模具的质量和经济效益，因此对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，表面性能的优劣直接影响到模具的使用及寿命。而模具对表面和心部的性能要求是不同的，很难通过更换材料或模具的整体热处理来达到这样的性能要求。采用不同的表面处理技术，可提高模具的表面性能，使模具拥有强韧的心部、耐磨耐蚀的表面，使模具寿命提高几倍甚至几十倍。表面工程中的PVD涂层技术是目前应用最广泛同时也是最有价值的一类表面技术。PVD中的磁控溅射技术所获得的硬质膜层具有高硬度，膜/基结合力好，耐磨减磨，耐热、耐腐蚀性能好，涂层颗粒致密均匀，表面光洁等优点，可很好的改善模具的使用性能，提高其使用寿命。硬质涂层的发展从化学气相沉积（CVD）技术制备TiN开始，经历了物理气相沉积技术的出现，TiAlN涂层的广泛应用，直至如今的AlTiN，CrAlN，TiAlSiN，金刚石等一系列新型涂层的诞生和应用，已呈献百花齐放的态势。最近，CrAlN涂层已经报道表现出比TiAlN有着更高的抗氧化性。此外，MoN涂层显示出低的摩擦系数是因为摩擦过程中形成了固体润滑剂氧化钼。

MoN涂层被认为是减磨应用领域比较好的替代材料。很多学者将Mo作为第三元素添加到CrN、AlN等氮化物涂层中去，但是很少有学者将CrAlN和MoAlN结合起来去研究四元涂层CrMoAlN是否具有二者的优势，以获得综合性能较好的涂层。因此本研究创造性地将四种元素结合起来用非平衡磁控溅射技术在冷作模具钢表面镀上CrMoAlN四元涂层，我们预想获得具有耐磨性好并且耐高温等一系列优秀性能的四元薄膜。

发明内容

为了提高Cr12冷作模具钢的抗磨损性能性能，利用闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备在其表面沉积了一层CrMoAlN多元涂层，本发明提供了CrMoAlN涂层的制备方法及RT-300℃抗高温摩擦磨损性能测试方法。本发明所用的摩擦磨损设备为HT-600型高温摩擦磨损试验机，球盘摩擦副中所用的对磨球的直径为φ4mm，材质为WC-Co硬质合金（硬度2000HV）。本文的摩擦磨损实验是在空气相对湿度约为50%，无润滑剂的条件下进行的。实验所加载荷为10N，转速为500r/min，实验温度分别为RT、100℃、200℃、300℃。

所述的一种冷作模具钢基体上的CrMoAlN涂层，其特征在于采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备，在冷作模具钢基体上依次镀膜Cr粘结层、CrN过渡层及CrMoAlN四元涂层。

所述的冷作模具钢基体上的CrMoAlN涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）将干燥后的冷作模具钢基体置于镀膜机真空室内试样台的样品架上，使用大偏压和低靶电流对冷作模具钢基体进行预溅射，所述真空室为圆柱型结构，内设置两个Cr靶、一个Al靶和一个Cr靶，两个Cr靶相对放置，Al靶和Cr靶相对放置；

2）调节基体偏压至-100V，开启Cr靶并将靶电流设置为4A，沉积金属Cr粘结层，沉积时间为320-380s，Cr靶为两个，且相对设置在真空室的两边；

3）调整基体偏压至-80V，通过质量流量阀引入反应气体氮气，开始沉积CrN过渡层，沉积时间为450-550s；

4）开启Al靶和Mo靶，并设定Al靶和Mo靶的靶电流，将电流逐步增加至设定值，此时四个靶全部处于开启状态，开始沉积CrMoAlN四元涂层，沉积时间7200s。

所述的冷作模具钢基体上的CrMoAlN涂层的制备方法，其特征在于步骤1）中预溅射过程为:将镀膜室抽真空后通入氩气，将试样台转速设为3-5rpm，基体偏压为-450V，靶电流设为0.3A，对冷作模具钢基体表面进行Ar⁺等离子体清洗，清洗时间为20-40min。

所述的冷作模具钢基体上的CrMoAlN涂层的制备方法，其特征在于步骤1）中真空度为2.0×10^-6Torr，氩气流量为25sccm，清洗时间为30min。

所述的冷作模具钢基体上的CrMoAlN涂层的制备方法，其特征在于步骤2）中沉积时间为360s，步骤3）中沉积时间为500s。