[发明专利]一种含有多层结构的AlTiCrCN纳米硬质涂层及其制备方法

说明书

本发明属于表面处理技术领域，具体涉及一种在冲压模具表面沉积具有高强韧、低摩擦系数的纳米硬质涂层及其制备方法。本发明涂层组成是由粘结层CrN、支撑层CrAITiN/AITiCrN和功能层AITiCrCN组成；支撑层是通过周期调整Cr靶和AITi靶电流大小形成交替沉积的富Cr的CrAITiN层和富AI的AITiCrN层；交替沉积的CrAITiN/AITiCrN支撑层可提供较高的抗冲击强韧性能，而功能层AITiCrCN制备是通过通入C₂H₂/N₂来提高涂层的自润滑性能。本发明制备的AITiCrCN复合涂层具有较高的强韧性和低的摩擦系数，具有较高的硬度，可用于冲压高强钢的模具涂层领域。

技术领域

本发明属于表面处理技术领域，具体涉及一种在冲压模具表面沉积具有高强韧、低摩擦系数的纳米硬质涂层及其制备方法。

背景技术

随着能源的日益短缺，节能减排、汽车车身轻量化是汽车工业发展必然选择，先进高强钢因具有较高的强度被广泛应用于车身结构及重要的零部件中。高强钢的高强度在冲压成形中模具所受载荷高将导致板料和模具成形界面磨损加剧，其结果是工件表面擦伤，模具表面拉毛和磨损加重，经常需要修模或换模，导致生产的中断和制造成本的上升， 因此在冲压模具表面涂层具有强韧性高且摩擦系数低的材料以延长其寿命已成为近年来研究热点。

与传统的表面改性工艺相比，PVD涂层具有自身的优势如：对环境无污染（绿色工程）、涂层属于低温工艺模具基材无变形、基材与皮面（涂层）结合力好，涂层硬度高且表面光滑平整无需后处理等。冲模PVD涂层应用由单一成分的CrN、TiN向多元成分TiCN，CrTiN、AlCrN、AlTiCrN和多元涂层结构方向如CrTiN\CrN, CrN\AlCrN，AlCrN\AlTiCr等发展。比如：阴极弧沉积的CrN\AlCrN复合涂层具有诸多优点：如较高的硬度(30~35Gpa)、极佳的高温红硬性，但是由于具有较高摩擦系数，在冲模使用过程中极易导致冲压件和模具表面产生刮擦和磨损。又比如：TiCN涂层摩擦系数虽较小（~0.3），但抗冲击强韧性不足。高AI含量的AlTiCrN复合涂层在高温使用过程中表面易生成耐高温的AI₂O₃，和Cr₂O₃可广泛用于湿式和干式刀具切削中，但是在制备过程中涂层随AI含量的提高，致使AI与N元素极易形成低硬度六方相AIN；降低了涂层的硬度、弹性模量等力学性能。另外，单一涂层结构的AlTiCrN内应力较高，层间结合力较差，涂层易脱落；而AlCrN\AlTiCr复合涂层层间结合好较好，摩擦系数普遍较高。综上，目前公开技术中PVD制备的单层AlTiCrN涂层与基体结合力较差，硬度较低；而以 CrN或TiN或CrTiN或AlCrN作过渡层制备的AlTiCrN复合涂层可以有效提高膜基结合力，但这些涂层结构抗冲击的强韧性较低、摩擦系数较高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种冲压模具用AITiCrCN复合涂层及其制作方法，该 AITiCrCN涂层既具有较高的硬度、抗冲击强韧性，又具有良好的自润滑性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

采用阴极弧离子镀技术在冲压模具钢基体（SKD11）上制作AlTiCrCN纳米多层硬质涂层。1个纯铬（Cr）靶和1个高铝（AI₇₀Ti₃₀）靶排列布置在PVD内腔，以保证交替沉积支撑层A层（CrAlTiN）和B层（AlTiCrN）。AlTiCrCN纳米多层硬质涂层制备分成连续的三个阶段：第一阶段在模具钢基体上沉积粘结层CrN薄膜；第二阶段在CrN粘结层基础上周期交替沉积支撑层A层和B层；第三阶段向炉腔内同时通入乙炔C₂H₂和氮气N₂制作AlTiCrCN功能层。

具体制备工艺如下：

步骤1：沉积粘结层 CrN