一种含有多层结构的AlTiCrCN纳米硬质涂层及其制备方法与流程

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。

技术实现要素：

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

将离子氮化后的基片固定在镀膜室的载具上，开启机械泵和分子泵抽真空使腔体本底真空度低于~10^-4pa,打开加热系统，升温至200~400℃,开启载具使其2~8r/min转速转动，向腔体室内通入ar气200~320sccm，调整真空室压强为0.3~2pa,基片加600~800v负偏压，开启cr靶，靶材电流调整为50~120a,对基片进行辉光放电清洗10~20min；调整负偏压至50~200v，cr靶电流调整为50~90a，随后关掉ar气阀同时打开n2气流量阀至250~350sccm，调整真空室压力为1~3pa沉积crn粘结层4~10min；

步骤2：沉积支撑层

调整n2气流量至270~430sccm,开启aiti靶电流，沉积过程中cr靶和aiti靶电流周期交替变化即：首先，cr靶电流为90~120a，此时aiti靶电流为80~110a，沉积富铬的craitin（a）层；然后将cr靶电流调整为55~75a，此时aiti靶电流调整为120~150a，沉积富铝的aiticrn(b)层；如此周期交替沉积富铬的craitin（a）层和富铝的aiticrn(b)层；其中每个循环周期中a层沉积1~3min、b层沉积1~3min；a层和b层交替沉积30~60min；

步骤3：沉积功能层aiticrcn

向腔体内通入c2h2和n2气，保持aiti靶电流120~150a,cr靶电流为55~75a不变，腔体温度控制在200~400℃，调整n2气量为320~360sccm，c2h2流量为25-~65sccm，沉积aiticrcn功能层20~50min。

本发明制作的是冲压模具基体用高铝含量的aiticrcn复合硬质涂层，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；其中沉积的多层结构的aiticrcn纳米涂层硬度为27~33gpa;摩擦系数为0.26~0.39。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1.本发明研制的aiticrcn复合涂层具有较高的强韧性和低的摩擦系数。

2.本发明研制的aiticrcn复合涂层，其具有较高的硬度，可用于冲压高强钢的模具涂层领域。

附图说明

图1aiticrcn涂层结构示意图；

图2aiticrcn复合涂层截面形貌；

图3aiticrcn复合涂层eds能谱；

图4aiticrcn涂层与不同实施例下制备的aiticrcn复合涂层摩擦系数对比。

具体实施方式

为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

步骤1：沉积粘结层crn

将离子氮化后的基片固定在镀膜室的载具上，开启机械泵和分子泵抽真空使腔体本底真空度低于3×10^-4pa,打开加热系统，升温至300℃,开启载具使其3r/min转速转动，向腔体室内通入ar气200sccm，调整真空室压强为0.3pa,基片加700v负偏压，开启cr靶，靶材电流调整为50a,对基片进行辉光放电清洗10min；调整负偏压至120v，cr靶电流调整为55a，随后关掉ar气阀同时打开n2气流量阀至260sccm，调整真空室压力为1.1pa沉积crn粘结层5min；

步骤2：沉积支撑层

调整n2气流量至360sccm,开启aiti靶电流，沉积过程中cr靶和aiti靶电流周期交替变化即：首先，cr靶电流为110a，此时aiti靶电流为90a，沉积富铬的craitin（a）层1min；然后将cr靶电流调整为70a，此时aiti靶电流调整为150a，沉积富铝的aiticrn(b)层2min；如此周期交替沉积富铬的craitin（a）层和富铝的aiticrn(b)层；a层和b层交替沉积42min；

步骤3：沉积功能层aiticrcn

向腔体内通入c2h2和n2气，保持aiti靶电流150a,cr靶电流为70a不变，腔体温度控制在300℃，调整n2气量为340sccm，c2h2流量为30sccm，沉积aiticrcn功能层30min。沉积的aiticrcn涂层硬度为31gpa。

实施例2

步骤1：沉积粘结层crn

将离子氮化后的基片固定在镀膜室的载具上，开启机械泵和分子泵抽真空使腔体本底真空度低于3×10^-4pa,打开加热系统，升温至300℃,开启载具使其3r/min转速转动，向腔体室内通入ar气200sccm，调整真空室压强为0.3pa,基片加700v负偏压，开启cr靶，靶材电流调整为50a,对基片进行辉光放电清洗10min；调整负偏压至90v，cr靶电流调整为55a，随后关掉ar气阀同时打开n2气流量阀至260sccm，调整真空室压力为1.1pa沉积crn粘结层5min；

步骤2：沉积支撑层

调整n2气流量至360sccm,开启aiti靶电流，沉积过程中cr靶和aiti靶电流周期交替变化即：首先，cr靶电流为110a，此时aiti靶电流为90a，沉积富铬的craitin（a）层1min；然后将cr靶电流调整为70a，此时aiti靶电流调整为150a，沉积富铝的aiticrn(b)层1min；如此周期交替沉积富铬的craitin（a）层和富铝的aiticrn(b)层，a层和b层交替沉积40min；

步骤3：沉积功能层aiticrcn

向腔体内通入c2h2和n2气，保持aiti靶电流150a,cr靶电流为70a不变，腔体温度控制在300℃，调整n2气量为330sccm，c2h2流量为40sccm，沉积aiticrcn功能层40min。沉积的aiticrcn涂层硬度为28gpa。

实施例3

步骤1：沉积粘结层crn

将离子氮化后的基片固定在镀膜室的载具上，开启机械泵和分子泵抽真空使腔体本底真空度低于3×10^-4pa,打开加热系统，升温至300℃,开启载具使其3r/min转速转动，向腔体室内通入ar气200sccm，调整真空室压强为0.3pa,基片加700v负偏压，开启cr靶，靶材电流调整为50a,对基片进行辉光放电清洗10min；调整负偏压至60v，cr靶电流调整为55a，随后关掉ar气阀同时打开n2气流量阀至260sccm，调整真空室压力为1.1pa沉积crn粘结层5min；

步骤2：沉积支撑层

调整n2气流量至360sccm,开启aiti靶电流，沉积过程中cr靶和aiti靶电流周期交替变化即：首先，cr靶电流为110a，此时aiti靶电流为90a，沉积富铬的craitin（a）层1min；然后将cr靶电流调整为70a，此时aiti靶电流调整为150a，沉积富铝的aiticrn(b)层1min；如此周期交替沉积富铬的craitin（a）层和富铝的aiticrn(b)层，a层和b层交替沉积40min;

步骤3：沉积功能层aiticrcn

向腔体内通入c2h2和n2气，保持aiti靶电流150a,cr靶电流为70a不变，腔体温度控制在300℃，调整n2气量为320sccm，c2h2流量为50sccm，沉积aiticrcn功能层35min。沉积的aiticrcn涂层硬度为27gpa。

图4为aiticrn涂层与不同实施例条件下制备的aiticrcn涂层摩擦系数对比：aiticrn涂层摩擦系数为0.85。实施例1：沉积的aiticrcn多层涂层摩擦系数为0.37；实施例2：沉积的aiticrcn多层涂层摩擦系数为0.35；实施例3：沉积的aiticrcn多层涂层摩擦系数为0.31。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。