一种高韧耐磨复合涂层及将其沉积在热作凸模具上的方法与流程

本发明涉及热作模具制备技术领域，具体为一种高韧耐磨复合涂层及将其沉积在热作凸模具上的方法。

背景技术

在工业发展迅速的当今时代，中国的汽车产业迎来了一个新的发展时期，同时也对汽车用模具的机械性能提出了更高的要求。在各种模具中，热作模具是要求最高，工作环境最恶劣的。由于长时间与高温熔融金属液接触，因此热作模具在实际生产中，往往受到因加热、冷却而产生的反复拉、压应力以及金属(液)流动而产生的磨损和腐蚀，经常造成脆裂、热疲劳、破裂、冲刷腐蚀与疲劳断裂等早期失效。

汽车生产中的高强钢热挤压成形，需要把钢材加热到1100℃左右，采用凸模和凹模配合使用，将之挤压成所需形状。在挤压过程中，凸模冲压钢材，使得钢材发生变形后从凹模内部穿过，同时喷水强制冷却，工作频率超过每件/秒。在实际生产中发现，凸模在热挤压过程中受到的冲击力巨大，虽冷却较好，但寿命也仅可达5000件左右，其使用寿命仅为凹模的1/4，失效模式多以热疲劳为主。

因此，针对该类型模具，提高凸模的抗热疲劳及耐磨损性能，使得其与凹模寿命相当，对于提高生产效率、降低生产成本尤其重要。近年来，针对这类热作凸模的表面处理技术不断发展，其中以物理气相沉积技术在金属材料表面制造硬质涂层是近年来研究的热点，真空阴极弧离子镀这种方法在工业上的应用也较为成熟。目前大范围应用的硬质涂层在一定程度上改善了凸模具的表面组织，提高了模具表面性能，延长了模具使用寿命，但并未达到与凹模形成生产效率的匹配。在目前汽车产业的热作模具应用中，在进一步提升凸模具的使用寿命方面，尚存在许多技术难题，主要包括凸模具涂层产品对高韧性、高耐磨性以及高抗热疲劳性能等方面的更高端要求，需要与之匹配的涂层制备技术与方法。

技术实现要素：

为了克服现有技术方案的不足,本发明提供一种高韧耐磨复合涂层及将其沉积在热作凸模具上的方法，采用该方法制得的模具，有效增强了凸模具表面的耐磨性及抗热疲劳性能，有利于减少模具形变，消除模具涂层的疲劳失效，提高使用寿命，可用于开发复杂造型的凸模具，能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高韧耐磨复合涂层，包括顺次设置的cr结合层、crn过渡层、craln梯度支撑层、cr金属层、craln/alcrn复合层和cralvn/cralsin功能层。

优选地，用于沉积在热作凸模具的基体上，且所述的cr结合层与所述基体连接。

优选地，其特征在于：

所述cr结合层的厚度为80～160nm；

所述crn过渡层的厚度为150～300nm；

所述craln梯度支撑层的厚度为450～900nm，其中al原子百分比为10～35at.％；

所述cr金属层的厚度为150～300nm；

所述craln/alcrn复合层的厚度为200～800nm；

所述cralvn/cralsin功能层的厚度为300～1800nm。

优选地，所述craln/alcrn复合层是由craln层到alcrn层为一个循环周期的多周期涂层；一个循环周期的涂层厚度为60～150nm，循环周期为3～5个，其中al原子百分比为20～40at.％，cr原子百分比为30～10at.％。

优选地，所述cralvn/cralsin功能层是由cralvn到cralsin为一个周期的多周期涂层，一个循环周期中，cralvn厚度为40～100nm，cralsin厚度为60～200nm，一个循环周期的涂层厚度为100～300nm，循环周期为3～5个，其中cralvn单层中v原子百分比为10～15at.％，al原子百分比为15～30at.％，cralsin单层中si原子百分比为5～10at.％。

另外，本发明还设计了一种高韧耐磨复合涂层沉积在热作凸模具上的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤100、将热作凸模具的基体预处理后进行辉光放电清洗；

步骤200、将高韧耐磨复合涂层沉积在基体上；

步骤300、对沉积有高韧耐磨复合涂层的基体在本底真空度下加热，后冷却得到基体。

优选地，所述步骤100中，基体的辉光放电清洗方法包括：

首先将预处理后的基体放入真空阴极弧离子镀设备中，抽真空至真空室的本底真空度为5×10^-3pa，并加热至预定温度；

真空室通入ar气并控制气压在0.5～1.0pa，真空阴极弧离子镀设备的基片温度为300～450℃，开启阳极层离子源电压为300～600v，电流为4～7a，基片架转速为1～3rpm，负偏压为-100～-400v，轰击时间为60～100min。

优选地，所述步骤200中基体上高韧耐磨复合涂层的沉积方法包括：

步骤201、开启真空阴极弧离子镀设备的cr合金靶，沉积cr结合层；

步骤202、通入n2，在cr结合层上沉积crn过渡层；

步骤203、同时开启cr合金靶和cral合金靶，沉积craln梯度支撑层；

步骤204、开启cr合金靶，关闭cral合金靶位，沉积cr金属层；

步骤205、交替开启cral合金靶、alcr合金靶，旋转基台交替沉积craln/alcrn复合层；

步骤206、交替开启cral合金靶、crv合金靶和cralsi合金靶，旋转基台交替沉积cralvn/cralsin功能层。

优选地，所述高韧耐磨复合涂层中各层在真空阴极弧离子镀设备中的制备参数包括：

cr结合层制备参数方法：真空调节压力为0.7～1.2pa，打开电弧cr金属靶，电流70～90a，沉积2～6min，负偏压250～300v，厚度为80～160nm。

crn过渡层制备参数方法：偏压降到-150v，通入n2，控制气压在0.8～1.5pa，基体温度300～450℃，占空比60～80％，基片架转速1～3rpm，电流70～100a，沉积15～30min，厚度为150～300nm。

craln梯度支撑层制备参数：同时开启cr金属靶和cral合金靶，负偏压120～150v，控制气压在2.0～3.0pa，基体温度300～450℃，占空比60～80％，基片架转速1～3rpm，控制系统采用合金靶电流渐变模式，cr靶电流5min内从90a降到70a并关闭，cral靶电流在沉积时间内逐渐从70a增加至100a，形成梯度结构craln支撑层，沉积10～30min，厚度为450～900nm。

cr金属层制备参数：关闭cral合金靶，开启cr金属靶，关闭n2，控制气压在1.0～1.2pa，负偏压100～120v，电流70～90a，沉积6～10min，厚度为150～300nm。

craln/alcrn复合层制备参数：交替开启一组cral合金靶和一组alcr合金靶，每组靶材为一列三块，其余位置靶材为关闭状态，轮换开启的时间间隔为2～5min，电流70～90a，通入n2，控制气压在2.5～4.0pa，负偏压50～120v，占空比40～80％，基体温度300～450℃。基台保持旋转，开启cral合金靶时1～2rpm，开启alcr合金靶时2～3rpm，循环周期为3～5个，总沉积时间10～50min，总厚度为200～800nm。

cralvn/cralsin功能层制备参数：交替开启一组cral合金靶、一组crv合金靶和两组cralsi合金靶，轮换开启的时间间隔为5～10min，电流80～110a，通入n2，真空度为3.0～5.0pa，负偏压40～80v，占空比40～80％，基体温度300～450℃，基台保持旋转，转速经过cral合金靶、crv合金靶时2～3rpm，经过cralsi合金靶时1～1.5rpm，循环周期为3～5个，总沉积时间30～100min，总厚度为300～1800nm。

优选地，所述步骤300包括：

在交替沉积cralvn/cralsin功能层后，关掉所有靶位，关掉所有气体流量阀；

真空室调至本底真空度，加热真空炉体至500℃，保温3～5h；

关掉炉体加温，让模具基体冷却至100℃以下，开炉，取出基体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明整个涂层的梯度和多层结构设计，使得基体与涂层的力学性能均匀过渡，降低了内应力，提高了韧性，其中，cr金属层作为结构设计中的软层，很好的增强了结构的整体韧性，提高了与支撑层的结合强度；梯度结构的周期性craln/alcrn复合层，通过阶段性的沉积温度控制，使基体与涂层的力学性能均匀过渡，降低了内应力，改善了涂层的结合强度和韧性；周期结构的cralvn/cralsin功能层中，crvn晶体可以细化晶粒，提高功能层的硬度和韧性，crsin晶体具有高硬度，craln晶体能够同时减小支撑层与功能层的内应力，改善了涂层与基体的结合状况，整体结构的设计有效的提高了涂层的硬度、韧性和化学稳定性，增强了凸模具表面的耐磨性及抗热疲劳性能，有利于减少模具形变，消除模具涂层的疲劳失效，提高使用寿命，可用于开发复杂造型的凸模具。

(2)将本发明提出的涂层体系应用到高强钢热挤压凸模具上，在生产实践中获得验证，凸模热挤压高强钢件15000次后，外壁上未出现粘着磨损以及涂层脱落剥离现象，成形的高强钢件仍符合质量体系要求。因此，凸模外壁制备所述的多层高韧耐磨涂层，与原有技术相比，使用寿命至少提高3倍以上，沉积本发明所述之涂层后，在汽车工业化生产中，凸模与凹模的使用寿命相差不大，在显著节省凸模的使用量的同时，还可以做到凹凸模的同时更换，便于生产节拍的安排，极大的提高生产效率。

附图说明

图1为本发明的高韧耐磨复合涂层的热作凸模具制备方法流程图；

图2为本发明的高韧耐磨凸模具复合涂层的截面结构示意图；

图3为本发明的真空阴极弧离子镀设备的靶材分布示意图。

图中标号：

1-模具基体；2-cr结合层；3-crn过渡层；4-craln梯度支撑层；5-cr金属层；6-craln/alcrn复合层；7-cralvn/cralsin功能层；8-真空室；9-离子源；10-基台；11-cr合金靶；12-cral合金靶；13-alcr合金靶；14-crv合金靶；15-cralsi合金靶；16-ar气路；17-n2气路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图2所示，本发明提供了一种高韧耐磨复合涂层，包括顺次设置的cr结合层2、crn过渡层3、craln梯度支撑层4、cr金属层5、craln/alcrn复合层6和cralvn/cralsin功能层7。

各层的具体作用及相关特性如下：

cr结合层2：厚度为80～160nm，用以提高复合涂层与模具基体的结合力；

crn过渡层3：厚度为150～300nm，其中al原子百分比为10～35at.％(原子数百分含量)，用以提高结合层与支撑层的结合强度；

craln梯度支撑层4：厚度为450～900nm，用以提高结构硬度，减小复合涂层与结合层由晶格不匹配造成的内应力；

cr金属层5：厚度为150～300nm，用以增强结构韧性，提高与支撑层的结合强度；

craln/alcrn复合层6：具有梯度结构周期性，是由craln层到alcrn层为一个循环周期的多周期涂层，一个循环周期的涂层厚度为60～150nm，循环周期为3～5个，总厚度为200～800nm，中al元素的含量逐渐增加，cr元素含量逐渐减小，其中，al原子百分比为20～40at.％，cr原子百分比为30～10at.％，用于降低复合涂层的内应力；

cralvn/cralsin功能层7：具有梯度结构周期性，是由cralvn到cralsin为一个周期的多周期涂层，一个循环周期中，cralvn厚度为40～100nm，cralsin厚度为60～200nm，一个循环周期的涂层厚度为100～300nm，循环周期为3～5个，总厚度为300～1800nm；其中cralvn单层中v原子百分比为10～15at.％，al原子百分比为15～30at.％，cralsin单层中si原子百分比为5～10at.％，具有高韧性、高耐磨性及抗热疲劳性能，可显著提高热作凸模具的寿命。

在本实施方式中，craln/alcrn复合层6和craln/alcrn复合层6的循环周期是在保障该层功能的同时，不增加工业化生产的复杂性而设定的，理论上，循环周期越多越有利于应力的释放，但会给工业化生产带来工艺上的复杂性，择优选择3～5个循环周期，既可以实现功能，又不额外的增加工艺难度。

整个高韧耐磨复合涂层的梯度和多层结构设计，使得基体与涂层的力学性能均匀过渡，降低了内应力，提高了韧性。

其中，cr金属层5作为结构设计中的软层，很好的增强了结构的整体韧性，提高了与支撑层的结合强度；

具有梯度结构周期性的craln/alcrn复合层6，通过阶段性的沉积温度控制，使基体与涂层的力学性能均匀过渡，降低了内应力，改善了涂层的结合强度和韧性；

具有梯度结构周期性的cralvn/cralsin功能层7中，crvn晶体可以细化晶粒，提高功能层的硬度和韧性，crsin晶体具有高硬度，craln晶体能够同时减小支撑层与功能层的内应力，改善了涂层与基体的结合状况。

实施例2：

如图1至图3所示，本发明还提供了一种将高韧耐磨复合涂层沉积在热作凸模具上的方法，包括如下三个步骤：

步骤100、将热作凸模具的基体预处理后进行辉光放电清洗；

步骤200、将高韧耐磨复合涂层沉积在基体上；

步骤300、对沉积有高韧耐磨复合涂层的基体在本底真空度下加热，后冷却得到基体。

如图2所示，为沉积本发明复合涂层的现有真空阴极弧离子镀设备的靶材分布示意图，包括可旋转的基台10、离子源9以及安装在基台10上的真空室8，cr合金靶11；cral合金靶12；alcr合金靶13；crv合金靶14；cralsi合金靶15分布在真空室8上，在真空室8上有ar气路16和n2气路17。

通过该方法将实施例1提出的高韧耐磨复合涂层体系应用到热作凸模具上，在生产实践中获得验证，热作凸模具热挤压高强钢件15000次后，外壁上未出现粘着磨损以及涂层脱落剥离现象，成形的高强钢件仍符合质量体系要求。因此，凸模外壁制备所述的多层高韧耐磨涂层，与原有技术相比，使用寿命至少提高3倍以上。

并且，沉积该复合涂层后，在汽车工业化生产中，凸模与凹模的使用寿命相差不大，在显著节省凸模的使用量的同时，还可以做到凹凸模的同时更换，便于生产节拍的安排，极大的提高生产效率。

在本实施例中，选取其中一个准确参数作为实例进行说明，其并不影响本实施例的实现结果本质，以下对复合涂层在热作凸模具上的沉积方法进行详细说明：

在本实施方式中，步骤100的预处理步骤包括：

首先对由3cr2w8v材料制作的热作凸模具基体的工作面经过抛光处理；

然后采用超声波清洗的方法对基体进行除油、除蜡、清洗、烘干处理工序。

步骤100的辉光放电清洗具体步骤如下：

首先将预处理后的基体放入真空阴极弧离子镀设备的腔体内，抽真空至真空室的本底真空度为5×10^-3pa，并加热至预定温度400℃；

然后经过ar气路往真空室通入ar气并控制气压在0.7pa，真空阴极弧离子镀设备的基片温度为400℃，开启阳极层离子源电流为4a，基片架转速为1rpm，负偏压为-350v，轰击时间为80min。

在辉光放电清洗后，真空室气压为1.0pa，基体温度400℃，开始进行步骤200，将高韧耐磨复合涂层沉积在基体上，其具体步骤如下：

步骤201、打开金属cr靶，偏压保持在-280v，电流70a，沉积5min，获得cr金属界面结合层，厚度为100nm，沉积cr结合层；

步骤202、cr结合层沉积结束后，负偏压降到150v，经过n2气路往真空室内通入n2，真空室气压为1.2pa，基体温度400℃，占空比80％，基片架转速2rpm，电流90a，开始沉积crn过渡层，沉积20min，厚度为220nm；

步骤203、crn过渡层沉积结束后，开启cr和cral合金靶，通入n2，负偏压120v，真空室气压为3.0pa，基体温度400℃，占空比70％，基片架转速2rpm。控制系统采用电弧靶电流渐变模式，cr靶电流5min内从90a降到70a并关闭，cral靶电流在30min内逐渐从70a增加至100a，形成梯度结构craln支撑层，沉积30min，厚度为800nm。

步骤204、craln支撑层沉积结束后，关闭cral合金靶，开启金属cr靶，关闭n2，真空室气压为1.0pa，负偏压100v，电流80a，沉积8min，获得cr金属层，厚度为200nm。

步骤205、cr金属层沉积结束后，交替开启一组cral和一组alcr合金靶，其余位置靶材为关闭状态，轮换开启的时间间隔为3min，电流90a，通入n2，真空室气压为3.0pa，负偏压80v，占空比60％，基体温度400℃。基台保持旋转，开启cral靶时2rpm，开启alcr靶时3rpm，循环周期为5个，获得craln/alcrn复合层，总沉积时间30min，总厚度为450nm。

步骤206、craln/alcrn复合层沉积结束后，交替开启cral、crv(各一组)和cralsi(两组)合金靶，轮换开启的时间间隔为8min，电流100a，通入n2，真空室气压为4.0pa，负偏压50v，占空比80％，基体温度400℃，基台保持旋转，转速经过cral、crv靶时2.5rpm，经过cralsi靶时1rpm，循环周期为5个，获得cralvn/cralsin功能层，总沉积时间80min，总厚度为1500nm。

然后停止镀膜，关掉所有靶位，关掉所有气体流量阀，真空室调至本底真空，加热真空炉体至500℃，保温4h。

最后，关掉炉体加温，让模具基体冷却至100℃以下，开炉，取出模具基体。

结果：本实施例2完成了在3cr2w8v材料热作凸模具表面，高硬度，高韧性，具有良好耐磨性，抗热疲劳性能的高寿命复合结构涂层制备。

经试验证明，本实施例制备的凸模具复合涂层在950℃高温环境下表现出良好的红硬性及高温稳定性，表面硬度达到32gpa，具有80n的结合力，涂层凸模的使用寿命是普通未涂层模具使用寿命的3倍以上。

整个复合涂层体系的制备，中间无间隔，如果是自动化的设备，可以直接设计好工艺文件，全程按照文件流程完成制备，中间无需任何等待或其他处理过程。

在本实施方式中，craln/alcrn复合层和cralvn/cralsin功能层的制备采用交替开启溅射靶，涂层沉积过程中存在一定的时间间隔，可有效的降低内应力；而且整个涂层体系的设计和实施，都是为了针对热作凸模具的应用需求，获得具有高韧性的耐磨特性涂层，每一层的相互叠加和搭配都是为了在保障涂层硬度、结合力的同时提高其韧性，增加高温耐疲劳性能，使得该涂层可以针对性的在热作模具中使用，具有良好的实用性能。

整体结构的设计有效的提高了涂层的硬度、韧性和化学稳定性，增强了凸模具表面的耐磨性及抗热疲劳性能，有利于减少模具形变，消除模具涂层的疲劳失效，提高使用寿命，可用于开发复杂造型的凸模具。

实施例3：

与实施例2不同之处在于：

本发明还提供了一种将高韧耐磨复合涂层沉积在其它材料热作凸模具上的方法，热作凸模具的基体由4cr5mosiv1材料制作，包括如下三个步骤：

步骤100、将热作凸模具的基体预处理后进行辉光放电清洗；

步骤200、将高韧耐磨复合涂层沉积在基体上；

步骤300、对沉积有高韧耐磨复合涂层的基体在本底真空度下加热，后冷却得到基体。

在本实施例中，选取其中一个准确参数作为实例进行说明，其并不影响本实施例的实现结果本质，以下对复合涂层在热作凸模具上的沉积方法进行详细说明：

在本实施方式中，步骤100的预处理步骤包括：

首先对由4cr5mosiv1材料制作的热作凸模具基体的工作面经过抛光处理；

然后采用超声波清洗的方法对基体进行除油、除蜡、清洗、烘干处理工序。

步骤100的辉光放电清洗具体步骤如下：

首先将预处理后的基体放入真空阴极弧离子镀设备的腔体内，抽真空至真空室的本底真空度为5×10^-3pa，并加热至预定温度400℃；

然后经过ar气路往真空室通入ar气并控制气压在0.7pa，真空阴极弧离子镀设备的基片温度为450℃，开启阳极层离子源电流为4a，基片架转速为1rpm，负偏压为-300v，轰击时间为80min。

在辉光放电清洗后，真空室气压为1.0pa，基体温度450℃，开始进行步骤200，将高韧耐磨复合涂层沉积在基体上，其具体步骤如下：

步骤201、打开金属cr靶，偏压保持在-250v，电流80a，沉积5min，获得cr金属界面结合层，厚度为120nm，沉积cr结合层；

步骤202、cr结合层沉积结束后，负偏压降到150v，通入n2，真空室气压为1.5pa，基体温度450℃，占空比60％，基片架转速2rpm，电流90a，开始沉积crn过渡层，沉积20min，厚度为200nm；

步骤203、crn过渡层沉积结束后，开启cr和cral合金靶，通入n2，负偏压150v，真空室气压为2.5pa，基体温度450℃，占空比80％，基片架转速1rpm。控制系统采用电弧靶电流渐变模式，cr靶电流5min内从90a降到70a并关闭，cral靶电流在20min内逐渐从70a增加至100a，形成梯度结构craln支撑层，沉积20min，厚度为700nm。

步骤204、craln支撑层沉积结束后，关闭cral合金靶，开启金属cr靶，关闭n2，真空室气压为1.0pa，负偏压100v，电流80a，沉积8min，获得cr金属层，厚度为200nm。

步骤205、cr金属层沉积结束后，交替开启一组cral和一组alcr合金靶，其余位置靶材为关闭状态，轮换开启的时间间隔为5min，电流85a，通入n2，真空室气压为4.0pa，负偏压90v，占空比70％，基体温度450℃。基台保持旋转，开启cral靶时1rpm，开启alcr靶时2rpm，循环周期为4个，获得craln/alcrn复合层，总沉积时间40min，总厚度为650nm。

步骤206、craln/alcrn复合层沉积结束后，交替开启cral、crv(各一组)和cralsi(两组)合金靶，轮换开启的时间间隔为8min，电流95a，通入n2，真空室气压为4.5pa，负偏压40v，占空比80％，基体温度450℃，基台保持旋转，转速经过cral、crv靶时2rpm，经过cralsi靶时1rpm，循环周期为5个，获得cralvn/cralsin功能层，总沉积时间80min，总厚度为1200nm。

然后停止镀膜，关掉所有靶位，关掉所有气体流量阀，真空室调至本底真空，加热真空炉体至500℃，保温3h。

最后，关掉炉体加温，让模具基体冷却至100度以下，开炉，取出模具基体。

结果：本实施例3完成了在4cr5mosiv1材料热作凸模具表面，高硬度，高韧性，具有良好耐磨性，抗热疲劳性能的高寿命复合结构涂层制备。

经试验证明，本实施例制备的凸模具复合涂层在950℃高温环境下表现出良好的红硬性及高温稳定性，表面硬度达到35gpa，具有90n的结合力，涂层凸模的使用寿命是普通未涂层模具使用寿命的3倍以上。

根据实施例2和实施例3，将本发明实施例1提出的复合涂层体系应用到热作凸模具上，在生产实践中获得验证，凸模热挤压高强钢件15000次后，外壁上未出现粘着磨损以及涂层脱落剥离现象，成形的高强钢件仍符合质量体系要求。因此，凸模外壁制备所述的多层高韧耐磨涂层，与原有技术相比，使用寿命至少提高3倍以上；沉积本发明所述复合涂层后，在汽车工业化生产中，凸模与凹模的使用寿命相差不大，在显著节省凸模的使用量的同时，还可以做到凹凸模的同时更换，便于生产节拍的安排，极大的提高生产效率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。