[发明专利]一种渗氮PVD复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能模具钢涂层，尤其涉及一种渗氮PVD复合涂层及其制备方法。

背景技术

随着现代制造业的快速发展，越来越多的产品需要模具加工，模具工业已成为现代制造业发展的基础。我国已经成为模具消费大国，模具工业每年以15％增速递增，但不是模具制造强国，目前国内中、高档模具钢主要靠国外进口。模具工业也面临诸多挑战，例如：挤压、冲压等成型技术的快速发展对工模具提出了高耐磨性、高载荷能力、高韧性、高疲劳强度及高热稳定性等要求。模具表面质量对模具的使用寿命有关键的影响，模具的磨损、粘结均发生在表面，疲劳、断裂也往往从表面开始。此外，模具表面和心部的性能要求是不同的，很难通过材料本身或模具的整体热处理来实现。物理气相沉积(PVD)涂层具有高的表面硬度、稳定的化学惰性、良好的热稳定性和耐腐蚀性，提高了模具的使用寿命、降低生产成本和保证加工产品的质量，被广泛地应用于电子、汽车、电机、家电和通信等行业。

PVD涂层膜具有优良的力学及摩擦磨损性能，可满足一般模具钢制工模具的需求。但在一些工况恶劣的条件下，纳米多层膜的应用受到了挑战。例如：对于承受高载荷、高疲劳强度、高弯曲强度和剧烈摩擦磨损的冷作模具，单一多层膜已近不能满足其的要求，其原因在于模具钢基体与硬质膜比较，其硬度相对较软、硬质膜与基体的结合力不够，服役中不能有力支撑硬质膜而发生早期破坏。为了增强基体对硬质膜的支撑作用和改善硬质膜与基结合力，仅靠优化硬质膜的成分与结构是不够的，还必须从硬质膜和基体的整个体系来考虑，为此引入耐磨复合涂层的概念，即：在硬质膜与基体间制备一个中间强化层。渗氮层就是最具前景的中间强化层之一。

通常情况下，渗氮工件横截面组织分为化合物层、扩散层和基体三部分组成，化合物层在PVD沉积过程中分解成低硬度的黑色组织，弱化了渗氮层对PVD涂层的支撑作用，同时也降低了PVD硬质膜-渗氮层之间的结合力。只有当渗氮表面未出现连续化合物或在PVD涂层沉积前去除连续化合物,才能获得良好的膜-基体结合强度、磨损性能等力学性能。因此，广大研究者认为化合物层是渗氮-PVD复合涂层中的有害组织，通常会被去除掉，或者是通过扩散渗氮工艺，制备无化合物层的渗氮工件。但机械抛光去除化合物层会增加涂层的制备成本。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种渗氮PVD复合涂层及其制备方法，具有较高的膜-基结合强度、硬度、断裂韧性以及摩擦磨损性能。

技术方案：本发明所述复合涂层由内至外依次包括基体、扩散层、化合物层和PVD硬质膜层；所述基体是内部组织主要由回火索氏体组成的模具钢；所述扩散层的内部组织包括含氮过饱和的马氏体组织、金属氮化合物、金属碳化合物和Fe₄N相；所述化合物层的内部组织包括面心立方结构的Fe₄N相、面心立方结构CrN相和密排六方结构的Fe_2-3N相；所述PVD硬质膜层的内部组织主要由面心立方结构的fcc-(Cr,Al)N相组成，还包括少量的密排六方结构的hcp-AlN相和面心立方结构的fcc-(Ti,Al)N相。

作为本发明的优选方式之一，所述模具钢经过调质处理后其内部组织主要为回火索氏体。

作为本发明的优选方式之一，所述扩散层的厚度为0.1～0.4mm。

作为本发明的优选方式之一，所述化合物层的厚度为12～18μm。

作为本发明的优选方式之一，所述PVD硬质膜层的厚度为2～5μm。

所述PVD硬质膜层为AlCrN层，按原子数百分比计，AlCrN层的成分包括Al40～50％，Cr10～15％，N35～45％，Fe、O、B共计0.5～1％。

一种渗氮PVD复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将模具钢样品淬火后高温回火处理，然后将处理后的模具钢样品抛光至粗糙度≤0.1μm，清洗后放入氮化炉的炉架中，通入氨气辉光加热后，调节炉内氨气和丙酮的流量，制备氮化样品；

(2)将氮化后的样品进行退火处理，退火后样品水冷，然后抛光至粗糙度≤0.1μm再清洗；

(3)将上述清洗后的退火样品放入PVD炉内，进行辉光清洗，然后打开Cr靶和AlCr靶，同时打开氮气开关，沉积PVD硬质膜。