本發(fā)明提供了一種納米復(fù)合梯度層的制作方法,屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種AlTiON熱作模具鋼復(fù)合梯度涂層及其制備方法。
背景技術(shù):
壓鑄成型是在高溫、高速、高壓條件下成型精密金屬零件的方法。熱作模具鋼因其具有良好的抗疲勞性、抗氧化性、耐腐蝕性、耐磨性廣泛用于壓鑄模具制造,由于壓鑄模具使用條件極為惡劣,在模具實(shí)際使用過程中,經(jīng)常在模具壽命終結(jié)前就造成早期失效。失效主要是磨損、腐蝕、融合、粘著和熱疲勞引起的龜裂。通過開發(fā)高性能熱作模具鋼已不能滿足進(jìn)一步提高熱作模具鋼使用壽命。為了提高熱作模具鋼使用壽命,歐美等國(guó)家主要采用表面涂層技術(shù)在熱作模具鋼型腔表面制備耐磨、抗氧化和耐腐蝕涂層以提高使用壽命。
使用PVD技術(shù)在熱作模具鋼表面沉積硬質(zhì)陶瓷涂層以延長(zhǎng)其壽命已成為近年來研究熱點(diǎn)。涂層結(jié)構(gòu)和涂層成分由較早開發(fā)的單一TiN向CrN、ZrN、TiAlN、AlTiN、TiAlON等多元復(fù)合涂層發(fā)展。采用PVD技術(shù)沉積的這些陶瓷涂層盡管具有較高的硬度、耐磨性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。但是仍存在一些各自局限性和弊端,使陶瓷涂層的壓鑄模具壽命提升受到限制。如TiAlN因其位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)限制,涂層韌性較低易造成TiAlN涂層使用過程中層狀剝離失效;又比如:高Al含量的AlTiN復(fù)合涂層抗高溫氧化性能較好,但是在制備過程中隨Al含量的提高Al與N元素極易形成低硬度六方相AlN,降低了涂層的硬度、彈性模量等力學(xué)性能;又比如:TiAlON涂層中O的引入與AlTiN涂層相比高溫抗氧化性能得到改善,但TiAlON涂層內(nèi)應(yīng)力較高,層間結(jié)合力較差,硬度低,抗熱疲勞性未能得到明顯提升等問題迫待解決。
針對(duì)現(xiàn)有PVD(包括電弧離子鍍和濺射鍍)制備的TiAlON涂層工藝其缺點(diǎn)主要有:
①PVD制備的單層TiAlON涂層與基體結(jié)合力較差(小于20N),而以 CrN作過渡層或以 TiAl 作過渡層制備的TiAlON復(fù)合涂層可以有效提高膜基結(jié)合力, 但層間內(nèi)應(yīng)力較大,韌性低、涂層易剝落;
②TiAlON涂層硬度較低、耐磨性及抗高溫氧化和抗熱疲勞性能較差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種熱作模具鋼表面AlTiON梯度涂層及其制作方法,該AlTiON梯度涂層與基體間的結(jié)合力大,具有高韌性、低內(nèi)應(yīng)力,高硬度,高耐磨性,同時(shí)兼具高溫抗氧化和抗熱疲勞性。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
采用陰極弧離子鍍技術(shù)在熱作模具鋼如:H11, H13等基體上制作CrN/AlTiN/AlTiON復(fù)合梯度層。 2個(gè)純Cr(99.99%)靶和2個(gè)AlTi(99.9%)靶(Al :Ti 比為67 :33)對(duì)向排列布置在PVD內(nèi)腔,以保證交替沉積CrN/AlTiN支撐層。該涂層制作過程分成連續(xù)的五個(gè)階段:第一階段在熱作模具鋼基體上沉積粘結(jié)層CrN薄膜;第二階段在CrN粘結(jié)層基礎(chǔ)上周期交替沉積CrN/AlTiN支撐層;第三階段向爐腔內(nèi)同時(shí)通入O2和N2并使通入O2流量線性上升,N2流量線性下降,保持腔體壓力不變制作AlTiON梯度層; 第四階段保持N2和O2流量不變制作AlTiON功能層;第五階段CrN/AlTiN/AlTiON復(fù)合梯度層在真空腔體內(nèi)高溫原位退火。每個(gè)階段薄膜沉積時(shí)間的長(zhǎng)短由所需要的涂層厚度決定。
沉積參數(shù)如下:
步驟1:將清洗干凈的基片固定在鍍膜室的載具上,靶材至基片的距離約為22cm, 開啟機(jī)械泵和分子泵抽真空使腔體本底真空度低于3×10-4 Pa, 打開加熱系統(tǒng),升溫至200~450 °C, 開啟載具使其2~8 r/min轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng), 向腔體室內(nèi)通入Ar氣200~320SCCM ,調(diào)整真空室壓強(qiáng)為0.3~2 Pa, 基片加600~800V負(fù)偏壓,開啟2個(gè)純Cr靶,靶材電流均為50~120A,對(duì)基片進(jìn)行輝光放電清洗10~20 min; 調(diào)整負(fù)偏壓至50~200V, 2個(gè)Cr靶電流調(diào)整為50~90A,隨后關(guān)掉Ar氣閥同時(shí)打開N2氣流量閥至250~350 SCCM,調(diào)整真空室壓力為1~3Pa沉積CrN粘結(jié)層約4~10 min;
步驟2: 沉積支撐層 CrN/AlTiN;
調(diào)整N2氣流量至380~450SCCM, 2個(gè)純Cr靶電流調(diào)整為60~110A, 開啟2個(gè)AlTi靶電流調(diào)整為55~115A,載具保持2~8 r/min轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)交替沉積支撐層CrN/AlTiN約30~60 min;
步驟3:沉積梯度層AlTiON;
在該時(shí)間段內(nèi)同時(shí)向腔體內(nèi)通入O2和N2氣,保持2個(gè)AlTi靶電流55~115A不變,腔體溫度控制在200~450°C, 隨著涂層進(jìn)行N2氣量從380~450SCCM勻速下降至340~410 SCCM, O2流量從0 SCCM勻速上升到25~35 SCCM,沉積AlTiON梯度層約15~25 min;
步驟4: 沉積功能層AlTiON;
該階段繼續(xù)向腔體通入O2和N2氣,保持在步驟3收尾階段N2和O2氣流量不變即N2氣流量為340~410 SCCM,O2氣流量為25~35SCCM,2個(gè) AlTi靶電流為55~115A,沉積功能層AlTiON約15~30min;
步驟5:復(fù)合梯度層CrN/AlTiN/AlTiON在真空腔體內(nèi)高溫原位退火。
關(guān)掉2個(gè)AlTi靶電流,關(guān)掉O2和N2氣體流量閥, 腔體真空度調(diào)整為4×10-3 Pa,基片溫度加熱至650~850°C,保溫3~5h使多層梯度膜CrN/AlTiN/AlTiON在真空腔體內(nèi)高溫原位退火。
與現(xiàn)有技術(shù)不同之處在于:①制作的是熱作模具鋼用高鋁含量的AlTiON復(fù)合涂層,涂層組成是由粘結(jié)層CrN、支撐層CrN/AlTiN、梯度層AlTiON和功能層AlTiON組成;②支撐層CrN/AlTiN是通過周期交替沉積CrN/AlTiN多層薄膜有效抑制了柱狀晶體生長(zhǎng), 使得沉積的CrN/AlTiN薄膜更加致密;而梯度涂層AlTiON制備是通過通入氣體中N/O比的梯度連續(xù)變化來改變膜層成分, 與均勻成分薄膜相比展現(xiàn)出殘余應(yīng)力小,粘結(jié)強(qiáng)度大和韌性高的優(yōu)點(diǎn);③AlTiON功能層的制作是通過步驟四和步驟五完成,其中步驟五中復(fù)合涂層高溫原位退火一方面減小了層間應(yīng)力,提高了薄膜間抗沖擊的韌性和抗熱疲勞性;另一方面高溫退火使頂層AlTiON表面原位生成了γ-Al2O3組織從而極大提高了 AlTiON涂層的硬度、耐磨性以及高溫抗氧化和抗腐蝕能力。
制作的AlTiON梯度層具有如下優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明研制的AlTiON梯度涂層具有較高的硬度,且耐磨性和耐腐蝕性能好。
2. 本發(fā)明研制的AlTiON梯度涂層具有較高的高溫?zé)岱€(wěn)定性和抗疲勞性,可用于壓鑄模具加工領(lǐng)域。
3. 本發(fā)明研制的AlTiON梯度涂層厚度均勻、結(jié)構(gòu)致密與基體具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。
附圖說明
圖1 為本實(shí)施例2中采用電弧離子鍍技術(shù)制備的AlTiON復(fù)合梯度涂層的表面形貌。
圖2為本實(shí)施例2中采用電弧離子鍍技術(shù)制備的AlTiON復(fù)合梯度涂層的Al、Ti、O、N XPS譜圖。
圖3 為本實(shí)施例2中采用電弧離子鍍技術(shù)制備的AlTiON復(fù)合梯度涂層磨耗曲線。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明所述的內(nèi)容更加便于理解,下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所述的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明,但是本發(fā)明不僅限于此。
一種AlTiON熱作模具鋼復(fù)合梯度涂層,基片表面與AlTiON功能層之間依次沉積有粘結(jié)層CrN,支撐層CrN/AlTiN, 梯度層AlTiON,其中支撐層CrN/AlTiN由CrN、AlTiN交替沉積制作。
一種AlTiON熱作模具鋼復(fù)合梯度涂層的制備方法,所述涂層由離子弧PVD沉積制備,包括如下具體步驟:
步驟1:將清洗干凈的基片固定在鍍膜室的載具上,載具轉(zhuǎn)速控制在2~8 r/min,腔體溫度控制在200~450 °C,腔體室內(nèi)通入Ar氣200~320SCCM ,真空室壓強(qiáng)為0.3~2 Pa, 基片加600~800V負(fù)偏壓, Cr靶電流控制在50~120A, 對(duì)基片進(jìn)行輝光放電清洗10~20 min; 調(diào)整基片所加負(fù)偏壓至50~200V, Cr靶電流調(diào)整為50~90A,關(guān)掉Ar氣閥同時(shí)打開N2氣流量閥至250~350 SCCM,調(diào)整真空室壓力為1~3Pa沉積CrN粘結(jié)層4~10 min;
步驟2: 調(diào)整N2氣流量至380~450SCCM, Cr靶電流調(diào)整為60~110A, AlTi靶電流調(diào)整為55~115A,交替沉積支撐層CrN/AlTiN 30~60 min;
步驟3:關(guān)閉Cr靶電流,向腔體內(nèi)通入O2和N2氣,保持AlTi靶電流55~115A不變,腔體溫度控制在200~450°C,隨著涂層進(jìn)行N2氣流量從380~450SCCM勻速下降至340~410 SCCM, O2氣流量從0 SCCM勻速上升到25~35 SCCM,沉積AlTiON梯度層15~25 min;
步驟4: 繼續(xù)向腔體通入O2和N2氣,保持在步驟3收尾階段N2和O2氣流量不變,AlTi靶電流不變,沉積功能層AlTiON 15~30min;
步驟5: 停止鍍膜,腔體真空度調(diào)整為4×10-3 Pa,基片溫度加熱至650~850°C,保溫3~5h 高溫原位退火。
實(shí)施例1
采用陰極弧離子鍍技術(shù)在熱作模具鋼H11基體上制作CrN/AlTiN/AlTiON復(fù)合梯度層。 2個(gè)純Cr(99.99%)靶和2個(gè)AlTi(99.9%)靶(Al :Ti 比為67 :33)對(duì)向排列布置在PVD內(nèi)腔,以保證交替沉積CrN/AlTiN支撐層。該涂層制作過程分成連續(xù)的五個(gè)階段:第一階段在熱作模具鋼基體上沉積粘結(jié)層CrN薄膜;第二階段在CrN粘結(jié)層基礎(chǔ)上周期交替沉積CrN/AlTiN支撐層;第三階段向爐腔內(nèi)同時(shí)通入O2和N2并使通入O2流量線性上升,N2流量線性下降,保持腔體壓力不變制作AlTiON梯度層; 第四階段保持N2和O2流量不變制作AlTiON功能層;第五階段CrN/AlTiN/AlTiON復(fù)合梯度層在真空腔體內(nèi)高溫原位退火。
沉積參數(shù)如下:
步驟1:將清洗干凈的基片固定在鍍膜室的載具上,靶材至基片的距離為22cm, 開啟機(jī)械泵和分子泵抽真空使腔體本底真空度低于3×10-4 Pa, 打開加熱系統(tǒng),升溫至200 °C, 開啟載具使其2r/min轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng), 向腔體室內(nèi)通入Ar氣200SCCM ,調(diào)整真空室壓強(qiáng)為0.3 Pa, 基片加600V負(fù)偏壓,開啟2個(gè)純Cr靶,靶材電流均為50A,對(duì)基片進(jìn)行輝光放電清洗10min; 調(diào)整負(fù)偏壓至50V, 2個(gè)Cr靶電流調(diào)整為50A,隨后關(guān)掉Ar氣閥同時(shí)打開N2氣流量閥至250SCCM,調(diào)整真空室壓力為1Pa沉積CrN粘結(jié)層4 min;
步驟2: 沉積支撐層 CrN/AlTiN;
調(diào)整N2氣流量至380SCCM, 2個(gè)純Cr靶電流調(diào)整為60A,開啟2個(gè)AlTi靶電流調(diào)整為55A,載具保持2r/min轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)交替沉積支撐層CrN/AlTiN 30 min;
步驟3:沉積梯度層AlTiON;
在該時(shí)間段內(nèi)同時(shí)向腔體內(nèi)通入O2和N2氣,保持2個(gè)AlTi靶電流55A不變,腔體溫度控制在200°C, 隨著涂層進(jìn)行N2氣量從380SCCM勻速下降至340 SCCM, O2流量從0 SCCM勻速上升到25 SCCM,沉積AlTiON梯度層15min;
步驟4: 沉積功能層AlTiON;
該階段繼續(xù)向腔體通入O2和N2氣,保持在步驟3收尾階段N2和O2氣流量不變即N2氣流量為340SCCM,O2氣流量為25SCCM,2個(gè) AlTi靶電流為55A,沉積功能層AlTiON 15min;
步驟5:復(fù)合梯度層CrN/AlTiN/AlTiON在真空腔體內(nèi)高溫原位退火。
關(guān)掉2個(gè)AlTi靶電流,關(guān)掉O2和N2氣體流量閥, 腔體真空度調(diào)整為4×10-3 Pa,基片溫度加熱至650°C,保溫3h使多層梯度膜CrN/AlTiN/AlTiON在真空腔體內(nèi)高溫原位退火。
實(shí)施例2
采用陰極弧離子鍍技術(shù)在熱作模具鋼H13基體上制作CrN/AlTiN/AlTiON復(fù)合梯度層。 2個(gè)純Cr(99.99%)靶和2個(gè)AlTi(99.9%)靶(Al :Ti 比為67 :33)對(duì)向排列布置在PVD內(nèi)腔,以保證交替沉積CrN/AlTiN支撐層。該涂層制作過程分成連續(xù)的五個(gè)階段:第一階段在熱作模具鋼基體上沉積粘結(jié)層CrN薄膜;第二階段在CrN粘結(jié)層基礎(chǔ)上周期交替沉積CrN/AlTiN支撐層;第三階段向爐腔內(nèi)同時(shí)通入O2和N2并使通入O2流量線性上升,N2流量線性下降,保持腔體壓力不變制作AlTiON梯度層; 第四階段保持N2和O2流量不變制作AlTiON功能層;第五階段CrN/AlTiN/AlTiON復(fù)合梯度層在真空腔體內(nèi)高溫原位退火。
沉積參數(shù)如下:
步驟1:將清洗干凈的基片固定在鍍膜室的載具上,靶材至基片的距離為22cm, 開啟機(jī)械泵和分子泵抽真空使腔體本底真空度低于3×10-4 Pa, 打開加熱系統(tǒng),升溫至300 °C, 開啟載具使其4 r/min轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng), 向腔體室內(nèi)通入Ar氣260SCCM ,調(diào)整真空室壓強(qiáng)為1Pa, 基片加700V負(fù)偏壓,開啟2個(gè)純Cr靶,靶材電流均為80A,對(duì)基片進(jìn)行輝光放電清洗15 min; 調(diào)整負(fù)偏壓至100V, 2個(gè)Cr靶電流調(diào)整為70A,隨后關(guān)掉Ar氣閥同時(shí)打開N2氣流量閥至300SCCM,調(diào)整真空室壓力為2Pa沉積CrN粘結(jié)層7min;
步驟2: 沉積支撐層 CrN/AlTiN;
調(diào)整N2氣流量至400SCCM, 2個(gè)純Cr靶電流調(diào)整為80A, 開啟2個(gè)AlTi靶電流調(diào)整為80A,載具保持5 r/min轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)交替沉積支撐層CrN/AlTiN 45 min;
步驟3:沉積梯度層AlTiON;
在該時(shí)間段內(nèi)同時(shí)向腔體內(nèi)通入O2和N2氣,保持2個(gè)AlTi靶電流80A不變,腔體溫度控制在300 °C, 隨著涂層進(jìn)行N2氣量從400SCCM勻速下降至360SCCM, O2流量從0 SCCM勻速上升到30SCCM,沉積AlTiON梯度層20min;
步驟4: 沉積功能層AlTiON;
該階段繼續(xù)向腔體通入O2和N2氣,保持在步驟3收尾階段N2和O2氣流量不變即N2氣流量為360 SCCM,O2氣流量為30SCCM,2個(gè) AlTi靶電流為80A,沉積功能層AlTiON 20min;
步驟5:復(fù)合梯度層CrN/AlTiN/AlTiON在真空腔體內(nèi)高溫原位退火。
關(guān)掉2個(gè)AlTi靶電流,關(guān)掉O2和N2氣體流量閥, 腔體真空度調(diào)整為4×10-3 Pa,基片溫度加熱至700°C,保溫4h使多層梯度膜CrN/AlTiN/AlTiON在真空腔體內(nèi)高溫原位退火。
從圖1的掃描電鏡觀察可以看出沉積的AlTiON涂層表面相對(duì)平整,大顆粒較少,僅有少量白亮液滴存在。
從圖2可知AlTiON復(fù)合梯度涂層由Al、Ti、O、N四種元素組成;由2(a)分析可知Al2P峰出現(xiàn)在74.3eV,表明Al主要是以AlN和Al2O3相組成;由圖2(b)分析可知Ti元素主要以 TiN和TiO2相出現(xiàn);分析圖2(c)可知O峰主要對(duì)應(yīng)于TiO2和Al2O3;分析圖2(d)可知N1s峰對(duì)應(yīng)于TiN和AlN。
磨耗測(cè)試是在CSEM球-盤式磨耗儀上完成,對(duì)球采用直徑為6.0 mm 的WC-Co球,荷重為10N,滑動(dòng)距離設(shè)為800m, 無潤(rùn)滑狀態(tài)下測(cè)試。從圖3 AlTiON復(fù)合梯度涂層磨耗曲線可知樣品的摩擦系數(shù)為0.6左右,小的摩擦系數(shù)暗示了樣品具有優(yōu)良的抗磨損性能。
實(shí)施例3
采用陰極弧離子鍍技術(shù)在熱作模具鋼H13基體上制作CrN/AlTiN/AlTiON復(fù)合梯度層。 2個(gè)純Cr(99.99%)靶和2個(gè)AlTi(99.9%)靶(Al :Ti 比為67 :33)對(duì)向排列布置在PVD內(nèi)腔,以保證交替沉積CrN/AlTiN支撐層。該涂層制作過程分成連續(xù)的五個(gè)階段:第一階段在熱作模具鋼基體上沉積粘結(jié)層CrN薄膜;第二階段在CrN粘結(jié)層基礎(chǔ)上周期交替沉積CrN/AlTiN支撐層;第三階段向爐腔內(nèi)同時(shí)通入O2和N2并使通入O2流量線性上升,N2流量線性下降,保持腔體壓力不變制作AlTiON梯度層; 第四階段保持N2和O2流量不變制作AlTiON功能層;第五階段CrN/AlTiN/AlTiON復(fù)合梯度層在真空腔體內(nèi)高溫原位退火。
沉積參數(shù)如下:
步驟1:將清洗干凈的基片固定在鍍膜室的載具上,靶材至基片的距離為22cm, 開啟機(jī)械泵和分子泵抽真空使腔體本底真空度低于3×10-4 Pa, 打開加熱系統(tǒng),升溫至450 °C, 開啟載具使其8 r/min轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng), 向腔體室內(nèi)通入Ar氣320SCCM ,調(diào)整真空室壓強(qiáng)為2 Pa, 基片加800V負(fù)偏壓,開啟2個(gè)純Cr靶,靶材電流均為120A,對(duì)基片進(jìn)行輝光放電清洗20 min; 調(diào)整負(fù)偏壓至200V, 2個(gè)Cr靶電流調(diào)整為90A,隨后關(guān)掉Ar氣閥同時(shí)打開N2氣流量閥至350 SCCM,調(diào)整真空室壓力為3Pa沉積CrN粘結(jié)層10 min;
步驟2: 沉積支撐層 CrN/AlTiN;
調(diào)整N2氣流量至450SCCM, 2個(gè)純Cr靶電流調(diào)整為110A, 開啟2個(gè)AlTi靶電流調(diào)整為115A,交替沉積支撐層CrN/AlTiN 60 min;
步驟3:沉積梯度層AlTiON;
在該時(shí)間段內(nèi)同時(shí)向腔體內(nèi)通入O2和N2氣,保持2個(gè)AlTi靶電流115A不變,腔體溫度控制在450°C, 隨著涂層進(jìn)行N2氣量從450SCCM勻速下降至410 SCCM, O2流量從0 SCCM勻速上升到35 SCCM,沉積AlTiON梯度層25 min;
步驟4: 沉積功能層AlTiON;
該階段繼續(xù)向腔體通入O2和N2氣,保持在步驟3收尾階段N2和O2氣流量不變即N2氣流量為410 SCCM,O2氣流量為35SCCM,2個(gè) AlTi靶電流為115A,沉積功能層AlTiON 30min;
步驟5:復(fù)合梯度層CrN/AlTiN/AlTiON在真空腔體內(nèi)高溫原位退火。
關(guān)掉2個(gè)AlTi靶電流,關(guān)掉O2和N2氣體流量閥, 腔體真空度調(diào)整為4×10-3 Pa,基片溫度加熱至850°C,保溫5h使多層梯度膜CrN/AlTiN/AlTiON在真空腔體內(nèi)高溫原位退火。
檢測(cè)實(shí)施例1~ 3 樣品所獲得性能,結(jié)果如表一所示。
表一 實(shí)施例1 ~ 3 樣品性能檢測(cè)
由表1可知,經(jīng)檢測(cè)實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3樣品其硬度分別為30.8Gpa、31.2 Gpa和33.7 Gpa;膜基結(jié)合力分別為77N、95N和84N;最高抗氧化溫度分別為915°C、962°C和1036°C;在1M H2SO4溶液中三電極測(cè)試實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3樣品,腐蝕電流密度分別為0.271 uA/cm2、0.158 uA/cm2和0.204 uA/cm2,檢測(cè)結(jié)果顯示在以上三個(gè)實(shí)施例中實(shí)施例2沉積的樣品具有最高的膜基結(jié)合力和耐腐蝕性。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例,凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾,皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。