一種合金鋼表面滲氮后原位PVD鍍膜的一體化復合處理方法與流程

本發明涉及材料表面加工領域，具體涉及一種合金鋼表面滲氮后原位PVD鍍膜的一體化復合處理方法，適用于刀具、模具、機械關鍵零部件的表面強化。

背景技術：

隨著加工制造技術的進步，機械加工不斷向高精化、高速化方向發展，對各類刀具在硬度、耐磨性、抗氧化性能和切削性能等方面提出了更高的要求。而今，涂層技術已和刀具材料、刀具設計與制造一起成為切削刀具的三大關鍵技術。基于切削加工追求的目標是高精度、高效率、低成本、綠色環保，“高韌性高強度基體+高硬度高耐磨性刃部”設計組合仍是未來刀具的主要發展方向。

高速鋼，由于其具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性，而被廣泛用來制造復雜的薄刃和耐沖擊的金屬切削刀具，還被用于制造高溫軋輥、軸承、機械零件以及高檔次的冷熱模具等。為提高其使用壽命，增強耐蝕性能和尺寸穩定性，改善其綜合使用性能，除了提高熱處理水平、改善冶煉工藝之外，非常重要的處理方法便是在其表面制備一定厚度的硬質涂層。

模具鋼是現代加工產業的重要基礎之一，隨著模具加工成形技術的不斷發展，對模具材料的要求也越來越高。只靠鋼材本體材料化學成分的調配和組織結構的改善已很難滿足現實工業生產過程中對模具鋼強度、硬度、抗熱疲勞性、耐磨性和耐腐蝕性等性能的要求。而通過表面強化處理來改變模具鋼的表面狀態以提高其綜合性能是一種非常有效的方法。

針對硬質涂層(如氮化物)-鋼基體(如模具鋼)體系而言，通常涂層與基體之間存在硬度差異大、熱膨脹系數和彈性模量不匹配、塑性變形能力差異大等問題，類似“雞蛋殼效應”。涂層在服役過程中，承受高載荷以及劇烈的摩擦磨損，往往易出現開裂、剝落，最終失效。

等離子體滲氮（PN）- 物理氣相沉積（PVD）復合處理技術綜合了兩種技術的優勢，最早是由芬蘭科學家Korhonen等人于1983年提出的。目前，國外的巴爾查斯、豪澤、梯爾公司等涂層設備公司，國內西安交大、重慶大學、太原理工大學、華南理工大學等均對PN-PVD開展了許多研發工作，大量研究表明，基體（如結構鋼、模具鋼、高速鋼等）離子滲氮后再進行離子鍍或磁控濺射復合處理后，能夠提高合金鋼制品的綜合使用性能和使用壽命。

目前，常用的PN-PVD復合處理技術是將滲氮和鍍膜工藝分開進行，工件先進行滲氮處理，降溫冷卻后，再進行PVD鍍膜處理。而滲氮后原位PVD鍍膜的一體化復合處理方法是將滲氮和PVD鍍膜過程在同一設備上匯總編程、存儲，在相近的溫度和氣壓條件下，一體化執行PN-PVD復合處理工藝，滲氮過程中高密度的等離子體可對基體進行清洗刻蝕，提高了滲氮速率，也對膜層生長初期產生了電子加熱作用，能夠增強涂層與基體的附著性能，改善合金鋼制品的綜合性能，有效提高表面處理效率。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種合金鋼表面滲氮后原位PVD鍍膜的一體化復合處理方法，優化了傳統PN-PVD復合處理工藝，將滲氮和PVD鍍膜過程在同一設備上匯總編程、存儲，在相近的溫度和氣壓條件下，一體化執行PN-PVD原位復合處理工藝，滲氮過程中高密度的等離子體可對基體進行清洗刻蝕，提高了滲氮速率，也對膜層生長初期產生了電子加熱作用，能夠增強涂層與基體的附著性能，改善涂層的綜合性能，有效提高表面處理效率。

本發明的目的通過以下技術方案實現。

一種合金鋼表面滲氮后原位PVD鍍膜的一體化復合處理方法，該方法的步驟如下：

1）基體表面預處理，將基體依次研磨、拋光、超聲清洗，吹干后裝夾在可三維旋轉的行星架上，送入腔室。

2）基體表面離子清洗與刻蝕，采用電弧增強型輝光放電技術對基體表面進行離子清洗與刻蝕30~90min，去除基體表面的雜質和氧化皮。

3）電弧等離子輔助滲氮，向反應爐內連續通入高純N₂、高純H₂和高純Ar，同時保持爐內氣壓和溫度恒定，基體加負偏壓，進行60~120min等離子滲氮處理（PN）。

4）原位PVD鍍膜處理，在基體滲氮層上沉積具有一定厚度的硬質涂層。

5）步驟4）完成后，隨后開啟爐體循環冷熱水系統對腔室進行冷卻，基體在真空狀態下隨爐冷卻至70℃以下即可取出。

進一步地，在步驟1）中，所述基體為鐵基合金鋼。

進一步地，在步驟1）中，所述研磨為將基體分別在200目、400目、600目、800目、1000目的砂紙上進行粗磨和細磨，所述拋光為用W2.5的金剛石拋光粉進行拋光，拋光使試樣表面粗糙度Ra值達到0.4μm以下；所述超聲清洗是將拋光后的基體用無水乙醇超聲清洗10~20 min，然后吹干。

進一步地，在步驟2）中，基體表面離子清洗與刻蝕，采用電弧增強型輝光放電技術對基體表面進行離子清洗與刻蝕。充當電子源的電弧靶采用Ti靶，純度達99%以上，靶電流為70~90A；放置基體的行星架接脈沖電源負極，負偏壓為-200~-400V，采用雙極脈沖，頻率10~20 kHz，占空比70%~90%；整個腔室的加熱采用的是分布在腔室后壁上的紅外加熱管，腔室內的實際溫度由腔室前側熱電偶測量，且設置上、中、下三個位置，紅外加熱管溫度設定為450~550℃；氣壓為0.2~2.0 Pa，通入的Ar流量通過氣壓控制為160~230sccm；離子清洗與刻蝕時間為30~90min。所述電弧增強型輝光放電技術是通過弧光放電產生高密度電子，電子與通入的氬氣碰撞，顯著提高其離化率，去除基體表面的雜質和氧化皮，并產生“原子尺度的微噴砂”效應，以活化基體表面、提高滲氮速率，增強膜基結合力。

進一步地，在步驟3）中，電弧等離子輔助滲氮，電弧靶、基體電壓和紅外加熱管的溫度設定值與步驟2）相同，向反應爐內連續通入高純N₂、高純H₂和高純Ar，滲氮氣壓為0.2~2.0 Pa，N₂流量為25~50sccm，H₂流量為25~50sccm，Ar流量通過氣壓控制為130~200sccm，進行60~120min等離子滲氮處理，得到厚度為10~50微米的滲氮層。

進一步地，在步驟4）中，所述PVD涂層方法為多弧離子鍍技術。PVD涂層工藝與等離子滲氮工藝是在同一設備上匯總編程、存儲，在相近的溫度和氣壓條件下，于同一腔室中一體化連續執行PN-PVD原位復合處理工藝。

進一步地，在步驟5）中，鍍膜結束后，開啟爐體循環冷熱水系統對腔室進行冷卻，冷熱水溫度12~40℃，基體在真空狀態下隨爐冷卻至70℃以下即可取出。

本發明采用滲氮后原位PVD鍍膜的復合處理工藝，在一定基體負偏壓、沉積溫度、氣體壓強等條件下，在合金鋼表面制備厚度可控的滲氮層，并原位沉積成分結構可控的硬質涂層。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

（1）本發明在基體前處理過程中，采用電弧增強型輝光放電技術對基體表面進行離子清洗與刻蝕，可有效去除基體表面的雜質和氧化皮，相當于原子級別的微噴砂，活化基體表面，同時該過程也對離子滲氮起到了預處理的作用，有效提高滲氮速率。

（2）本發明的等離子滲氮和PVD鍍膜工藝溫度均為450~550℃，爐內氣壓均控制在0.2~2.0Pa，將兩者在同一設備上存儲、匯總編程，并在同一腔室中一體化連續執行PN與PVD原位復合處理工藝，可有效避免等離子滲氮和PVD鍍膜分開進行需要的溫度、真空準備過程，以及在此過程中產生的熱應力，可以增強涂層與基體的附著性能，改善涂層的綜合性能，有效提高表面處理效率。

（3）本發明的離子滲氮采用的是電弧輔助等離子滲氮，在該過程中產生的高密度等離子體，可對合金鋼基體產生清洗刻蝕作用，有效活化基體并提高滲氮速率，也對膜層生長初期產生了電子加熱作用，強化膜基結合力，根據壓痕試驗規范(VDI 3198 standard 1991）膜基結合力達到HF1。

附圖說明

圖1為實施例1制備的TiN涂層表面的SEM圖譜，其放大倍數為2000倍，標尺為2μm。

圖2為實施例2制備的Al₅₅Ti₄₅N涂層表面的SEM圖譜，其放大倍數為2000倍，標尺為2μm。

圖3為實施例1制備的TiN涂層截面的SEM圖譜，其放大倍數為5000倍，標尺為2μm。

圖4為實施例2制備的Al₅₅Ti₄₅N涂層斷面的SEM圖譜，其放大倍數為15000倍，標尺為1μm。

圖5為實施例1制備的TiN涂層壓痕結果圖，其放大倍數為100倍，標尺為100μm。

圖6為實施例2制備的Al₅₅Ti₄₅N涂層壓痕結果圖，其放大倍數為100倍，標尺為100μm。

圖7為實施例2制備的Al₅₅Ti₄₅N涂層摩擦系數與時間關系曲線圖。

具體實施方式

以下結合說明書附圖和實施例對本發明作進一步描述，但本發明并不局限于此。

實施例1：H13熱作模具鋼表面滲氮后原位制備TiN硬質涂層

1. 基體表面預處理：（1）研磨拋光：將H13熱作模具鋼分別在200目、400目、600目、800目、1000目的砂紙上進行粗磨和細磨，粗細磨的時間控制在10min，在細磨之后，對試樣進行超聲清洗，清洗劑為無水乙醇，去除研磨過程中產生的磨屑，超聲清洗時間為5min，并用烘箱烘干。試樣經過研磨后，再用W2.5的金剛石拋光粉進行拋光，拋光時間為15min，拋光完成后試樣表面粗糙度Ra值達到0.3μm。（2）超聲清洗：將拋光后的基體用無水乙醇超聲清洗15min，然后吹干。

2. 基體表面離子清洗與刻蝕：在沉積薄膜之前，采用電弧增強型輝光放電技術對基體表面進行離子清洗與刻蝕，以增強膜基結合能力。離子清洗與刻蝕的方法是：（1）充當電子源的電弧靶采用Ti靶，純度達99%以上，靶電流為80A；（2）放置基體的行星架接脈沖電源負極，采用雙極脈沖，負偏壓為300V，正電壓為20V，頻率20 kHz，占空比80%；（3）氣壓為1.0Pa，通入的Ar流量通過氣壓控制在195sccm；（4）紅外加熱管溫度設定為500℃；離子清洗與刻蝕時間為60min。該步驟可以進一步清除基體表面的氧化物、雜質等，并且能夠對基體表面產生“原子尺度的微噴砂”效應，能夠有效增強基體與涂層之間的結合能力，提高成膜質量。

3. 基體表面等離子輔助滲氮：基體表面離子清洗與刻蝕之后，向反應爐內連續通入高純N₂、高純H₂和高純Ar，靶電流、基體偏壓、爐內溫度和氣壓同上，N₂流量為25sccm，H₂流量為50sccm，Ar流量通過氣壓控制為90sccm，進行120min等離子輔助滲氮處理。

4. 涂層蒸發沉積：在基體表面等離子輔助滲氮之后，原位沉積TiN硬質涂層。沉積方法是分兩個階段進行的：（1）第一階段采用高功率脈沖制備Ti的過渡涂層：a）磁控平面靶采用Ti靶，純度達99%以上，靶材施加脈沖偏壓，其峰值電壓為1000V，占空比為0.38%，濺射平均功率為7kW；b）放置基體的行星架接直流電源負極，負偏壓為200V；c）通入的N₂流量為20sccm，Ar流量為120sccm；d）紅外加熱管溫度設定為600℃；過渡涂層沉積時間為10min。（2）第二階段采用等離子輔助電弧技術制備TiN硬質涂層：a）電弧圓靶采用上下分布的2個Ti靶，純度達99%以上，單個靶電流為150A；b）放置基體的行星架接直流電源負極，負偏壓為80V；c）腔室氣壓為1.0Pa，通入的N₂流量由氣壓控制；d）紅外加熱管溫度設定為500℃；涂層沉積時間為60min。鍍膜結束后，開啟爐體循環冷熱水系統對腔室進行冷卻，冷水溫度設定為18℃，熱水溫度設定為38℃，工件在真空狀態下隨爐冷卻至70℃以下即可取出，保存在恒溫干燥箱中，待進行分析表征與性能測試。

1. 表面粗糙度測量：采用多功能光電3-D表面測量系統(SMS Expert)測量涂層的表面粗糙度，7~10次測量取算術平均值。基體粗糙度Ra值為0.130μm，鍍膜之后，表面粗糙度Ra值為0.437 μm。

2. 硬度測試：用顯微硬度計(HMV-2T)對涂層和基體進行硬度比對測量，載荷50g，保載時間10s，10次測量結果取算術平均值，其表面硬度由516.2 HV_0.05升至為1760.0HV_0.05。

3. 形貌表征：采用蔡司掃描電子顯微鏡(Smart SEM V05.06)對涂層進行形貌觀察，圖1和圖3分別為H13模具鋼基體上制備的TiN硬質涂層表面和截面的SEM圖譜，可見TiN硬質涂層表面整體上較平整，組織均勻致密，膜層表面上存在少量顆粒物、氣孔，且最大顆粒物直徑小于3μm，膜層表面質量良好。從涂層橫截面形貌可見，涂層組織均勻致密，無氣孔、裂紋等缺陷，且與基體鎖合良好。

4. 膜基結合力測試：依據壓痕試驗規范(VDI 3198 standard 1991)，采用洛氏硬度壓痕試驗法評價涂層與基體的結合強度，圓錐形金剛石壓頭，載荷為1471 N，保載時間為15s。圖5為H13模具鋼基體上制備的TiN硬質涂層的壓痕結果圖，由圖可知，涂層與基體結合良好，壓痕等級為HF1。

實施例2：H13模具鋼表面滲氮后原位制備Al₅₅Ti₄₅N硬質涂層

1. 基體表面預處理：同實施例1

2. 基體表面離子清洗與刻蝕：同實施例1。

3. 基體表面等離子輔助滲氮：基體表面離子清洗與刻蝕之后，向反應爐內連續通入高純N₂、高純H₂和高純Ar，靶電流、基體偏壓、爐內溫度和氣壓同上，N₂流量為25sccm，H₂流量為50sccm，Ar流量通過氣壓控制，進行120min等離子輔助滲氮處理。

4. 涂層蒸發沉積：在基體表面等離子輔助滲氮之后，原位沉積TiN硬質涂層。沉積方法是分兩個階段進行的：（1）第一階段采用高功率脈沖制備Ti的過渡涂層：a）磁控平面靶采用Ti靶，純度達99%以上，靶材施加脈沖偏壓，其峰值電壓為1000V，占空比為0.38%，濺射平均功率為7kW；b）放置基體的行星架接直流電源負極，負偏壓為200V；c）通入的N₂流量為20sccm，Ar流量為120sccm；d）紅外加熱管溫度設定為600℃；過渡涂層沉積時間為10min。（2）第二階段采用等離子輔助電弧技術制備TiN硬質涂層：a）電弧圓靶采用上下分布的2個Al₅₅Ti₄₅靶，單個靶電流為150A；b）放置基體的行星架接直流電源負極，負偏壓為80V；c）腔室氣壓為1.0Pa，通入的N₂流量由氣壓控制；d）紅外加熱管溫度設定為500℃；涂層沉積時間為60min。鍍膜結束后，開啟爐體循環冷熱水對腔室進行冷卻，冷水溫度設定為18℃，熱水溫度設定為38℃，工件在真空狀態下隨爐冷卻至70℃以下即可取出，保存在恒溫干燥箱中，待進行分析表征與性能測試。

1. 表面粗糙度測量：測量方法同實施例1，基體粗糙度Ra值為0.130μm，鍍膜之后，表面粗糙度Ra值為0.247 μm。

2. 硬度測試：測試方法同實施例1，其表面硬度由516.2 HV_0.05升至為2681.8HV_0.05。

4. 形貌表征：表征方法同實施例1，圖2和圖4分別為H13模具鋼基體上制備的Al₅₅Ti₄₅N硬質涂層表面和斷面的SEM圖譜，可見Al₅₅Ti₄₅N硬質涂層表面整體上較平整，組織均勻致密，膜層表面上存在少量顆粒物、氣孔，且最大顆粒物直徑小于3μm，膜層表面質量良好，與實施例1基本一致。從涂層斷面形貌可見，涂層以柱狀晶形式生長，無氣孔、裂紋等缺陷，且與基體鎖合良好。

3. 膜基結合力測試：表征方法同實施例1，圖6為H13模具鋼基體上制備的Al₅₅Ti₄₅N硬質涂層的壓痕結果圖，涂層與基體結合良好，壓痕等級為HF1。

4. 摩擦磨損性能分析：參照GB/T 12444-2006 金屬材料磨損試驗方法 試環-試塊滑動磨損試驗，采用德國Bruker公司UMT-3多功能摩擦磨損試驗機對涂層樣品進行摩擦磨損性能的測試。對磨球材料為Si₃N₄，直徑為4mm，加載載荷為10N，磨損直徑6mm，轉速318rpm，時間1800s。圖7為H13模具鋼基體上制備的Al₅₅Ti₄₅N硬質涂層摩擦系數與時間關系曲線，可見在600s后，摩擦磨損進入了穩定期，摩擦系數在0.70-0.72之間。