本發(fā)明屬于膜材料領(lǐng)域，尤其涉及一種Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜制備及其結(jié)合性能評價的方法。

背景技術(shù)：

模具廣泛應(yīng)用于塑料零件，壓鑄零件，金屬板材零件，成形零件和鍛造產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)。模具加工技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。其中，H13鋼做為一種熱作模具鋼，廣泛應(yīng)用于熱模鍛，熱擠壓模和有色金屬壓鑄模。但由于工況條件惡劣，H13鋼容易在表面處發(fā)生失效。為了提高模具的壽命和質(zhì)量，降低成本，國內(nèi)外發(fā)展了多種表面改性工藝技術(shù)來綜合提高其表面的硬度、耐磨性、強度、韌性和耐蝕性。其中PVD涂層技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛同時也是最有價值的一類表面技術(shù)，在近二三十年來獲得了的迅速發(fā)展。

目前，應(yīng)用最廣泛的PVD硬質(zhì)涂層主要是CrN及TiN為代表的二元涂層。但是，由于工況的復(fù)雜性，這些二元涂層并不能完全滿足使用需求。而現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的三元、四元等多元硬質(zhì)涂層，通過添加一些金屬元素（如Al、W、Zr、V、Mo等）到氮化物涂層中來增加涂層性能，但還是不能滿足市場需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明的第一個目的是提供一種多層薄膜的制備方法，從而進一步增加多層薄膜的種類，優(yōu)化市場。

為此采用如下的技術(shù)方案：

一種多層薄膜的制備方法，其特征在于：所述多層薄膜以H13為基體，在基體上經(jīng)過非平衡離子濺射鍍膜工藝依序沉積Cr結(jié)合層、CrN過渡層和CrMoAlN功能層；具體制備步驟如下：

步驟（1）打開非平衡濺射離子鍍設(shè)備，開機預(yù)熱，冷卻通水，先后打開機械泵和分子泵，抽真空至1.0×10^-4Pa;

步驟（2）通入氬氣，調(diào)節(jié)氣瓶閥門和流量計，調(diào)整真空腔內(nèi)氣體，使磁控靶放電起輝；

步驟（3）基體表面等離子清洗：基體偏壓調(diào)整為-450V，用Ar離子轟擊基體表面，除去基體表面雜質(zhì)，清洗20min;

步驟（4）基體偏壓調(diào)整為-100V，同時開啟兩個Cr靶，靶電流設(shè)置為4A，沉積一層純金屬Cr層打底；

步驟（5）基體偏壓調(diào)整為-75V，通入氮氣，沉積CrN過渡層，通過OEM系統(tǒng)控制氮氣流量，使靶材濺射的Cr原子數(shù)目逐漸減少，涂層中的N含量逐漸增加；

步驟（6）開啟Al靶和Mo靶，Al靶電流逐步增加至6A，Mo靶電流增加至指定數(shù)值，四靶全部處于開啟狀態(tài)，開始沉積CrMoAlN功能層60min，即可獲得Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜；

步驟（7）鍍層完成并冷卻后，鍍膜室放氣，取樣并抽真空；

最終制得Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜，所述Cr結(jié)合層厚度為0.2~0.4μm ；所述CrN過渡層厚度為1.0~1.2μm；所述CrMoAlN功能層厚度為2.2~2.4μm；所述涂層總厚度為3.4~4μm。

本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種多層薄膜結(jié)合性能評價的方法，從而準(zhǔn)確高效地判斷出目標(biāo)產(chǎn)品的薄膜結(jié)合性能。

為此采用如下的技術(shù)方案：

一種多層薄膜結(jié)合性能評價的方法，其特征在于所述方法按如下步驟進行：

步驟A）由H13基體經(jīng)過非平衡離子濺射鍍膜工藝分別沉積Cr結(jié)合層、CrN過渡層和CrMoAlN功能層制得Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜；

設(shè)置設(shè)備參數(shù)為：Cr靶電流4A，Al靶電流6A, Mo靶電流設(shè)定在0~6A,偏壓-75V，Cr結(jié)合層沉積360s，CrN過渡層沉積600s，CrMoAlN功能層沉積3600s；

制得Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜，所述Cr結(jié)合層厚度為0.2~0.4μm ；所述CrN過渡層厚度為1.0~1.2μm；所述CrMoAlN功能層厚度為2.2~2.4μm；所述涂層總厚度為3.4~4μm；

步驟B）取步驟A）所制備的Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜經(jīng)過多功能劃痕儀進行劃痕實驗；其中：最大載荷為30N，加載速率為30mN/s，劃痕長度為1mm；

步驟C）取步驟A）所制備的Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜經(jīng)過激光共聚焦掃描顯微鏡獲得薄膜表面劃痕形貌評估其結(jié)合性能。

通過本發(fā)明的技術(shù)方案，能夠獲得一種Cr-CrN-CrMoAlN梯度功能硬質(zhì)薄膜，本發(fā)明在CrN的基礎(chǔ)上添加了Al、Mo兩種元素形成四元硬質(zhì)氮化物涂層，并提供一種薄膜結(jié)合性能評價的方法，針對于不同Mo靶電流的CrMoAlN涂層的組織結(jié)構(gòu)和結(jié)合性能。其中，結(jié)合性能采用劃痕法來表征。此法原理簡單，并且較為直觀，因此可以被廣泛使用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在：

所制備的Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜呈梯度結(jié)構(gòu)，其中Cr層打底提高薄膜的結(jié)合性；CrN作為過渡層加強薄膜的承載力；CrMoAlN作為功能層能夠提高薄膜的耐高溫及耐摩擦性能。同時，本發(fā)明采用劃痕法進一步表征由于Mo含量不同導(dǎo)致薄膜的結(jié)合性能上的差別，明確了該薄膜對Mo含量的要求，進一步優(yōu)化Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜性能。

附圖說明

圖1為Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 A~D分別為實施例一至四薄膜的表面形貌圖。

圖3為實施例一的劃痕形貌圖。

圖4為實施例二的劃痕形貌圖。

圖5為實施例三的劃痕形貌圖。

圖6為實施例四的劃痕形貌圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行進一步描述，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限于此：

實施例一：

步驟（1）打開Teer-UDP650/4型閉合場非平衡濺射離子鍍設(shè)備預(yù)熱，冷卻通水，先后打開機械泵和分子泵，抽真空至1.0×10^-4Pa;

步驟（2）通入氬氣，調(diào)節(jié)氣瓶閥門和流量計，調(diào)整真空腔內(nèi)氣體，使磁控靶放電起輝；

步驟（3）基體表面等離子清洗：基體偏壓調(diào)整為-450V，用Ar離子轟擊基體表面，除去基體表面雜質(zhì)，清洗20min;

步驟（4）基體偏壓調(diào)整為-100V，同時開啟兩個Cr靶，靶電流設(shè)置為4A，沉積一層純金屬Cr層打底，沉積360s。

步驟（5）基體偏壓調(diào)整為-75V，通入氮氣，沉積CrN過渡層，通過OEM系統(tǒng)控制氮氣流量，使靶材濺射的Cr原子數(shù)目逐漸減少，涂層中的N含量逐漸增加，沉積600s；

步驟（6）開啟Al靶，Al靶電流逐步增加至6A，三靶處于開啟狀態(tài)，Mo靶處于關(guān)閉狀態(tài)（即Mo靶電流為0A）。開始沉積CrMoAlN功能層60min，獲得Cr-CrN-CrAlN多層薄膜。

步驟（7）鍍層完成并冷卻后，鍍膜室放氣，取樣并抽真空。

最終制得Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜如圖1所示，多層薄膜以H13為基體1，所述Cr結(jié)合層2厚度為0.2~0.4μm ；所述CrN過渡層3厚度為1.0~1.2μm；所述CrMoAlN功能層4厚度為2.2~2.4μm；所述涂層總厚度為3.4~4μm。

根據(jù)步驟（1）~（7）獲得Mo靶電流為0A的Cr-CrN-CrAlN多層薄膜，其表面形貌如圖2中A所示。由圖可知該薄膜表面形貌呈較粗大的顆粒狀。組織較為平順，具有一定的力學(xué)性能。圖3是該薄膜的表面劃痕形貌圖。由此可知在不含Mo元素的情況下，薄膜裂紋開裂早并且有大量脫落現(xiàn)象。由此可知該薄膜結(jié)合性能較差。

實施例二：

步驟（1）打開Teer-UDP650/4型閉合場非平衡濺射離子鍍設(shè)備預(yù)熱，冷卻通水，先后打開機械泵和分子泵，抽真空至1.0×10^-4Pa;

步驟（2）通入氬氣，調(diào)節(jié)氣瓶閥門和流量計，調(diào)整真空腔內(nèi)氣體，使磁控靶放電起輝；

步驟（3）基體表面等離子清洗：基體偏壓調(diào)整為-450V，用Ar離子轟擊基體表面，除去基體表面雜質(zhì)，清洗20min;

步驟（4）基體偏壓調(diào)整為-100V，同時開啟兩個Cr靶，靶電流設(shè)置為4A，沉積一層純金屬Cr層打底，沉積360s。

步驟（5）基體偏壓調(diào)整為-75V，通入氮氣，沉積CrN過渡層，通過OEM系統(tǒng)控制氮氣流量，使靶材濺射的Cr原子數(shù)目逐漸減少，涂層中的N含量逐漸增加，沉積600s；

步驟（6）開啟Al靶和Mo靶，Al靶電流逐步增加至6A，Mo靶電流逐步增加至2A，四靶處于開啟狀態(tài)。開始沉積CrMoAlN功能層60min，獲得Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜。

步驟（7）鍍層完成并冷卻后，鍍膜室放氣，取樣并抽真空。

根據(jù)步驟（1）~（7）將獲得的Mo靶電流為2A時的Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜，其表面形貌如圖2中B所示。由圖可知，該薄膜表面晶體顆粒較圖2A有縮小，表面較緊密，具有較好的力學(xué)性能。圖4是該薄膜的表面劃痕形貌圖。由此知，在Mo靶電流為2A時，由于Mo元素的少量加入使得薄膜表面的裂紋和脫落現(xiàn)象有所緩解，但依舊明顯。因此Mo元素對于薄膜結(jié)合性能的改善有一定作用。

實施例三：

步驟（1）打開Teer-UDP650/4型閉合場非平衡濺射離子鍍設(shè)備預(yù)熱，冷卻通水，先后打開機械泵和分子泵，抽真空至1.0×10^-4Pa;

步驟（2）通入氬氣，調(diào)節(jié)氣瓶閥門和流量計，調(diào)整真空腔內(nèi)氣體，使磁控靶放電起輝；

步驟（3）基體表面等離子清洗：基體偏壓調(diào)整為-450V，用Ar離子轟擊基體表面，除去基體表面雜質(zhì)，清洗20min;

步驟（4）基體偏壓調(diào)整為-100V，同時開啟兩個Cr靶，靶電流設(shè)置為4A，沉積一層純金屬Cr層打底，沉積360s。

步驟（5）基體偏壓調(diào)整為-75V，通入氮氣，沉積CrN過渡層，通過OEM系統(tǒng)控制氮氣流量，使靶材濺射的Cr原子數(shù)目逐漸減少，涂層中的N含量逐漸增加，沉積600s；

步驟（6）開啟Al靶和Mo靶，Al靶電流逐步增加至6A，Mo靶電流逐步增加至4A，四靶處于開啟狀態(tài)。開始沉積CrMoAlN功能層60min，獲得Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜。

步驟（7）鍍層完成并冷卻后，鍍膜室放氣，取樣并抽真空。

根據(jù)步驟（1）~（7）獲得Mo靶電流為4A時的Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜，其表面形貌如圖2中C所示。此時，隨著Mo含量的增加，薄膜表面晶粒更加緊致，尺寸更小，具有良好的力學(xué)性能。圖5為Mo靶電流為4A時的Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜表面劃痕形貌。此時，裂紋和脫落現(xiàn)象都有明顯減少，且薄膜失效時間也大大延后。這說明Mo含量的提高大大增加了薄膜的結(jié)合性能。

實施例四：

步驟（1）打開Teer-UDP650/4型閉合場非平衡濺射離子鍍設(shè)備預(yù)熱，冷卻通水，先后打開機械泵和分子泵，抽真空至1.0×10^-4Pa;

步驟（2）通入氬氣，調(diào)節(jié)氣瓶閥門和流量計，調(diào)整真空腔內(nèi)氣體，使磁控靶放電起輝；

步驟（3）基體表面等離子清洗：基體偏壓調(diào)整為-450V，用Ar離子轟擊基體表面，除去基體表面雜質(zhì)，清洗20min;

步驟（4）基體偏壓調(diào)整為-100V，同時開啟兩個Cr靶，靶電流設(shè)置為4A，沉積一層純金屬Cr層打底，沉積360s。

步驟（5）基體偏壓調(diào)整為-75V，通入氮氣，沉積CrN過渡層，通過OEM系統(tǒng)控制氮氣流量，使靶材濺射的Cr原子數(shù)目逐漸減少，涂層中的N含量逐漸增加，沉積600s；

步驟（6）開啟Al靶和Mo靶，Al靶電流逐步增加至6A，Mo靶電流逐步增加至6A，四靶處于開啟狀態(tài)。開始沉積CrMoAlN功能層60min，獲得Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜。

步驟（7）鍍層完成并冷卻后，鍍膜室放氣，取樣并抽真空。

根據(jù)步驟（1）~（7）獲得Mo靶電流為6A時的Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜，其表面形貌如圖2中D所示。此時，薄膜表面晶粒最緊密細(xì)致缺陷更少，具有很好的力學(xué)性能。圖6為Mo靶電流為6A時的Cr-CrN-CrMoAlN多層薄膜表面劃痕形貌。此時，裂紋大量被抑制，并且脫落現(xiàn)象基本不存在。這說明薄膜在Mo含量成分較大的情況下，其結(jié)合性能表現(xiàn)最為優(yōu)異。