一种多层薄膜的制备及其结合性能评价的方法与流程

本发明属于膜材料领域，尤其涉及一种Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜制备及其结合性能评价的方法。

背景技术：

模具广泛应用于塑料零件，压铸零件，金属板材零件，成形零件和锻造产品的大规模生产。模具加工技术在现代工业生产中占有重要的地位。其中，H13钢做为一种热作模具钢，广泛应用于热模锻，热挤压模和有色金属压铸模。但由于工况条件恶劣，H13钢容易在表面处发生失效。为了提高模具的寿命和质量，降低成本，国内外发展了多种表面改性工艺技术来综合提高其表面的硬度、耐磨性、强度、韧性和耐蚀性。其中PVD涂层技术是目前应用最广泛同时也是最有价值的一类表面技术，在近二三十年来获得了的迅速发展。

目前，应用最广泛的PVD硬质涂层主要是CrN及TiN为代表的二元涂层。但是，由于工况的复杂性，这些二元涂层并不能完全满足使用需求。而现有技术中出现的三元、四元等多元硬质涂层，通过添加一些金属元素（如Al、W、Zr、V、Mo等）到氮化物涂层中来增加涂层性能，但还是不能满足市场需求。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的第一个目的是提供一种多层薄膜的制备方法，从而进一步增加多层薄膜的种类，优化市场。

为此采用如下的技术方案：

一种多层薄膜的制备方法，其特征在于：所述多层薄膜以H13为基体，在基体上经过非平衡离子溅射镀膜工艺依序沉积Cr结合层、CrN过渡层和CrMoAlN功能层；具体制备步骤如下：

步骤（1）打开非平衡溅射离子镀设备，开机预热，冷却通水，先后打开机械泵和分子泵，抽真空至1.0×10^-4Pa;

步骤（2）通入氩气，调节气瓶阀门和流量计，调整真空腔内气体，使磁控靶放电起辉；

步骤（3）基体表面等离子清洗：基体偏压调整为-450V，用Ar离子轰击基体表面，除去基体表面杂质，清洗20min;

步骤（4）基体偏压调整为-100V，同时开启两个Cr靶，靶电流设置为4A，沉积一层纯金属Cr层打底；

步骤（5）基体偏压调整为-75V，通入氮气，沉积CrN过渡层，通过OEM系统控制氮气流量，使靶材溅射的Cr原子数目逐渐减少，涂层中的N含量逐渐增加；

步骤（6）开启Al靶和Mo靶，Al靶电流逐步增加至6A，Mo靶电流增加至指定数值，四靶全部处于开启状态，开始沉积CrMoAlN功能层60min，即可获得Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜；

步骤（7）镀层完成并冷却后，镀膜室放气，取样并抽真空；

最终制得Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜，所述Cr结合层厚度为0.2~0.4μm ；所述CrN过渡层厚度为1.0~1.2μm；所述CrMoAlN功能层厚度为2.2~2.4μm；所述涂层总厚度为3.4~4μm。

本发明的另一个目的在于，提供一种多层薄膜结合性能评价的方法，从而准确高效地判断出目标产品的薄膜结合性能。

为此采用如下的技术方案：

一种多层薄膜结合性能评价的方法，其特征在于所述方法按如下步骤进行：

步骤A）由H13基体经过非平衡离子溅射镀膜工艺分别沉积Cr结合层、CrN过渡层和CrMoAlN功能层制得Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜；

设置设备参数为：Cr靶电流4A，Al靶电流6A, Mo靶电流设定在0~6A,偏压-75V，Cr结合层沉积360s，CrN过渡层沉积600s，CrMoAlN功能层沉积3600s；

制得Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜，所述Cr结合层厚度为0.2~0.4μm ；所述CrN过渡层厚度为1.0~1.2μm；所述CrMoAlN功能层厚度为2.2~2.4μm；所述涂层总厚度为3.4~4μm；

步骤B）取步骤A）所制备的Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜经过多功能划痕仪进行划痕实验；其中：最大载荷为30N，加载速率为30mN/s，划痕长度为1mm；

步骤C）取步骤A）所制备的Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜经过激光共聚焦扫描显微镜获得薄膜表面划痕形貌评估其结合性能。

通过本发明的技术方案，能够获得一种Cr-CrN-CrMoAlN梯度功能硬质薄膜，本发明在CrN的基础上添加了Al、Mo两种元素形成四元硬质氮化物涂层，并提供一种薄膜结合性能评价的方法，针对于不同Mo靶电流的CrMoAlN涂层的组织结构和结合性能。其中，结合性能采用划痕法来表征。此法原理简单，并且较为直观，因此可以被广泛使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：

所制备的Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜呈梯度结构，其中Cr层打底提高薄膜的结合性；CrN作为过渡层加强薄膜的承载力；CrMoAlN作为功能层能够提高薄膜的耐高温及耐摩擦性能。同时，本发明采用划痕法进一步表征由于Mo含量不同导致薄膜的结合性能上的差别，明确了该薄膜对Mo含量的要求，进一步优化Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜性能。

附图说明

图1为Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜结构示意图。

图2 A~D分别为实施例一至四薄膜的表面形貌图。

图3为实施例一的划痕形貌图。

图4为实施例二的划痕形貌图。

图5为实施例三的划痕形貌图。

图6为实施例四的划痕形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例一：

步骤（1）打开Teer-UDP650/4型闭合场非平衡溅射离子镀设备预热，冷却通水，先后打开机械泵和分子泵，抽真空至1.0×10^-4Pa;

步骤（2）通入氩气，调节气瓶阀门和流量计，调整真空腔内气体，使磁控靶放电起辉；

步骤（3）基体表面等离子清洗：基体偏压调整为-450V，用Ar离子轰击基体表面，除去基体表面杂质，清洗20min;

步骤（4）基体偏压调整为-100V，同时开启两个Cr靶，靶电流设置为4A，沉积一层纯金属Cr层打底，沉积360s。

步骤（5）基体偏压调整为-75V，通入氮气，沉积CrN过渡层，通过OEM系统控制氮气流量，使靶材溅射的Cr原子数目逐渐减少，涂层中的N含量逐渐增加，沉积600s；

步骤（6）开启Al靶，Al靶电流逐步增加至6A，三靶处于开启状态，Mo靶处于关闭状态（即Mo靶电流为0A）。开始沉积CrMoAlN功能层60min，获得Cr-CrN-CrAlN多层薄膜。

步骤（7）镀层完成并冷却后，镀膜室放气，取样并抽真空。

最终制得Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜如图1所示，多层薄膜以H13为基体1，所述Cr结合层2厚度为0.2~0.4μm ；所述CrN过渡层3厚度为1.0~1.2μm；所述CrMoAlN功能层4厚度为2.2~2.4μm；所述涂层总厚度为3.4~4μm。

根据步骤（1）~（7）获得Mo靶电流为0A的Cr-CrN-CrAlN多层薄膜，其表面形貌如图2中A所示。由图可知该薄膜表面形貌呈较粗大的颗粒状。组织较为平顺，具有一定的力学性能。图3是该薄膜的表面划痕形貌图。由此可知在不含Mo元素的情况下，薄膜裂纹开裂早并且有大量脱落现象。由此可知该薄膜结合性能较差。

实施例二：

步骤（1）打开Teer-UDP650/4型闭合场非平衡溅射离子镀设备预热，冷却通水，先后打开机械泵和分子泵，抽真空至1.0×10^-4Pa;

步骤（2）通入氩气，调节气瓶阀门和流量计，调整真空腔内气体，使磁控靶放电起辉；

步骤（3）基体表面等离子清洗：基体偏压调整为-450V，用Ar离子轰击基体表面，除去基体表面杂质，清洗20min;

步骤（4）基体偏压调整为-100V，同时开启两个Cr靶，靶电流设置为4A，沉积一层纯金属Cr层打底，沉积360s。

步骤（5）基体偏压调整为-75V，通入氮气，沉积CrN过渡层，通过OEM系统控制氮气流量，使靶材溅射的Cr原子数目逐渐减少，涂层中的N含量逐渐增加，沉积600s；

步骤（6）开启Al靶和Mo靶，Al靶电流逐步增加至6A，Mo靶电流逐步增加至2A，四靶处于开启状态。开始沉积CrMoAlN功能层60min，获得Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜。

步骤（7）镀层完成并冷却后，镀膜室放气，取样并抽真空。

根据步骤（1）~（7）将获得的Mo靶电流为2A时的Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜，其表面形貌如图2中B所示。由图可知，该薄膜表面晶体颗粒较图2A有缩小，表面较紧密，具有较好的力学性能。图4是该薄膜的表面划痕形貌图。由此知，在Mo靶电流为2A时，由于Mo元素的少量加入使得薄膜表面的裂纹和脱落现象有所缓解，但依旧明显。因此Mo元素对于薄膜结合性能的改善有一定作用。

实施例三：

步骤（1）打开Teer-UDP650/4型闭合场非平衡溅射离子镀设备预热，冷却通水，先后打开机械泵和分子泵，抽真空至1.0×10^-4Pa;

步骤（2）通入氩气，调节气瓶阀门和流量计，调整真空腔内气体，使磁控靶放电起辉；

步骤（3）基体表面等离子清洗：基体偏压调整为-450V，用Ar离子轰击基体表面，除去基体表面杂质，清洗20min;

步骤（4）基体偏压调整为-100V，同时开启两个Cr靶，靶电流设置为4A，沉积一层纯金属Cr层打底，沉积360s。

步骤（5）基体偏压调整为-75V，通入氮气，沉积CrN过渡层，通过OEM系统控制氮气流量，使靶材溅射的Cr原子数目逐渐减少，涂层中的N含量逐渐增加，沉积600s；

步骤（6）开启Al靶和Mo靶，Al靶电流逐步增加至6A，Mo靶电流逐步增加至4A，四靶处于开启状态。开始沉积CrMoAlN功能层60min，获得Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜。

步骤（7）镀层完成并冷却后，镀膜室放气，取样并抽真空。

根据步骤（1）~（7）获得Mo靶电流为4A时的Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜，其表面形貌如图2中C所示。此时，随着Mo含量的增加，薄膜表面晶粒更加紧致，尺寸更小，具有良好的力学性能。图5为Mo靶电流为4A时的Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜表面划痕形貌。此时，裂纹和脱落现象都有明显减少，且薄膜失效时间也大大延后。这说明Mo含量的提高大大增加了薄膜的结合性能。

实施例四：

步骤（1）打开Teer-UDP650/4型闭合场非平衡溅射离子镀设备预热，冷却通水，先后打开机械泵和分子泵，抽真空至1.0×10^-4Pa;

步骤（2）通入氩气，调节气瓶阀门和流量计，调整真空腔内气体，使磁控靶放电起辉；

步骤（3）基体表面等离子清洗：基体偏压调整为-450V，用Ar离子轰击基体表面，除去基体表面杂质，清洗20min;

步骤（4）基体偏压调整为-100V，同时开启两个Cr靶，靶电流设置为4A，沉积一层纯金属Cr层打底，沉积360s。

步骤（5）基体偏压调整为-75V，通入氮气，沉积CrN过渡层，通过OEM系统控制氮气流量，使靶材溅射的Cr原子数目逐渐减少，涂层中的N含量逐渐增加，沉积600s；

步骤（6）开启Al靶和Mo靶，Al靶电流逐步增加至6A，Mo靶电流逐步增加至6A，四靶处于开启状态。开始沉积CrMoAlN功能层60min，获得Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜。

步骤（7）镀层完成并冷却后，镀膜室放气，取样并抽真空。

根据步骤（1）~（7）获得Mo靶电流为6A时的Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜，其表面形貌如图2中D所示。此时，薄膜表面晶粒最紧密细致缺陷更少，具有很好的力学性能。图6为Mo靶电流为6A时的Cr-CrN-CrMoAlN多层薄膜表面划痕形貌。此时，裂纹大量被抑制，并且脱落现象基本不存在。这说明薄膜在Mo含量成分较大的情况下，其结合性能表现最为优异。