一种氮化铬涂层的制备方法与流程

本发明属于金属材料表面沉积硬质涂层领域，具体涉及一种氮化铬(CrN)涂层的制备方法。

背景技术：
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目前，随着国家先进制造技术的发展，对传统的硬质合金或者高速钢刀具提出了越来越高的要求。以数控机床为代表的机加工技术正朝着高速、高精度、高可靠性等方向发展。数控刀具表面涂层技术，尤其是以CVD及PVD制备的以TiN为代表的涂层刀具在提高各种合金的加工效率过程中获得了广泛的应用，以及随后开发出TiC、TiCN、TiAlN、AlTiN、CrAlN等涂层被开发出来并获得实际应用。但是因为切削过程中的高温对涂层的氧化、切屑对涂层的粘着磨损以及涂层本身的脆性问题，上述合金的加工难题并未得到彻底解决。例如，TiAlN涂层具有高硬度及良好的抗高温氧化性能，明显提高了加工效率及刀具使用寿命，但其较高的脆性及摩擦系数，限制了TiAlN等涂层在高速、干切削及难切削合金等材料的应用，还限制了其在高精度模具及其它耐磨减摩工件涂层方面的实际应用。与在以上涂层相比，CrN涂层由于具有较低的摩擦系数、与合金基体较好的结合力、较高的韧性及耐腐蚀性等特点，广泛应用于汽车活塞环、模具等大量耐磨构件上。但由于CrN涂层的硬度偏低，一般为HV1600～HV2000，不利于其耐磨性的提高，在对硬度更高需求时则显得力不从心。

如何在不增加摩擦系数的基础上进一步提高硬度，成为目前CrN涂层面临的首要问题。尽管后来发展了多元涂层如CrAlN及多层涂层如Cr/CrN，但由于成本增加或工艺复杂性，从经济上考虑仍存在一定问题。

因此，制备一种能具有较高硬度与高韧性且具有较低摩擦系数的CrN涂层，对进一步提高工模具性能及使用寿命十分必要。

技术实现要素：

针对现有涂层材料体系的不足，本发明的目的是提供一种具有较高硬度的CrN涂层的制备方法，获得具有较高硬度与高韧性且具有较低摩擦系数的CrN涂层。

本发明的技术方案为：

一种氮化铬涂层的制备方法，在电弧离子镀膜过程中，在阴极Cr靶外侧施加一个轴向磁场线圈，使其产生的轴向磁场对弧斑进行约束控制，加速弧斑运动速度，在基体表面沉积高质量CrN涂层。

所述的氮化铬涂层的制备方法，利用电弧离子镀装置沉积涂层，其具体过程为：将待镀工件清洗干燥后放入电弧离子镀沉积装置的真空室中，抽真空至真空室内真空度达到1×10^-3Pa～6×10^-3Pa时，同时开启阴极Cr弧，弧流控制在60～200A，工件施加偏压为-500～-1000V；对样品继续进行离子轰击1～5分钟；后调整基体偏压为-100～-600V范围，通入氩气，气压为0.1～1.0Pa，沉积Cr过渡层1～10分钟；后调节聚束磁场线圈电流为0.5～5A，磁感应强度范围为10～200高斯，通入氮气，调整气压为0.5～5.0Pa，基体偏压为-200～-600V；镀膜时间为30～120分钟；沉积结束后，迅速关闭阴极弧电源开关；关闭基体偏压；停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至80℃以下，镀膜过程结束，打开真空室，取出工件。

所述的氮化铬涂层的制备方法，所得CrN纳米复合涂层外观为银灰色，扫描电镜测试涂层的总厚度为1～5微米，纳米压痕测试涂层硬度为20～25GPa，声发射划痕仪测试涂层结合力为40～80N，摩擦系数为0.35～0.5。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是：

1、本发明是在工件表面形成由Cr膜形成的过渡层和CrN层构成的涂层，膜基结合力达到70N以上，涂层硬度达到HV2000以上。

2、与传统的电弧离子镀制备方法相比，本发明由于在靶材周围设置轴向磁场线圈以产生轴向磁场，该磁场可使得弧斑运动速度加快，不仅提高了靶材的离化率，而且镀膜过程中发光强度明显增加，说明也促进了氮气的离化，这就相当于形成了离子束辅助沉积，促进了涂层的致密化。

附图说明：

图1为本发明电弧离子镀膜装置示意图。其中，磁场由1个电磁线圈组成， 磁感应强度可通过线圈电流调节。

图中：1真空室；2工件台；3工件；4靶材；5电磁线圈；6电磁线圈支撑圆筒；7电磁线圈电源；8脉冲偏压电源；9工件台转轴。

具体实施方式：

如图1所示，本发明电弧离子镀膜装置主要包括：真空室1、工件台2、工件3、靶材4、电磁线圈5、电磁线圈支撑圆筒6、电磁线圈电源7、脉冲偏压电源8、工件台转轴9等，具体结构如下：

真空室1中的工件台2上设置工件3，靶材4(阴极Cr靶)外侧通过电磁线圈支撑圆筒6设置轴向电磁线圈5，电磁线圈电源7与电磁线圈5连接。脉冲偏压电源8的正极与真空室1外壁连接，脉冲偏压电源8的负极与工件台2底部的工件台转轴9连接。

在具体实施方式中，本发明通过在电弧离子镀膜过程中，在阴极Cr靶外侧施加一个轴向磁场线圈，使其产生的轴向磁场对弧斑进行约束控制，加速弧斑运动速度，在基体表面沉积高质量CrN涂层的目的，具体步骤如下：

(1)镀过渡层：采用高纯铬靶，当真空室内真空度达到1×10^-3Pa～6×10^-3Pa时，对真空室加热至300～500℃；同时开启阴极Cr弧，弧流控制在60～200A，工件施加偏压为-500～-1000V，对工件继续进行离子轰击1～5分钟；后调整基体偏压为-100～-600V范围，通入氩气，气压为0.1～1.0Pa，沉积Cr过渡层1～10分钟。

(2)镀CrN层：停氩气，通氮气，氮气流量控制在10～200sccm，设定气压为0.5～5Pa范围；对基体施加脉冲负偏压-200V～-600V；调节Cr靶电流为70～150A，同时调节轴向磁场线圈电流为0.5～5A，磁感应强度范围为10～200高斯，沉积时间为30～120分钟；

(3)沉积结束后，迅速停弧、停基体脉冲负偏压、停止通入气体，继续抽真空，工件随炉冷却至80℃以下，全部的涂层过程结束。

下面通过实施例对本发明进一步详细阐述。

实施例1

镀过渡层：基材采用高速钢(牌号为W18Cr4V)，试样尺寸为 20mm×10mm×10mm，镀膜面尺寸为20mm×10mm。镀膜前表面先经过研磨、抛光、超声清洗、干燥后，放入真空室样品台上，待真空室内真空度达到4×10^-3Pa时，对真空室加热至400℃，基体加脉冲负偏压-800V，同时开启铬靶弧源，弧流稳定在70A，对样品进行Cr离子轰击5分钟；调脉冲负偏压至-300V，通入氩气，气压为0.5Pa，沉积Cr膜3分钟；此后，进入镀CrN层沉积过程，首先停氩气通入氮气，调整气压为0.5Pa；调整基体脉冲负偏压为-400V，调整靶电流为80A，同时调节聚束磁场线圈电流为0.5A，磁感应强度范围为20高斯，沉积时间为60分钟；沉积结束后，迅速停弧、停基体脉冲负偏压、停止通入气体，继续抽真空，工件随炉冷却至80℃以下，镀层过程结束。

所得CrN纳米复合涂层外观为银灰色，扫描电镜测试涂层的总厚度为3.1微米；纳米压痕测试涂层硬度为21.6GPa，声发射划痕仪测试涂层结合力为72N，摩擦系数为0.42。

实施例2

基材采用304不锈钢，试样尺寸为20mm×10mm×10mm，镀膜面尺寸为20mm×10mm。镀膜前表面先经过研磨、抛光、超声清洗、干燥后，放入真空室样品台上，待真空室内真空度达到3×10^-3Pa时，对真空室加热至420℃，基体加脉冲负偏压-700V，同时开启铬靶弧源，弧流稳定在70A，对样品进行Cr离子轰击2分钟；调脉冲负偏压至-300V，通入氩气，气压为0.3Pa，沉积Cr膜2分钟；此后，进入镀CrN层沉积过程，首先停氩气通入氮气，调整气压为1.0Pa；调整基体脉冲负偏压为-300V，调整靶电流为90A，同时调节聚束磁场线圈电流为1.0A，磁感应强度范围为60高斯，沉积时间为40分钟；沉积结束后，迅速停弧、停基体脉冲负偏压、停止通入气体，继续抽真空，工件随炉冷却至80℃以下，镀层过程结束。

所得CrN纳米复合涂层外观为银灰色，扫描电镜测试涂层的总厚度为2.0微米；纳米压痕测试涂层硬度为22.9GPa，声发射划痕仪测试涂层结合力为67N，摩擦系数为0.45。

实施例3

基材采用高速钢(牌号为W6Mo5Cr4V2Al)，试样尺寸为20mm×10mm×10mm，镀膜面尺寸为20mm×10mm。镀膜前表面先经过研磨、抛 光、超声清洗、干燥后，放入真空室样品台上，待真空室内真空度达到3×10^-3Pa时，对真空室加热至400℃，基体加脉冲负偏压-600V，同时开启铬靶弧源，弧流稳定在70A，对样品进行Cr离子轰击3分钟；调脉冲负偏压至-300V，通入氩气，气压为0.8Pa，沉积Cr膜4分钟；此后，进入镀CrN层沉积过程，首先停氩气通入氮气，调整气压为2.0Pa；调整基体脉冲负偏压为-300V，调整靶电流为90A，同时调节聚束磁场线圈电流为2.0A，磁感应强度范围为100高斯，沉积时间为120分钟；沉积结束后，迅速停弧、停基体脉冲负偏压、停止通入气体，继续抽真空，工件随炉冷却至80℃以下，镀层过程结束。

所得CrN纳米复合涂层外观为银灰色，扫描电镜测试涂层的总厚度为6.2微米；纳米压痕测试涂层硬度为23.4GPa，声发射划痕仪测试涂层结合力为61N，摩擦系数为0.4。

实施例4

基材采用316L不锈钢，试样尺寸为20mm×10mm×10mm，镀膜面尺寸为20mm×10mm。镀膜前表面先经过研磨、抛光、超声清洗、干燥后，放入真空室样品台上，待真空室内真空度达到4×10^-3Pa时，对真空室加热至440℃，基体加脉冲负偏压-900V，同时开启铬靶弧源，弧流稳定在70A，对样品进行Cr离子轰击1分钟；调脉冲负偏压至-300V，通入氩气，气压为1.0Pa，沉积Cr膜5分钟；此后，进入镀CrN层沉积过程，首先停氩气通入氮气，调整气压为3.0Pa；调整基体脉冲负偏压为-300V，调整靶电流为100A，同时调节聚束磁场线圈电流为3.0A，磁感应强度范围为150高斯，沉积时间为60分钟；沉积结束后，迅速停弧、停基体脉冲负偏压、停止通入气体，继续抽真空，工件随炉冷却至80℃以下，镀层过程结束。

所得CrN纳米复合涂层外观为银灰色，扫描电镜测试涂层的总厚度为3.5微米；纳米压痕测试涂层硬度为22.1GPa，声发射划痕仪测试涂层结合力为57N，摩擦系数为0.44。