[发明专利]一种氯化铵助渗的Cr/氮化复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氯化铵助渗的Cr/氮化复合涂层及其制备方法，所述复合涂层由外至内依次包括表面镀Cr的CrNx硬化层、次表层扩散层、心部的基体；所述的CrNx硬化层主要由面心立方结构的CrNx相组成；所述的次表层扩散层主要由含氮过饱和的α‑Fe相、碳化物、纳米级合金氮化物和针状或带状γ′‑Fe₄N相组成；所述的基体主要由α‑Fe相和碳化物组成。本发明相比现有技术具有以下优点：本发明中的涂层使用氯化铵助渗的方法去除Cr层表面致密钝化膜，后续渗氮处理使得Cr层转变成硬度更高、耐磨性更高、断裂韧性更强、抗腐蚀性能更好的CrNx层。同时，活性氮原子由表层向心部扩散，复合涂层横截面成分和结构呈现梯度变化，改善界面应力集中情况，改善复合涂层界面结合力。

技术领域

本发明涉及一种复合涂层，尤其涉及的是一种氯化铵助渗的Cr/氮化复合涂层及其制备方法。

背景技术

随现代航天航空、汽车轻量化等行业技术的发展，越来越多的产品采用铝、镁等轻质合金来代替钢铁材料。因此，铝、镁等合金的热加工技术极其重要，例如：注塑、压铸、热挤压等。铝、镁等合金热加工过程中，被加工金属与模具直接接触，接触面温度可达300℃～800℃，高温下金属和模具接触面存在元素扩散及界面反应，生产金属间化合物物，导致被加工金属与模具粘结，造成粘附磨损和磨粒磨损，加速模具失效，例如：Fe与Al反应生产Fe₃Al、FeAl、FeAl₂或FeAl₃等脆性金属间化合物。铝、镁等合金热加工对模具表面提出高耐磨性、化学稳定性及热稳定性的需求；另外，模具长期承受冷热交替工况，其对模具表面提出了高抗疲劳性能的要求。此外，模具表面和心部的性能要求是不同的，很难通过材料本身或模具的整体热处理来实现。因此，热作模具表面处理技术备受模具行业关注。

目前，热模具钢主流表面处理技术为渗氮或氮碳共渗。热作模具钢渗氮或氮碳共渗过程中，模具钢表面形成一定厚度的、含氮过饱和的回火马氏体组织，其具有较高的硬度、耐磨性及抗疲劳性能。尽管如此，生产中经常发模具表面粘附有一些铝合金颗粒，造成模具发生粘附磨损及磨粒磨损。其主要原因是Fe与Al在一定温度下形成FeAl金属间化合物，例如：Fe₃Al、FeAl、FeAl₂或FeAl₃等。可见，通过渗氮或氮碳共渗处理对热作模具表面性能的提高有限。

物理气相沉积(PVD)CrN金属陶瓷涂层因其高硬度、高耐磨性、高热稳定性及化学惰性而备受关注，在冷加工模具、刀具等行业中得到广泛应用。因此，有部分工作者将PVD沉积CrN涂层技术套用在热作模具钢上，但其作用有限。Al在CrN中具有很高的固溶度，容易导致粘附磨损。此外，PVD涂层内应力大，涂层厚度有限(通常小于5μm)，涂层与基体结合力较低。上述缺点导致PVD涂层无法满足铝、镁等合金热加工过程中对模具涂层提出的高耐磨性、高承载能力、高断裂韧性、高抗热疲劳等性能的要求。

镀Cr层具有高硬度、耐磨、稳定等特点而在工业生产中得到广泛的应用。镀Cr层厚度能控制在1.0mm以内，硬度400～900HV之间。镀Cr层中间隙固溶少量的氢，导致晶格膨胀，起固溶强化作用。当使用温度高达500℃时，固溶氢析出，涂层硬度降低500HV或甚至更低硬度。将镀Cr层直接进行渗氮处理难以获得高性能的CrNx层，主要原因是Cr表面容易形成致密的钝化膜，阻碍活性氮原子向镀Cr层扩散。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：现有的渗氮或氮碳共渗处理会造成模具发生粘附磨损及磨粒磨损，PVD沉积CrN涂层技术套用在热作模具钢上容易导致粘附磨损，且涂层与基体结合力较低，而镀Cr层析出的固溶氢会使得涂层硬度降低，提供了一种氯化铵助渗的Cr/氮化复合涂层及其制备方法。