[发明专利]一种应用于热锻模具表面的氮化物硬质薄膜及其制备方法

说明书

本发明属于新材料技术领域，且公开了一种应用于热锻模具表面的氮化物硬质薄膜，该氮化物硬质薄膜Zr元素的原子百分比为5～55％，Cr元素的原子百分比为5～55％，N元素的原子百分比为35～51％。本发明所制备的氮化物硬质薄膜具有梯度结构，打底层Cr层能够有效提高硬质薄膜与热锻模具钢基体之间的结合强度，过渡层CrN能够起到减缓硬质薄膜与钢基体中硬度、弹性模量及热膨胀系数差异的作用，表层ZrCrN氮化物硬质薄膜为热锻模具在复杂工况下提供表面防护作用，采用ZrCr合金靶相比于采用纯Zr和纯Cr靶共沉积方式，更有利于工艺稳定并扩大元素调节范围。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体为一种应用于热锻模具表面的氮化物硬质薄膜及其制备方法。

背景技术

热锻模具钢作为一种典型的热作模具钢，其工作情况十分恶劣，这主要是由于其工作时需要同时承受机械载荷与热负荷的考验，其中机械载荷主要以冲击力与摩擦力为主，热负荷主要以交替加热和冷却为主。在这种恶劣的工作条件下，热锻模具钢表面时常会发生磨损失效与热疲劳失效等失效方式，这些失效方式会直接影响锻件表面的光洁度与模具寿命，使锻件质量稳定性下降，生产成本大幅增加。因此如何提高热锻模具钢使用寿命已成为热作模具行业中亟待解决的问题。

过渡族金属锆的氮化物薄膜具有硬度高，耐腐蚀以及抗磨损的特点，常温常压下ZrN的稳定结构是面心立方(FCC)氯化钠(NaCl)结构。向ZrN硬质薄膜内加入Al、Ti等金属元素形成ZrAlN、ZrTiN薄膜可进一步提高薄膜的硬度与抗磨损性能，而作为重要的过渡族金属，Cr元素不仅本身氮化物具有较高的力学性能和抗氧化性能，也常作为合金元素加入到其它过渡族金属氮化物中以提高薄膜的综合性能。但目前尚无研究单层ZrCrN硬质薄膜的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于热锻模具表面的氮化物硬质薄膜及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种应用于热锻模具表面的氮化物硬质薄膜，该氮化物硬质薄膜Zr元素的原子百分比为5～55％，Cr元素的原子百分比为5～55％，N元素的原子百分比为35～51％。

优选的，所述氮化物硬质薄膜的厚度为1～10μm，表面维氏硬度为Hv_0.052100～3500。

本申请还提出了一种应用于热锻模具表面的氮化物硬质薄膜制备方法，具体操作步骤如下：

1)对热锻模具表面进行打磨、抛光处理，之后进行超声波清洗后吹干；

2)将金属ZrCr靶与金属Cr靶置于多弧离子镀设备真空腔内的弧靶阴极上，将热锻模具装入工装内并置于镀膜真空腔中转架上；

3)向真空腔室内通入氩气并对热锻模具表面进行辉光清洗；

4)向多弧离子镀设备真空室内通入氩气和氮气，引燃Cr靶电弧，制备Cr/CrN过渡层；

5)向多弧离子镀设备真空腔室内通入氩气与氮气的混合气体，引燃ZrCr靶电弧，得到ZrCrN硬质薄膜。

本发明所制得的氮化物硬质薄膜，打底层与过渡层的引入使得整体薄膜的硬度梯度与热膨胀系数梯度较缓，有效解决了薄膜与基体硬度与热膨胀系数不匹配的问题，位于最上面的ZrCrN硬质薄膜则大幅提高了热锻模具基体的表面硬度，可在复杂工况下充分保护热锻模具钢表面，延长了热锻模具的使用寿命。

优选的，步骤2)中所用的CrZr合金靶中Cr和Zr两种元素原子百分比比例范围为10:90～90:10。

优选的，步骤3)中将多弧离子镀设备真空腔室内的真空度抽到5×10^-3Pa后，将待镀热锻模具表面进行辉光溅射清洗操作，工艺参数为：通入氩气，控制氩气气流量为200-600sccm，工作气压为1.0～2.0Pa，工件偏压范围为-300～-900V，辉光清洗时间持续5～30min。