在H13 鋼離子氮化基體上沉積TiAlN 鍍層，在其表面形成滲鍍復(fù)合層，研究滲氮基體不同表面預(yù)處理對(duì)滲/鍍復(fù)合層微觀形貌及承載能力的影響。用壓痕和劃痕試驗(yàn)綜合檢測(cè)膜基體系的承載能力，用掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡觀測(cè)滲鍍層厚度、表面和截面形貌。結(jié)果表明: H13 鋼滲氮處理后的表面拋光預(yù)處理有助于之后鍍膜生長(zhǎng)的鍍層結(jié)構(gòu)致密，滲氮引起的表面疏松層使得鍍層的表面缺陷增多、晶柱露頭尺寸不均勻。H13 鋼滲氮表層形成的高硬度和平緩的硬度梯度，能有效地抑制壓入承載時(shí)鍍層的開裂剝落失效。滲氮基體表面未經(jīng)拋光去除疏松層預(yù)處理的試樣，劃擦?xí)r鍍層易產(chǎn)生剝落失效，抗劃擦能力下降。

　　熱作模具在生產(chǎn)服役過(guò)程中常需要承受高溫和高載荷的作用，模具會(huì)發(fā)生變形、開裂、熱蝕、熱磨損及熱疲勞等失效。熱作模具的失效大多始于模具表面，科學(xué)研究和工程實(shí)踐都證明表面處理是提高熱作模具使用壽命的有效技術(shù)途徑之一。

　　H13 鋼是一種工程上常用的熱作模具鋼，已有較多研究涉及在H13 鋼表面沉積鍍覆硬質(zhì)鍍層，或者利用滲鍍復(fù)合處理技術(shù)提高H13 鋼作為熱作模具材料使用的綜合性能。雖然單一的硬質(zhì)鍍層在一定程度上可以改善H13 鋼的耐磨損、耐高溫、抗熱疲勞性能，但是由于基體與硬質(zhì)鍍層間結(jié)合問(wèn)題始終是膜基體系的薄弱環(huán)節(jié)，特別是在實(shí)際生產(chǎn)高溫/高載條件下，基體很難給予鍍層足夠的支撐，因此極易發(fā)生早期開裂及脫落失效。滲鍍復(fù)合處理時(shí)，鍍前的滲氮處理提高了基體硬度，如果在較高硬度的滲層基礎(chǔ)上仍能保證鍍層的優(yōu)異結(jié)合強(qiáng)度，則可以充分發(fā)揮滲層基體對(duì)鍍層的支撐能力，從而提高了鍍層的承載能力及其使用壽命。另一方面，滲氮層的結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)改善復(fù)合層結(jié)構(gòu)性能起到了重要的作用。

　　為提高滲層基礎(chǔ)上鍍層的結(jié)合強(qiáng)度，滲鍍復(fù)合工藝中鍍膜前一般需要對(duì)滲氮后的基體表面進(jìn)行必要的過(guò)渡處理，這些處理會(huì)有會(huì)使得復(fù)合層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響滲/鍍復(fù)合層的綜合性能。因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為有必要詳細(xì)研究滲氮層的表面過(guò)渡處理對(duì)復(fù)合層微觀結(jié)構(gòu)和綜合性能的影響。

　　關(guān)于滲/鍍復(fù)合處理層的綜合性能的評(píng)價(jià)，可以簡(jiǎn)單地借鑒鍍層的綜合性能評(píng)價(jià)方法，即通過(guò)測(cè)試鍍層的硬度、膜基結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性等，做出某一鍍層性能的定性或半定量的判斷。本文提出用“承載能力”性能指標(biāo)來(lái)判定評(píng)價(jià)滲/鍍復(fù)合層的綜合性能，具體內(nèi)容就是指在一定載荷下，用一定幾何形狀的壓入或劃擦復(fù)合處理層，根據(jù)開裂和剝落的情況，半定量地判定復(fù)合處理層的綜合性能，因此本文中的“承載能力”可以定義為材料表層抵抗壓入和劃擦的綜合能力。

1、實(shí)驗(yàn)材料與方法

　　基體材料選用熱處理后的AISI H13 鋼，硬度48-52HRC�；�體表面用金相砂紙預(yù)磨后再用粒度5μm 的金剛石研磨劑拋光，隨后丙酮超聲波洗30min 后熱風(fēng)吹干。處理后H13 鋼試樣的離子氮化工藝參數(shù)如下：氮化溫度為460℃，氮化氣體為NH3，氣體流量為1 L /min，爐內(nèi)氣壓270 Pa，氮化時(shí)間為8 h。離子氮化總深度約為150 μm，表面化合物層厚度大約6.5 μm。

　　滲氮后的試樣表面設(shè)計(jì)了兩種過(guò)渡處理狀態(tài)，一是拋光去除滲氮形成的化合物層表面的粗糙疏松層，二是拋光去除全部化合物層，過(guò)渡處理是1000號(hào)金相砂紙打磨后拋光。選取表1 所示的4 種不同的基體試樣進(jìn)行鍍膜。鍍膜采用英國(guó)TEER 公司生產(chǎn)的UDP-650 /4 型閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍膜設(shè)備，TiAlN 鍍層工藝如下：真空度為4 × 10 ^-3 Pa，分別選用純度為99. 9% 的Ti 靶和含Al70% 的TiAl合金靶各兩塊( 145 mm × 345 mm × 8 mm) 。濺射氣體為純度99. 999%的Ar 氣，流量為30 mL /min。鍍層的制備是先在基體表面鍍一層Ti 金屬層，之后逐漸通入N2鍍TiN 層，最后鍍TiAlN 層。鍍膜過(guò)程中的N2流量是通過(guò)檢測(cè)靶表面的濺射離子光強(qiáng)(OEM) 進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋控制。

　　采用Hitachi S-4800 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM) 觀測(cè)鍍層厚度、表面和截面微觀形貌。在MH-5 數(shù)字顯微硬度計(jì)上試樣的表面顯微硬度( 載荷分別為100，25，10 g) 和截面顯微硬度分布( 載荷100 g) 。采用壓痕實(shí)驗(yàn)和劃痕實(shí)驗(yàn)綜合檢測(cè)膜基體系的承載能力，壓痕試驗(yàn)采用HRD-150 電動(dòng)洛氏硬度計(jì)，壓頭為Rockwell-C 金剛石圓錐壓頭，壓入載荷為1470 N，在試樣邊緣和中間各壓入一個(gè)點(diǎn)；劃痕試驗(yàn)采用HT-5001 型劃痕試驗(yàn)儀，所用金剛石半球形壓頭半徑為200 μm，恒定載荷為40 N，劃痕長(zhǎng)度為3 mm，兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)；然后在SUNNY-XJZ 金相顯微鏡下放大100 倍觀察壓痕全貌并在400 倍下觀察壓痕邊緣局部開裂和剝落情況，判定其抵抗壓入的能力；同樣用金相顯微鏡觀察劃痕邊緣和槽底的開裂和剝落情況，判定其抵抗劃擦的能力，以判定不同滲鍍處理工藝對(duì)復(fù)合層承載能力的影響。

表1 四種不同膜基體系

3、結(jié)論

　　(1) H13鋼滲氮處理后的表面拋光預(yù)處理有助于之后鍍膜生長(zhǎng)的鍍層結(jié)構(gòu)致密，提高結(jié)合強(qiáng)度； 滲氮引起的表面疏松層可使鍍層的表面缺陷增多、晶柱露頭尺寸不均勻；

　　(2) 壓入載荷下，滲層通過(guò)改變壓頭下方基體表層的塑性變形區(qū)，來(lái)改善“硬鍍層/軟基體”間形變的不協(xié)調(diào)性，從而提高滲/鍍復(fù)合體系的抗壓入承載能力；

　　(3) 劃擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明滲氮基體表面未經(jīng)拋光去除疏松層預(yù)處理的試樣，鍍層易產(chǎn)生剝落失效，抗劃擦能力下降。