crn涂层对4cr5mosiv1热作模具钢表面性能的影响
【】本文采真空阴极电弧离子镀技术，通过一系列的实验，分别制备出三组涂覆CrN薄膜、表面渗氮处理、表面淬火处理的4Cr5MoSiV1热作模具钢标准试片。然后利用摩擦磨损实验仪、纳米压痕测试仪、蔡司显微镜、显微硬度计、划痕实验仪等实验仪器。对比了经过三种不同表面处理的热作模具钢试样的摩擦磨损性能、显微硬度。并且测量了CrN薄膜的厚度、纳米硬度、弹性模量、膜基结合力。结果表明1.渗氮处理后的试样摩擦系数相对较低，涂覆CrN薄膜后的试样摩擦系数相对较高。2.淬火试样的耐磨性最差；涂覆CrN薄膜试样的耐磨性最好。3.淬火试样的显微硬度最低；涂覆CrN薄膜试样的显微硬度最高。
目录
引言 1
（一）硬质薄膜及其应用 1
（二）PVD涂层的发展 1
（三）薄膜制备前的前处理工艺 2
（四）本课题的研究目的 3
一 实验 4
（一）实验方案 4
（二）实验仪器及参数 4
二 实验结果分析与讨论 10
（一）摩擦磨损实验 10
（二）显微硬度 10
（三）渗氮层深度 11
（四）CrN薄膜的纳米硬度和弹性模量 11
（五）CrN薄膜的厚度 12
（六）CrN薄膜的结合力 12
（七）CrN薄膜的表面形貌 12
总 结 16
参考文献 17
谢 辞 18
引言
多年以来，随着科学探索的深入以及工业技术的发展，机械制造行业也在蓬勃发展，作为机械制造业的重中之重，模具的设计和制造也随着这一高速发展的浪潮飞速进步着。模具作为制造业的基础，在材料成型和机械制造领域一直以来就扮演着重要的角色。人们在对模具的生产材料方面的研究，在模具设计方面的研究，以及在如何提高模具寿命方面的研究上投入了巨大的努力。以热锻模具为例，它是在高温情况下服役的。这就要求它具备较高的高温强度，还希望它拥有良好的耐高温腐蚀、抗高温氧化、抗高温腐蚀和磨损的能力。对在类似情况中工作的模具，它的耐高温强度要高、耐磨性要好、韧性也要尽可能高一些。普通的钢材很难同时满足这些要求，只能寻求其它途径来解决。比如说使用复合材料或者 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
在模具表面镀一层硬质薄膜。来满足人们对模具日益提高的表面性能要求[14]。
（一）硬质薄膜及其应用
薄膜的种类繁多，氮化物薄膜能够为人们大量利用，除了因为它有比较高的硬度、较高的强度、较强的抵抗氧化温度、超强的耐腐蚀特性以及比较低的摩擦系数之外。氮化物薄膜本身有着多种多样的比较优良的性能也是一个重要原因。一般而言，氮化物薄膜经常被人们涂覆在刀具、模具等等一些对表面硬度要求较高的工件的最外层，用来满足人们对提高刀具和模具的耐磨性、硬度等性能的要求[5]。在经过不断的实验以及大量的研究之后，人们渐渐掌握了氮化物薄膜经过不同的成分配比以及不同的涂覆工艺参数，可以满足到不同的光学性能和电学性能。这些研究结果，让人们开始关注氮化物薄膜在光学薄膜、电学薄膜、耐热薄膜、耐蚀薄膜、耐磨薄膜和装潢薄膜范畴的相关研究和应用。除此以外，相对比其他类型的薄膜，氮化物薄膜涂覆速率高、制备要求相对简单，便于被人为控制。一般为人们比较倾向选择它作为薄膜材料的使用。所以，我们常常会在各个领域看到氮化物薄膜的身影[67]。
（二）PVD涂层的发展
在种类如此繁多的硬质薄膜中，氮化物薄膜是一个比较常见的发展方向。氮化物硬质薄膜有很多被人们喜欢的优点，比如说：（1）相比于其它的薄膜材料，氮化物薄膜的硬度较高、熔点也高、弹性模量也比较好；（2）氮化物薄膜的抗氧化性能比较高、抗热震性能良好、热稳定性优异、摩擦系数相对比较低[8]。（3）氮化物薄膜涂覆速率高、制备要求相对简单，便于被人为控制。随着人们对磨具性能和使用模次的要求越来越高，氮化物薄膜优良的物理性能，人们越来越多的选择氮化物薄膜来提高模具表面性能。
TiN薄膜是最先被研制成功的氮化物硬质薄膜，并且也是最早投入生产的氮化物薄膜。TiN薄膜的硬度比较高，如果制作工艺选择合理、操作流程控制规范的话，那么制备出来的TiN薄膜，显微硬度可以达到2000HV，摩擦系数可以低于0.5。抗高温氧化温度可以超过600℃。TiN薄膜的热膨胀系数比高速钢稍高，耐腐蚀性比较高，抗高温氧化性也很高。作为切削铁金属、塑料成型模具和抗磨损工件的杰出选择，TiN薄膜被广
泛应用于各种刀具、模具配件。TiN薄膜涂覆在工件表面后呈现出的色泽是金色的，因此，TiN薄膜也被人们用于装饰薄膜的制作。
CrN薄膜是另一种氮化物硬质薄膜，它的制备方法与TiN薄膜大致相同，只是将Ti元素换成了Cr元素。CrN薄膜涂覆在工件表面后呈现出的色泽是金属色。在经过不断的实验以及大量的研究之后，人们渐渐发现相比于TiN薄膜，CrN薄膜的硬度略微偏低，显微硬度只有大约1800HV。CrN薄膜的摩擦系数和TiN薄膜相接近，也在0.5上下。但是，如果制作工艺选择合理、操作流程控制规范的话，那么制备出来的CrN薄膜的内应力很低,韧性也比TiN薄膜强出很多。耐高温腐蚀性能和耐磨损性也比TiN薄膜高出不少 [9]。在制备过程中对基体施加负偏压，那么制备出来的CrN薄膜类似非晶态。CrN薄膜的制备厚度可以达到比较高的水平，这取决于Cr与Fe元素的相似性使得，CrN薄膜在制备过程中容易与铁形成扩散层。制备出来的CrN薄膜和基体之间的结合力会很高，一般不容易剥落。CrN薄膜由于具有较高的涂覆速率,薄膜与基体材料之间的结合力高，同时生产相对便捷、易于控制等优点，被广泛的运用在各类表面性能要求相对较高的金属制品的表面改性当中。
（三）薄膜制备前的前处理工艺
零件在涂覆薄膜前，常常会有一些杂质附着在工件表面，例如氧化膜、灰尘、油污等等。这些物质必须彻底清除，如若不然，所涂覆薄膜的完整性被破坏，薄膜的结合力也随之下降，薄膜的力学性能也将受到影响。
1.抛光处理
用一些手段，令被加工物体表面粗糙度被降低的操作方法就是机械抛光。机械抛光的目的是为了使工件表面变得平滑。抛光过程中，工件的表面一般会经历塑性变形、摩擦磨损、切削等过程，这些过程会使工件表面的凸起部分被去除。抛光时，通常会较多的使用羊毛轮、砂纸、油石条等，以手工操作为主要作业方法，也可以采用电动式或者气动式的机械抛光机。对于表面质量要求高的工件，通常采用的超精研抛的手段来处理。
2.喷砂处理
喷砂是用压缩空气带动砂料，让砂料告诉喷射到工件的表面，令工件表面的杂质和突起被砂料的冲击力以及砂料与工件作用产生的摩擦力去除的方法。机加工过后工件表面的毛刺、高速切削后工件表面的高温氧化层以及焊接处理后焊缝处的熔渣等等，都可以通过喷砂的方法被去除。除了清除工件表面的杂质这个作用，喷砂还有助于提高薄膜和基材的结合力，因为喷砂过后的工件表面变得粗糙，使薄膜更容易附着其上[1415]。
目录
引言 1
（一）硬质薄膜及其应用 1
（二）PVD涂层的发展 1
（三）薄膜制备前的前处理工艺 2
（四）本课题的研究目的 3
一 实验 4
（一）实验方案 4
（二）实验仪器及参数 4
二 实验结果分析与讨论 10
（一）摩擦磨损实验 10
（二）显微硬度 10
（三）渗氮层深度 11
（四）CrN薄膜的纳米硬度和弹性模量 11
（五）CrN薄膜的厚度 12
（六）CrN薄膜的结合力 12
（七）CrN薄膜的表面形貌 12
总 结 16
参考文献 17
谢 辞 18
引言
多年以来，随着科学探索的深入以及工业技术的发展，机械制造行业也在蓬勃发展，作为机械制造业的重中之重，模具的设计和制造也随着这一高速发展的浪潮飞速进步着。模具作为制造业的基础，在材料成型和机械制造领域一直以来就扮演着重要的角色。人们在对模具的生产材料方面的研究，在模具设计方面的研究，以及在如何提高模具寿命方面的研究上投入了巨大的努力。以热锻模具为例，它是在高温情况下服役的。这就要求它具备较高的高温强度，还希望它拥有良好的耐高温腐蚀、抗高温氧化、抗高温腐蚀和磨损的能力。对在类似情况中工作的模具，它的耐高温强度要高、耐磨性要好、韧性也要尽可能高一些。普通的钢材很难同时满足这些要求，只能寻求其它途径来解决。比如说使用复合材料或者 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
在模具表面镀一层硬质薄膜。来满足人们对模具日益提高的表面性能要求[14]。
（一）硬质薄膜及其应用
薄膜的种类繁多，氮化物薄膜能够为人们大量利用，除了因为它有比较高的硬度、较高的强度、较强的抵抗氧化温度、超强的耐腐蚀特性以及比较低的摩擦系数之外。氮化物薄膜本身有着多种多样的比较优良的性能也是一个重要原因。一般而言，氮化物薄膜经常被人们涂覆在刀具、模具等等一些对表面硬度要求较高的工件的最外层，用来满足人们对提高刀具和模具的耐磨性、硬度等性能的要求[5]。在经过不断的实验以及大量的研究之后，人们渐渐掌握了氮化物薄膜经过不同的成分配比以及不同的涂覆工艺参数，可以满足到不同的光学性能和电学性能。这些研究结果，让人们开始关注氮化物薄膜在光学薄膜、电学薄膜、耐热薄膜、耐蚀薄膜、耐磨薄膜和装潢薄膜范畴的相关研究和应用。除此以外，相对比其他类型的薄膜，氮化物薄膜涂覆速率高、制备要求相对简单，便于被人为控制。一般为人们比较倾向选择它作为薄膜材料的使用。所以，我们常常会在各个领域看到氮化物薄膜的身影[67]。
（二）PVD涂层的发展
在种类如此繁多的硬质薄膜中，氮化物薄膜是一个比较常见的发展方向。氮化物硬质薄膜有很多被人们喜欢的优点，比如说：（1）相比于其它的薄膜材料，氮化物薄膜的硬度较高、熔点也高、弹性模量也比较好；（2）氮化物薄膜的抗氧化性能比较高、抗热震性能良好、热稳定性优异、摩擦系数相对比较低[8]。（3）氮化物薄膜涂覆速率高、制备要求相对简单，便于被人为控制。随着人们对磨具性能和使用模次的要求越来越高，氮化物薄膜优良的物理性能，人们越来越多的选择氮化物薄膜来提高模具表面性能。
TiN薄膜是最先被研制成功的氮化物硬质薄膜，并且也是最早投入生产的氮化物薄膜。TiN薄膜的硬度比较高，如果制作工艺选择合理、操作流程控制规范的话，那么制备出来的TiN薄膜，显微硬度可以达到2000HV，摩擦系数可以低于0.5。抗高温氧化温度可以超过600℃。TiN薄膜的热膨胀系数比高速钢稍高，耐腐蚀性比较高，抗高温氧化性也很高。作为切削铁金属、塑料成型模具和抗磨损工件的杰出选择，TiN薄膜被广
泛应用于各种刀具、模具配件。TiN薄膜涂覆在工件表面后呈现出的色泽是金色的，因此，TiN薄膜也被人们用于装饰薄膜的制作。
CrN薄膜是另一种氮化物硬质薄膜，它的制备方法与TiN薄膜大致相同，只是将Ti元素换成了Cr元素。CrN薄膜涂覆在工件表面后呈现出的色泽是金属色。在经过不断的实验以及大量的研究之后，人们渐渐发现相比于TiN薄膜，CrN薄膜的硬度略微偏低，显微硬度只有大约1800HV。CrN薄膜的摩擦系数和TiN薄膜相接近，也在0.5上下。但是，如果制作工艺选择合理、操作流程控制规范的话，那么制备出来的CrN薄膜的内应力很低,韧性也比TiN薄膜强出很多。耐高温腐蚀性能和耐磨损性也比TiN薄膜高出不少 [9]。在制备过程中对基体施加负偏压，那么制备出来的CrN薄膜类似非晶态。CrN薄膜的制备厚度可以达到比较高的水平，这取决于Cr与Fe元素的相似性使得，CrN薄膜在制备过程中容易与铁形成扩散层。制备出来的CrN薄膜和基体之间的结合力会很高，一般不容易剥落。CrN薄膜由于具有较高的涂覆速率,薄膜与基体材料之间的结合力高，同时生产相对便捷、易于控制等优点，被广泛的运用在各类表面性能要求相对较高的金属制品的表面改性当中。
（三）薄膜制备前的前处理工艺
零件在涂覆薄膜前，常常会有一些杂质附着在工件表面，例如氧化膜、灰尘、油污等等。这些物质必须彻底清除，如若不然，所涂覆薄膜的完整性被破坏，薄膜的结合力也随之下降，薄膜的力学性能也将受到影响。
1.抛光处理
用一些手段，令被加工物体表面粗糙度被降低的操作方法就是机械抛光。机械抛光的目的是为了使工件表面变得平滑。抛光过程中，工件的表面一般会经历塑性变形、摩擦磨损、切削等过程，这些过程会使工件表面的凸起部分被去除。抛光时，通常会较多的使用羊毛轮、砂纸、油石条等，以手工操作为主要作业方法，也可以采用电动式或者气动式的机械抛光机。对于表面质量要求高的工件，通常采用的超精研抛的手段来处理。
2.喷砂处理
喷砂是用压缩空气带动砂料，让砂料告诉喷射到工件的表面，令工件表面的杂质和突起被砂料的冲击力以及砂料与工件作用产生的摩擦力去除的方法。机加工过后工件表面的毛刺、高速切削后工件表面的高温氧化层以及焊接处理后焊缝处的熔渣等等，都可以通过喷砂的方法被去除。除了清除工件表面的杂质这个作用，喷砂还有助于提高薄膜和基材的结合力，因为喷砂过后的工件表面变得粗糙，使薄膜更容易附着其上[1415]。
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