渗氮 镀膜一炉成，大大提高刀模具寿命

点睛

1）离子渗氮和镀膜，一炉成是可行的。刀模具寿命可提高3-5倍。

2）氮化后、镀膜前的离子刻蚀非常关键。

3）快速氮化，高电流密度非常必要。要想招。

引言

利用物理气相沉积技术在刀模具材料表面制备的涂层，使刀模具具有高硬度、抗高温氧化、高耐磨性和低摩擦系数等性能，很大程度上提高了刀模具使用寿命。

PVD硬质膜，一般不是磨坏的。在实际应用中，膜层的开裂、剥落，一方面是因为膜-基界面处应力集中；另一方面是因为底层软，不能为膜层提供强有力的支撑，类似于“蛋壳效应”。离子渗氮+镀膜复合处理，既拥有膜层的高硬度和高耐磨性，又拥有氮化基体增强的承载性能；可以大大提高刀模具的综合性能和使用寿命，具有广泛的应用前景。

解析

澳大利亚的A.F. Rousseau团队在同一沉积室对高速钢钻头进行氮化和沉积TiAlN涂层复合处理。加工测试（切割速度和进给分别为35 m/min和0.125 mm/rev）结果表明：与未处理钻头相比，经过渗氮/镀膜复合处理的钻头寿命提高7倍；与仅涂层钻头相比，经过渗氮/镀膜复合处理的钻头寿命提高近3倍。相关成果以题为“Microstructural and Tribological Characterisation of a nitriding/TiAlN PVD coating duplex treatment applied to M2 High Speed Steel tools”发表在Surface & Coatings Technology上。

图1为复合涂层试样的横截面扫描电镜图像。从上往下分别为：工作层、过渡层和渗氮层。TiAlN涂层厚度为3.1μm，太厚效果可能不好，看来涂层厚度的选择也很重要。

图1. 复合涂层试样横截面扫描电镜图像。

从渗氮层截面硬度梯度可以得出，渗层厚度达到40μm（图2 (a)）。结合洛氏压痕形貌（图2 (b)插图），未氮化基体中存在明显的塑性变形，且压痕边缘分层明显；对于复合处理试样，压痕边缘生成径向裂纹。径向裂纹的产生对于在高速重载和剧烈摩擦磨损中的应用是不利的。文献中渗氮气氛为氢气、氮气、氩气（16: 66: 18），可能需要调整渗氮工艺（如：降低氮气含量比例）来降低渗层表面脆性。

图2. (a) 渗氮试样截面显微硬度梯度; (b) 仅TiAlN涂层和复合处理试样的洛氏压痕轮廓和形貌（插图）。

图3示出了经过不同处理的钻头寿命对比。与未处理钻头寿命相比，复合处理的钻头寿命提高7倍；而与仅涂层钻头寿命相比，复合处理的钻头寿命提高近3倍。图4(a)显示仅沉积TiAlN涂层的钻头，磨损面很大；而复合处理钻头的磨损面小很多，如图4(b)所示。

图3. 未处理、氮化、仅TiAlN涂层和复合处理的M2 HSS钻头寿命。

图4.(a)仅TiAlN涂层和(b)渗氮/TiAlN涂层复合处理钻头的横截面扫描电镜图像。

延伸

1）离子渗氮+镀膜可大大提高刀模具寿命。在同一真空室内完成快速渗氮和PVD涂层沉积，不浪费时间成本，并获得可观效果。

2）对表面光亮度要求较高的刀模具，粗糙的表面已不适用，可进行短时快速离子渗氮。而对于快速渗氮，高电流密度非常必要。

3）正如我们表面家的理念：加速学术与市场融合，推动表面技术行业发展。如果国内学术界和企业能够通力合作，加速“离子渗氮/PVD涂层”复合工艺的研发和商业化应用进程，这对于推动表面技术行业发展有着重要的意义。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.03.034

本文为所引文献赏析和随感

（由张鑫供稿）