在H13 鋼離子氮化基體上沉積TiAlN 鍍層，在其表面形成滲鍍復合層，研究滲氮基體不同表面預處理對滲/鍍復合層微觀形貌及承載能力的影響。用壓痕和劃痕試驗綜合檢測膜基體系的承載能力，用掃描電鏡和光學顯微鏡觀測滲鍍層厚度、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處理有助于之后鍍膜生長的鍍層結(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)拋光去除疏松層預處理的試樣，劃擦時鍍層易產(chǎn)生剝落失效，抗劃擦能力下降。

　　熱作模具在生產(chǎn)服役過程中常需要承受高溫和高載荷的作用，模具會發(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，科學研究和工程實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)合問題始終是膜基體系的薄弱環(huán)節(jié)，特別是在實際生產(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。滲鍍復合處理時，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)合強度，則可以充分發(fā)揮滲層基體對鍍層的支撐能力，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)改進對改善復合層結(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)合強度，滲鍍復合工藝中鍍膜前一般需要對滲氮后的基體表面進行必要的過渡處理，這些處理會有會使得復合層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響滲/鍍復合層的綜合性能。因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認為有必要詳細研究滲氮層的表面過渡處理對復合層微觀結(jié)構(gòu)和綜合性能的影響。

　　關(guān)于滲/鍍復合處理層的綜合性能的評價，可以簡單地借鑒鍍層的綜合性能評價方法，即通過測試鍍層的硬度、膜基結(jié)合強度、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”性能指標來判定評價滲/鍍復合層的綜合性能，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合處理層，根據(jù)開裂和剝落的情況，半定量地判定復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、實驗材料與方法

　　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)計了兩種過渡處理狀態(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，過渡處理是1000號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行鍍膜。鍍膜采用英國TEER 公司生產(chǎn)的UDP-650 /4 型閉合場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。鍍膜過程中的N2流量是通過檢測靶表面的濺射離子光強(OEM) 進行動態(tài)反饋控制。

　　采用Hitachi S-4800 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM) 觀測鍍層厚度、表面和截面微觀形貌。在MH-5 數(shù)字顯微硬度計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) 。采用壓痕實驗和劃痕實驗綜合檢測膜基體系的承載能力，壓痕試驗采用HRD-150 電動洛氏硬度計，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點；劃痕試驗采用HT-5001 型劃痕試驗儀，所用金剛石半球形壓頭半徑為200 μm，恒定載荷為40 N，劃痕長度為3 mm，兩次重復實驗；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復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處理有助于之后鍍膜生長的鍍層結(jié)構(gòu)致密，提高結(jié)合強度； 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，滲層通過改變壓頭下方基體表層的塑性變形區(qū)，來改善“硬鍍層/軟基體”間形變的不協(xié)調(diào)性，從而提高滲/鍍復合體系的抗壓入承載能力；

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