模具是在外力作用下将金属或非金属材料制造成特定形状及大小的零部件的工具，是现代工业，特别是汽车、航空、电子通信、建材、医疗、生物等制造领域必不可少的工艺装备。模具素有“工业之母”的美誉，约70%的零部件是依靠模具而加工制作而成的。模具的设计和制造水平，直接决定了零部件的生产效率、加工精度、制造成本和常规使用的寿命。因此，模具工业是我国先进制造业的重要组成部分，而模具的制造水平是衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，也是一个国家的工业产品保持国际竞争力的重要保证之一。跟着社会经济的发展，模具工业在各国机械工业中占有的比例增加，它为新技术和新产品的开发与应用提供了重要的加工工具和技术支撑，在欧美等工业发达国家被誉为“点铁成金”的“磁力工业”。

  然而，模具在使用的过程中，可能会受到冲击载荷、剧烈的摩擦和热疲劳等作用，出现塑性变形、磨损甚至断裂等失效形式，快速缩短了模具的常规使用的寿命，并直接影响产品质量和生产效率。据统计，80%以上的模具失效都源于表面损伤。而采用表面处理技术，通过改变模具表面的成分、组织和结构等，可以有效改善模具的硬度、耐磨性和抵抗腐蚀能力等表面性能，充分发掘材料潜力，延长模具的常规使用的寿命，降造成本，从而成为模具强化领域的研究重点。按照原理的差异，表面处理技术能分为化学热处理（如渗碳、渗氮等）、表面涂覆（如物理气相沉积、化学气相沉积等）和表面加工强化处理（如激光表面淬火、激光表面合金化等）。其中，物理气相沉积（PVD）技术因具有沉积温度低、热变形小、环保无污染、易获得表面均匀且硬度高的涂层等优势备受青睐。

  TiAlSiN涂层是在TiN的基础上发展起来的，具有硬度高、摩擦因数小、抗高温氧化性强和耐腐蚀等优势，主要使用在于刀具行业以提高材料的耐磨性和切削性能等，现已逐步拓展到模具领域，但对模具钢表面镀膜后性能的研究不太充分。H13钢具有较高的淬透性和淬硬性，是一种常见的热作模具钢，被广泛应用于锻模、压铸模、挤压模等的制造中。因此，本文以H13钢为研究对象，通过磁控溅射技术在其表面沉积TiAlSiN涂层，研究涂层的物相组成、纳米硬度和摩擦磨损性能等，探究基体偏压、沉积温度和涂层厚度对涂层性能的影响规律，并揭示其作用机理，为实际工业生产提供理论支撑和工艺支持。

  HCSH-650磁控溅射镀膜机由广东汇成真空科技股份有限公司生产，适用于模具表面镀层，可通过计算机设置溅射时间对涂层的厚度进行精确控制，并获得表面上的质量高、结合力强的涂层。磁控溅射镀膜的基本流程是：打开冷却水和磁控管，将基体放在样品台上，并置于TiAlSi靶材的中间位置，使基体与靶材保持平行。工作转台接负高压，使基体处于旋转状态，以保证涂层均匀地覆盖于基体表面。关闭磁控管，打开机械泵对真空室抽线 Pa，再通入氩气和氮气，使电离后的氩离子轰击基体表面以去除表面的灰尘和油污等。通过质量流量计控制气体流量，并保持工作气压为2 Pa。设置溅射参数开启溅射过程，当涂层沉积结束后，关闭冷却水，等待试样冷却至室温后取出。

  摩擦磨损试验在HT-1000型高温摩擦磨损试验机（兰州中科凯华科技开发有限公司）上进行，研究测试涂层在常温下与Φ5 mm的Si3N4球的对磨情况。设置试验载荷为200 g，转速为302 r/min，时间为15 min，摩擦半径为3 mm。采用LSM 800激光共聚焦显微镜对试样的磨损体积做测量，并对试样磨损后的表面形貌进行观测，借助牛津XMax-80型能谱仪分析磨痕中各元素的分布情况。

  磁控溅射制备TiAlSiN涂层中元素分布均匀，溅射参数的改变会使Ti、Al、Si、N元素的浓度出现轻微波动。涂层主要由Ti3Al2N2和TiN等物相组成，其中，Ti3Al2N2相的（105）晶面衍射峰最强，在较高的基体偏压、沉积温度和涂层厚度下，Ti3Al2N2相的衍射峰出现宽化现象。XRD没检验测试到与Si有关的晶相，表明Si可能以非晶相的形式存在。

  当基体偏压(40-100V)、沉积温度(400-500°C)和涂层厚度(2.5-4μm)增加时，H13钢表面TiAlSiN涂层的纳米硬度分别提高了31.2%、18.3%、28.4%，弹性模量分别提高了5.1%、12.3%、11.3%，结合强度分别提高了24.2%、28.5%、42.5%。通过常温摩擦磨损试验发现涂层的摩擦系数和磨损率随着基体偏压和涂层厚度的增加而减小，而在550°C下制备的涂层具有较高的硬度和较低的表面粗糙度，其耐磨性最好。

  由于基体偏压、沉积温度和涂层厚度的改变使得原子的扩散能力及成分离析程度发生明显的变化，故Ti、Al、Si、N元素浓度随溅射参数的变化呈现轻微波动。当基体偏压、沉积温度和涂层厚度增加时，由于涂层在沉积的过程中产生空位、错配等晶格缺陷，使得Ti3Al2N2相在（105）面的衍射峰出现宽化现象。当沉积温度为550°C，涂层的硬度相比来说较高，抵抗塑性变形的能力较强，在摩擦的过程中能减小涂层与摩擦副的机械互锁作用，耐磨性最好。TiAlSiN涂层的磨损机制主要为磨粒磨损、疲劳磨损和氧化磨损。

  本文采用磁控溅射技术在H13钢的表面沉积TiAlSiN涂层，研究涂层的微观结构、硬度、结合强度和摩擦磨损性能，探究基体偏压、沉积温度及涂层厚度对涂层性能的影响规律，并揭示其作用机理，获得高表面性能的模具涂层制备工艺方案，为实际的工业生产提供理论支撑和技术上的支持，以此来降低模具制造成本，减少材料和能源消耗，具有非常明显的经济、生态效益。

  林军，山东大学教授，博士生导师，入选山东省优青、山东省急需紧缺人才、山东大学齐鲁青年学者。主要是做金属塑性成形理论与技术、先进复合材料成形技术等方面的研究工作。主持国家自然科学基金面上和青年项目、国家重点研发计划子课题、山东省重大创新工程等项目，与中国商飞、美国波音、中航和辉、中天科技等公司长期合作，发表学术论文70余篇，授权发明专利10余项，多次在国内外学术会议上做邀请报告和口头报告。

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