一種熱擠壓模具滲鍍復(fù)合表面強(qiáng)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬表面處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種H13材料的氣體滲氮層與電弧離子鍍CrAlN涂層復(fù)合強(qiáng)化設(shè)計(jì)及工藝實(shí)現(xiàn)方法。具體涉及一種熱擠壓模具滲鍍復(fù)合表面強(qiáng)化方法，該技術(shù)特別適合于高溫、重載等嚴(yán)酷服役條件下的熱擠壓模具表面強(qiáng)化應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]H13材料制作的熱擠壓模具是一類處于高溫(400-600°C )、重載(200_300MPa)等嚴(yán)酷服役環(huán)境的材料成型工藝裝備，使用過程中模具表面會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)磨損、熱疲勞、氧化、塑性變形甚至斷裂等失效。因此，采用各種表面強(qiáng)化方法提高模具承載能力，改善表面耐磨損性能和抗氧化性能，延長模具的使用壽命，已被實(shí)踐證明是行之有效的技術(shù)途徑。目前主要采用氣體滲氮或離子滲氮提高熱擠壓模具的服役性能，但始終未能取得理想效果，特別是近年來，隨著大噸位和高速熱擠壓機(jī)的使用，熱擠壓模具工作條件越來越苛刻，迫切需要研發(fā)新的表面強(qiáng)化處理技術(shù)。發(fā)明人2002年針對(duì)航空領(lǐng)域H13材料制作的精密葉片熱鍛模具表面失效難題，開發(fā)出了等離子體化學(xué)氣相沉積TiN硬質(zhì)涂層與等離子體滲氮的表面復(fù)合強(qiáng)化專利技術(shù)(專利號(hào)ZL 02 I 14481.8)，取得了比傳統(tǒng)滲氮顯著提高生產(chǎn)效率和使用壽命的應(yīng)用效果。但熱鍛模具與熱擠壓模具的工作環(huán)境、承受的載荷類型、大小及其失效方式均不完全相同，如葉片熱鍛模具工作環(huán)境為高溫和急熱、急冷，承受載荷為重載和高速?zèng)_擊，失效形式為模具型腔面摩擦、磨損及局部塌陷等。因此，將已有的ZL 02 I 14481.8專利技術(shù)應(yīng)用于熱擠壓模具表面強(qiáng)化時(shí)，并不能達(dá)到在葉片熱鍛模具表面復(fù)合強(qiáng)化上取得的應(yīng)用效果。然而，發(fā)明人過去研宄成果表明在H13材料制成的熱作模具表面強(qiáng)化上，滲鍍復(fù)合處理是比單一滲層處理或鍍層處理有顯著進(jìn)步的新技術(shù)，應(yīng)該在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步專門針對(duì)熱擠壓模具進(jìn)行優(yōu)化工藝開發(fā)，才有望取得技術(shù)突破。公開文獻(xiàn)表明近年來國內(nèi)外熱擠壓模具的滲鍍復(fù)合工藝技術(shù)正在廣泛研發(fā)中，但熱擠壓模具服役條件遠(yuǎn)比其它類型模具和刀具復(fù)雜，總體上滲鍍復(fù)合技術(shù)仍處在初期研發(fā)階段。
[0003]相比于滲鍍復(fù)合技術(shù)，單一的氣相沉積涂層技術(shù)和單一的滲氮技術(shù)由于研宄歷史較長，目前已基本處于成熟階段，穩(wěn)定工業(yè)應(yīng)用正在形成。如采用電弧離子鍍技術(shù)制備的TiN、TiCN、TiAlN、CrAlN等涂層已在各種切削刀具加工上取得顯著應(yīng)用效果，得到了工業(yè)界的普遍認(rèn)可。氣體滲氮或離子滲氮技術(shù)更是耐磨零件及模具表面強(qiáng)化早期優(yōu)選的主要方法之一?；谏鲜鰡我槐砻婕夹g(shù)進(jìn)展，眾多研宄者對(duì)滲鍍復(fù)合技術(shù)解決復(fù)雜嚴(yán)酷條件下的熱擠壓模具表面強(qiáng)化尤為關(guān)注，但目前進(jìn)展表明，針對(duì)熱擠壓模具滲層與涂層復(fù)合強(qiáng)化時(shí)，并不能簡單地將前兩者工藝拿來組合應(yīng)用，必須開發(fā)新的滲鍍復(fù)合優(yōu)化工藝，才能取得較好應(yīng)用效果。為此，本發(fā)明針對(duì)熱擠壓模具服役條件，系統(tǒng)開發(fā)了電弧離子鍍層與氣體滲氮層復(fù)合的新型表面強(qiáng)化工藝技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種熱擠壓模具滲鍍復(fù)合表面強(qiáng)化方法，其適合于在高溫、重載嚴(yán)酷服役條件下的熱擠壓模具領(lǐng)域應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0006]這種熱擠壓模具滲鍍復(fù)合表面強(qiáng)化方法，將經(jīng)過滲氮處理的模具表面拋光清洗處理后放入電弧離子鍍設(shè)備內(nèi)進(jìn)行CrAlN涂層加工，其中，以矩形Ti靶作為底層和過渡層的Ti來源，通過矩形靶電弧電源的電流控制矩形Ti靶的濺射率；以圓形CrAl靶作為制備CrAlN涂層的Cr、Al元素來源，其中Cr、Al元素的原子成分比例為Cr:A1 = 70:30 ;在電弧離子鍍設(shè)備內(nèi)設(shè)置有若干個(gè)圓形CrAl靶，通過圓形CrAl靶電弧電源的電流控制圓形CrAl靶的濺射率；采用高純Ar作為濺射氣體；采用高純隊(duì)作為反應(yīng)氣體，使其離化并與Cr、Al元素結(jié)合，在模具滲氮層表面沉積形成CrAlN涂層。
[0007]進(jìn)一步，上述矩形Ti靶安置在電弧離子鍍設(shè)備的爐體左內(nèi)壁上。
[0008]進(jìn)一步，上述圓形CrAl靶共有三個(gè)，以均布的方式安置在電弧離子鍍設(shè)備的爐體右內(nèi)壁上。
[0009]進(jìn)一步，上述電弧離子鍍設(shè)備為電弧離子鍍膜真空室。
[0010]進(jìn)一步的，以上熱擠壓模具滲鍍復(fù)合表面強(qiáng)化方法，具體按照以下步驟進(jìn)行:
[0011](I)氣體滲氮工藝
[0012]將表面清洗干凈后的熱擠壓模具放入氣體滲氮爐內(nèi)，抽真空并加熱到510°C，通入NH3，調(diào)整滲氮爐內(nèi)氣壓到500Pa，開始滲氮，保溫12小時(shí)，完成后降溫到100°C以下，從爐內(nèi)取出；
[0013](2)電弧離子鍍膜工藝
[0014]A)等離子體清洗
[0015]將滲氮模具表面清洗干凈后裝入電弧離子鍍膜真空室，抽真空并加熱到500°C不變，鍍膜前，通入Ar到真空室，當(dāng)真空室氣壓達(dá)到6Pa時(shí)，開偏壓至-1000V對(duì)真空室的熱擠壓模具表面進(jìn)行轟擊清洗和除氣處理，持續(xù)120分鐘；
[0016]B) Ti底層制備
[0017]模具清洗完成后，繼續(xù)通入Ar，將真空室氣壓調(diào)至0.3Pa，打開矩形Ti靶電弧電源，弧電流130A，調(diào)整偏壓到-300V，制備Ti底層，持續(xù)10分鐘；
[0018]C)TiN過渡層制備
[0019]Ti底層制備完成后，打開N2開關(guān)，調(diào)整N2流量使真空室氣壓為0.5Pa，保持矩形Ti靶弧電流130A，調(diào)整偏壓到-200V，制備TiN過渡層，持續(xù)30分鐘；
[0020]D) CrAlN 涂層制備
[0021]TiN過渡層制備完成后，將偏壓調(diào)整為-150V，調(diào)整N2流量使真空室氣壓為0.8Pa，將矩形Ti靶關(guān)閉，將圓形CrAl靶打開，電流為100A，開始在TiN過渡層上制備CrAlN涂層，持續(xù)180分鐘。
[0022]進(jìn)一步的，上述步驟(I)中，通入NH3的流量為500ml/min。
[0023]進(jìn)一步的，上述步驟(2)的A)中，通入Ar的流量為20ml/min。
[0024]進(jìn)一步的，上述步驟(2)的B)中，調(diào)節(jié)Ar流量到30ml/min。
[0025]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0026](I)本發(fā)明引入滲氮層是基于H13材料的熱擠壓模具基材硬度低，滲層相當(dāng)于提供了一個(gè)性能梯度增加過渡區(qū)，有助于與外層的高性能硬質(zhì)涂層對(duì)接匹配。反過來，硬質(zhì)涂層的進(jìn)一步強(qiáng)化，彌補(bǔ)了單一滲氮層使用性能的不足，真正起到了 1+1大于2的強(qiáng)化效果。
[0027](2)本發(fā)明的滲鍍復(fù)合工藝已完全突破了單一滲層和單一鍍層的工藝條件，如采用傳統(tǒng)氣體滲氮工藝時(shí)H13材料表層經(jīng)常有白亮層出現(xiàn)，其硬度高但很脆，會(huì)對(duì)后續(xù)涂層的結(jié)合力有很大損傷，因此，本發(fā)明開發(fā)的氣體滲氮工藝有效消除了白亮層，只形成擴(kuò)散氮化層。同樣，由于有良好的滲氮層支撐，涂層的結(jié)合力顯著提高，涂層厚度可以進(jìn)一步增加而不脫落，強(qiáng)化效果更佳，為此，在滲鍍復(fù)合技術(shù)中開發(fā)出了與滲氮層結(jié)構(gòu)匹配的較厚CrAlN涂層的制備工藝。
[0028](3)由于熱擠壓模具工作溫度較高、承載負(fù)荷很大，本發(fā)明選取了國際上最新一代的CrAlN涂層，其抗氧化溫度可達(dá)到1000°C以上，硬度Hv3000以上，能很好滿足熱擠壓模具的耐磨損性能、抗疲勞性能和抗氧化性能要求。
【附圖說明】
[0029]圖1為電弧離子鍍膜設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]一種熱擠壓模具滲鍍復(fù)合表面強(qiáng)化方法，該方法如下:
[0031]I)將熱擠壓模具表面預(yù)處理后首先放入氣體滲氮爐內(nèi)進(jìn)行滲氮層處理。由于氣體滲氮爐是通用設(shè)備，本發(fā)明中對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)不做詳細(xì)描述。
[0032]2)將經(jīng)過滲氮處理的模具表面拋光清洗處理后再放入電弧離子鍍設(shè)備內(nèi)進(jìn)行CrAlN涂層加工，其中，以矩形Ti靶作為底層和過渡層的Ti來源，矩形Ti靶安置在爐體左內(nèi)壁上，通過矩形靶電弧電源的電流控制矩形Ti靶的濺射率；以圓形CrAl靶作為制備CrAlN涂層的Cr、Al元素來源，其中Cr、Al元素的原子成分比例為Cr/Al = 70/30，圓形CrAl靶共三個(gè)，以均布的方式安置在爐體右內(nèi)壁上，通過圓形CrAl靶電弧電源的電流控制CrAl靶的濺射率；采用高純Ar作為濺射氣體；采用高純隊(duì)作為反應(yīng)氣體，使其離化并與Cr、Al元素結(jié)合，在模具滲氮層表面沉積形成CrAlN涂層。
[0033]3)滲鍍復(fù)合工藝條件:
[0034](I)氣體滲氮工藝
[0035]將表面清洗干凈后的熱擠壓模具放入氣體滲氮爐內(nèi)，抽真空并加熱到510°C，通入500ml/min的NH3，調(diào)整滲氮爐內(nèi)氣壓到500Pa，開始滲氮，保溫12小時(shí)，完成后降溫到100°C以下，從爐內(nèi)取出。
[0036](2)電弧離子鍍膜工藝
[0037]A)等離子體清洗
[0038]將滲氮模具表面清洗干凈后裝入電弧離子鍍膜真空室，抽真空并加熱到500°C不變，鍍膜前，通入20ml/min的Ar到真空室，當(dāng)真空室氣壓達(dá)到6Pa時(shí)，開偏壓至-1000V對(duì)真空室的熱擠壓模具表面進(jìn)行轟擊清洗和除氣處理，持續(xù)120分鐘。
[0039]B) Ti底層制備
[0040]模具清洗完成后，調(diào)節(jié)Ar流量到30ml/min，將真空室氣壓調(diào)至0.3Pa，打開矩形Ti靶電弧電源，弧電流130A，調(diào)整偏壓