一種鋁合金擠壓型材模具的製作方法

2023-06-25 08:52:26

本實用新型涉及一種鋁合金擠壓型材用模具，特別是涉及一種具有表面為物理氣相沉積(PVD)塗層的鋁合金擠壓型材模具。

背景技術：

鋁合金模具通常採用H13模具鋼製造，經熱處理獲得HRC48-52的硬度後加工成為特定型腔的擠壓模具。為了降低模具使用成本和提高模具使用壽命，對模具表面進行氣體氮化、離子氮化等工藝,提高模具表面的硬度和耐磨性。模具是鋁型材行業的關鍵，佔當前鋁合金產品成本的約1/3，急需一種比現有表面處理方式使用壽命更長的擠壓模具。

鋁合金擠壓模具目前較多的失效方式是型材尺寸產生較大偏差、型材表面拉傷，其本質是模具孔型表面磨損導致孔的尺寸不穩定；孔型表面粘結鋁導致表面粗糙。多次使用後腔室出現裂紋及嚴重的鋁腐蝕坑。目前傳統氮化、碳氮化表面處理已經很難進一步大幅度地提高模具的使用壽命。因為模具表面採用單一離子氮化時，處理溫度常在500-600℃，處理時間長，通常在氮化層表面形成化合物層(俗稱「白亮層」)(如中國專利CN104178771A)，造成了亞表面區域合金元素貧化。使用過程中白亮層容易成為氮化塗層的破壞源。在破壞源處導致H13鋼基體與高溫鋁直接接觸，產生嚴重的元素擴散，甚至粘著。採用C-N共滲(如中國專利CN104152916A)雖然可以有效抑制滲層表面的白亮層，但滲層的硬度最高不超過HV 1300，且紅硬性差，也限制了模具壽命的進一步提高。中國專利CN101058870A模具表面採用單一的PVD塗層，塗層與基體的結合力弱以及PVD塗層同基體的力學匹配差是限制PVD塗層高硬度及低摩擦係數等優勢發揮的致命因素。且單一PVD難以在孔型表面塗制均勻的塗層，容易在孔型中心表面留下無塗層的死角。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本實用新型的目的在於在提供一種鋁合金擠壓型材模具，該模具表面塗覆含有高鋁成分的Al-Cr-N系PVD塗層，且在基體層與PVD塗層間採用高能密度等離子體輔助的低溫離子氮化獲得40-100微米厚無白亮層的氮碳共滲層，提高PVD塗層的附著力，抵抗苛刻擠壓工況所導致的塗層剝落，從而獲得使用壽命大幅度提高的鋁合金型材擠壓模具。

為實現上述方案，本實用新型提供的一種鋁合金擠壓型材模具，包括：基體層，所述基體層為金屬模具；位於基體層表面的碳氮共滲層；塗覆在碳氮共滲層表面的CrN塗層；以及塗覆在CrN塗層表面的Al70Cr30N塗層。

在上述技術方案中，通過在基體層表面塗覆的碳氮共滲層可以有效提高CrN/Al70Cr30N複合塗層的附著力，可以抵抗苛刻擠壓工況所導致的塗層剝落，從而獲得使用壽命大幅度提高的鋁合金型材擠壓模具，通過CrN塗層可以有效提高模具表面的硬度，通過Al70Cr30N塗層可以有效提高模具表面的耐磨性和耐鋁腐蝕性。

優選的，所述碳氮共滲層的厚度為40-100微米，碳氮共滲層的厚度不宜過薄，否則CrN塗層的附著力不夠，依然會導致塗層剝落，同時碳氮共滲層的厚度不宜過厚，否則會增加碳氮共滲層塗覆的時間和成本，實驗證明，當碳氮共滲層的厚度為40-100微米時既可增強CrN塗層的附著力，使其不會導致剝落，也不會導致碳氮共滲層塗覆的時間和成本過高，性價比較高。

更加優選的，所述碳氮共滲層的厚度為50微米，實驗證明，當碳氮共滲層的厚度為50微米時，性價比最高。

優選的，所述CrN塗層的厚度為0.5-1.5微米，CrN塗層的厚度不宜過薄，否則達不到增強模具表面硬度的效果，同時CrN塗層的厚度也不宜過厚，否則會增加CrN塗層塗覆的時間和成本，同時增大複合塗層的殘餘壓縮應力不利於結合力提高，實驗證明，當CrN塗層的厚度為0.5-1.5微米時既可大幅增加模具表面的硬度，也不會導致CrN塗層塗覆的時間和成本過高，性價比較高。

更加優選的，所述CrN塗層的厚度為1微米，實驗證明，當CrN塗層的厚度為1微米時，性價比最高。

優選的，所述Al70Cr30N塗層的厚度為2-4微米，Al70Cr30N塗層的厚度不宜過薄，否則達不到增強模具表面耐磨性和耐鋁腐蝕性的效果，同時Al70Cr30N塗層的厚度也不宜過厚，否則會增加Al70Cr30N塗層塗覆的時間和成本，同時增大複合塗層的殘餘壓縮應力不利於結合力提高，實驗證明，當Al70Cr30N塗層的厚度為2-4微米時既可大幅增加模具表面的耐磨性和耐鋁腐蝕性，也不會導致Al70Cr30N塗層塗覆的時間和成本過高，性價比較高。

更加優選的，所述Al70Cr30N塗層的厚度為3微米，實驗證明，當Al70Cr30N塗層的厚度為3微米時，性價比最高。

本實用新型所述技術方案的有益效果在於：本鋁合金擠壓型材模具通過在基體層與PVD塗層間採用高能密度等離子體輔助的低溫離子氮化獲得40-100微米厚無白亮層的氮碳共滲層，提高了PVD塗層的附著力，抵抗苛刻擠壓工況所導致的塗層剝落，從而獲得使用壽命大幅度提高的鋁合金型材擠壓模具，同時通過在基體層表面塗覆CrN塗層和Al70Cr30N塗層，大大提高了模具表面的硬度、耐磨性和耐鋁腐蝕性。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖。

圖中：1、基體層；2、碳氮共滲層；3、CrN塗層；4、Al70Cr30N塗層。

具體實施方式

為了更好地理解本實用新型的技術特點，下面結合附圖對本實用新型作進一步的說明，需要說明的是，本實用新型的實施方式不限如此。

實施例：一種鋁合金擠壓型材模具。

本實用新型採用配置了可調製非對稱雙極交直流脈衝偏壓電源的hauzer flexicoat 850真空鍍膜裝置(荷蘭HAUZER的flexicoat 850型)，該真空鍍膜裝置包括真空室、磁控濺射源、低壓直流弧離子源、真空室內輻射加熱裝置、非對稱雙極交直流脈衝偏壓電源和轉動的工件架，工件架安裝在真空室內部；其中非對稱雙極交直流脈衝偏壓電源正負脈衝峰值可調，脈衝波型為方波，輸出電壓正負峰值可調，頻率和佔空比可調。

如圖1所示，一種鋁合金擠壓型材模具，基體層1，所述基體層1為H13鋼模具；塗覆在基體層1表面的碳氮共滲層2，所述碳氮共滲層2的厚度為50微米，所述碳氮共滲層2採用高能密度等離子體輔助的低溫離子氮化獲得，通過在基體層1表面塗覆的碳氮共滲層2可以有效提高CrN塗層3的附著力，可以抵抗苛刻擠壓工況所導致的塗層剝落，從而獲得使用壽命大幅度提高的鋁合金型材擠壓模具；塗覆在碳氮共滲層2表面的CrN塗層3，所述CrN塗層3的厚度為1微米，通過CrN塗層3可以有效提高模具表面的硬度；以及塗覆在CrN塗層3表面的Al70Cr30N塗層4，所述Al70Cr30N塗層4的厚度為3微米，通過Al70Cr30N塗層4可以有效提高模具表面的耐磨性和耐鋁腐蝕性。

為了更進一步的解釋本實用新型，特將本實用新型的製備步驟解釋如下：

1)模具表面預處理：採用自動清洗線清洗；去離子水漂洗後，在防鏽1063試劑100mL/L的去離子水溶液中，浸泡10秒，取出後用無油壓縮空氣吹乾，在80℃烘乾2小時後待用；將模具放入HAUZER裝置；

2)抽真空加熱：將預處理後的工件固定在工件架上，關閉真空室門，並開動工件架旋轉；真空室被抽到背底真空低於5x10-3Pa；開啟輔助加熱裝置，將含有模具工件的真空室升溫至300-400℃並保溫3-6小時；

3)氬離子離子刻蝕：採用熱絲直流弧離子源獲得的氬等離子束，通入氬氣，使真空室壓強為0.1Pa，束流電流為70-100A；模具工件施加偏壓200V，採用直流偏壓模式；氬離子轟擊刻蝕模具表面30-90分鐘；

4)模具表面碳氮共滲：維持步驟3)中熱絲直流弧離子源的氬氣流量和離子束電流，真空室內通入氮氣、甲烷、氫氣的混合工作氣體，其中甲烷氣體的體積百分比為10-25％，氫氣的體積百分比為40-60％，餘為氮氣；真空室真空達到2.0-5.0Pa後，調節工件直流偏壓為400-600V直流，模具表面發生輝光放電；上述碳氮共滲的滲層速率為40-60微米/小時；根據需要滲層厚度，控制碳氮共滲時間；離子共滲結束後，關閉混合工作氣體，調節模具直流偏壓為150V，氬離子轟擊模具表面15-30分鐘後關閉離子源；

5)製備PVD塗層：真空室內通入氮氣，使真空室壓強保持為0.5-1Pa；開啟非對稱雙極脈衝偏壓模式，頻率為300-1000Hz，負脈衝峰值為50-150V，正脈衝峰值為10-20V，佔空比為30-80％；開啟純金屬Cr陰極電弧靶，靶電流100-120A，製備1微米厚CrN層後關閉金屬陰極電弧靶；開啟Al70Cr30的合金陰極電弧靶，靶電流100-120A，製備3微米厚Al70Cr30N後關閉合金靶。真空室溫度冷卻到100℃以下後，打開真空室門，取出工件。

6)目視觀察，塗層均勻緻密。陪伴試片洛氏壓痕評定處理後塗層與基體結合力HF1。

以上所述為本實用新型的較佳實施例而已，但本實用新型不應局限於該實施例和附圖所公開的內容，所以凡是不脫離本實用新型所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本實用新型保護的範圍。