冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法
2023-06-28 22:48:56
專利名稱：冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法
技術領域：
本發明涉及一種冷鍛模型面表面硬化處理方法。
背景技術：
冷鍛模(冷輾擴模、冷擺輾模及冷鐓模等)與一般鍛模比較，形狀和尺寸精度要求很高。由於模具型腔基本按照成品尺寸設計製造，尺寸狹窄，過渡陡然，在使用過程中，型腔表面(型面)承受劇烈的衝擊載荷和很高的拉壓應力，磨損嚴重，開裂、崩角現象普遍。冷鍛模常採用高碳高鉻鋼或高速鋼製造，材料合金含量很高，組織中的碳化物粗大、網狀且分布不均勻。熱處理工藝對細化碳化物和奧氏體晶粒有一定作用，能夠使冷鍛模具有高強韌性，而型面硬度則難以滿足使用要求，模具的耐磨損性能不足。冷鍛模具的失效大多從形腔表面開始，模具型面強度及硬度直接影響模具使用壽命。表面工程技術能夠使模具型面具有高強度及高硬度，從而提高了耐磨損性能。
表面工程應用於冷鍛模型面處理的主要工藝方法有熱擴滲、表面淬火、表面形變強化、熱噴塗以及高能束表面改性技術等，但目前應用上述方法仍存在硬度不足、力學性能不均勻、與基材的界面結合不穩定、結合強度低及耐磨損性能不高等缺點。
發明內容
針對高碳高鉻鋼、高速鋼冷鍛模的常規熱處理存在型面硬度不高、耐磨損性差的缺陷，本發明的目的在於提供一種冷鍛模使用壽命長的冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法，其特徵是在冷鍛模具型面進行物理氣相沉積離子鍍膜製備TiN或TiC超硬質覆膜，包括如下步驟1)、鍍前處理；2)、裝件將清洗乾淨的冷鍛模具放入鍍膜室；3)、抽真空；4)、烘烤冷鍛模具及鍍料鈦加熱，加熱至350-550℃；5)、離子轟擊及沉積充入氬氣後，引弧放電，再充入氮氣或者CH4或C2H2，使蒸發原子部分電離成離子，同時產生大量高能中性粒子沉積於模具型面形成TiN或TiC硬質覆膜；6)、冷卻鍍膜後的冷鍛模具冷卻室溫；7)、取件將冷卻後的冷鍛模具取出，即得成品。
所述的冷鍛模型面TiN或TiC超硬質覆膜厚度為3-5μm。
冷鍛模型面採用離子鍍膜製備TiN或TiC超硬質覆膜，具有以下優點(1)膜層與基材(冷鍛模型面)結合力高，界面附著力強。高能量的離子能夠打入基材，而且在與基材表面原子撞擊時，還放出熱，使膜層與基材間形成顯微合金層，提高了結合強度。
(2)離子鍍工藝繞射性好，均鍍能力強。惰性氣體原子在放電時撞擊蒸氣鍍膜粒子，使之分散，提高其均鍍能力。
(3)膜層高強高硬、緻密，沉積速率快，鍍前清洗工序簡單、環保。
本發明採用在冷鍛模具型面進行物理氣相沉積離子鍍膜的方法製備TiN或TiC超硬質覆膜，解決了冷輾擴、冷擺輾及冷鐓等冷鍛模因硬度不足、耐磨性較差的問題，使其在使用過程中在保持較高強度和韌性的同時，也具有很高的型面硬度及耐磨損性；模具心部通過熱處理可以獲得高強韌性，能夠承受衝擊載荷。由於對型面進行硬質覆膜強化處理使冷鍛模材料的力學性能具有梯度，因而能夠滿足冷鍛模使用要求，提高了使用壽命。本發明所提出的冷鍛模型面離子鍍製備TiN或TiC超硬質覆膜方法，本發明的產品與未覆膜冷鍛模相比較，冷鍛模的使用壽命提高3-5倍。
圖1是本發明的基本工藝流程圖具體實施方式
實施例1冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法(空心陰極離子鍍TiN膜)，其基本工藝流程如圖1所示。具體步驟如下1)、鍍前處理包括預處理和工件清洗。預處理是對冷鍛模具型面進行磨拋加工，其型面粗糙度不大於0.5μm；工件清洗是對冷鍛模具進行除汙、除塵、除鏽處理。
包括鍍膜室清理和工件夾具的清洗、蒸發源安裝及鍍件裝卡。真空室清理與工件夾具用吸塵器吸除粉塵，再用丙酮、無水乙醇擦洗。
2)、裝件蒸發源的安裝時應戴脫脂手套，蒸發源與電極應接觸良好。裝夾蒸發材料。工件裝卡，一般要使用乾淨工具。手拿時，應戴脫脂手套。安裝的鍍件裝卡要牢固。
3)、抽真空鍍膜室抽真空時，擴散泵如果未加熱，在第一次抽真空時，首先打開冷水閥，然後關閉管道閥，啟動機械泵，打開真空室預抽閥，抽至6.7Pa以上的真空度。之後關閉預抽閥，開管道閥，將擴散泵前級的真空度抽至6.7Pa，接通擴散泵加熱電源至擴散泵加熱時間，再打開高閥，用擴散泵將真空室抽至基礎真空度(本底真空度)。
4)、烘烤工件(即冷鍛模具)加熱至350-550℃。
5)、離子轟擊及沉積冷鍛模具加熱後，接通空心陰極電子槍主電源、電子束聚焦電源，通過空心陰極鉭管通入氬氣，接通電子槍引燃電源。點燃空心陰極電子槍後，切斷引燃電源，逐漸減少氬氣通入量。控制真空度在1×10-1-4×10-2Pa，調整空心陰極電子槍功率至5-10kW(根據型面面積和形狀複雜程度調整)。接通工件負偏壓電源，電壓控制在50-100V，通入氮氣，氮氣分壓為1.6×10-1-8×10-2Pa，進行TiN沉積，時間60min。沉積結束後，切斷空心陰極電子槍電源、聚焦電源、工件負偏壓電源和烘烤加熱電源，停止通氬氣、氮氣。
6)、冷卻鍍膜後的冷鍛模具冷卻室溫。
7)、取件將冷卻後的冷鍛模具取出，即得成品。
TiN膜具有很高的硬度(HV2100以上)，耐磨性及耐蝕性很好，顏色金黃。
實施例2冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法(活性反應離子鍍TiN膜)，具體步驟如下1)、鍍前處理包括預處理和工件清洗。預處理是對冷鍛模具型面進行磨拋加工，其型面粗糙度不大於0.5μm；工件清洗是對冷鍛模具進行除汙、除塵、除鏽處理。
包括鍍膜室清理和工件夾具的清洗、蒸發源安裝及鍍件裝卡。真空室清理與工件夾具用吸塵器吸除粉塵，再用丙酮、無水乙醇擦洗。
2)、裝件蒸發源的安裝時應戴脫脂手套，蒸發源與電極應接觸良好。裝夾蒸發材料。工件裝卡，一般要使用乾淨工具。手拿時，應戴脫脂手套。安裝的鍍件裝卡要牢固。
3)、抽真空鍍膜室抽真空時，擴散泵如果未加熱，在第一次抽真空時，首先打開冷水閥，然後關閉管道閥，啟動機械泵，打開真空室預抽閥，抽至6.7Pa以上的真空度。之後關閉預抽閥，開管道閥，將擴散泵前級的真空度抽至6.7Pa，接通擴散泵加熱電源至擴散泵加熱時間，再打開高閥，用擴散泵將真空室抽至基礎真空度(本底真空度)。
4)、烘烤工件(即冷鍛模具)加熱至350-500℃。
5)、離子轟擊及沉積冷鍛模具加熱後，鍍膜室充氬氣4-4.7Pa，工件通1-5kV負偏壓，使工件產生輝光放電，用氬離子轟擊濺射以清洗工件15min。切斷負偏壓電源，關閉氬氣，接通e型電子槍的燈絲高壓和磁偏轉電源，調整聚焦磁場和電子槍功率，將電子束打在坩堝中的鈦塊上，使鈦蒸發並通入氮氣，維持真空度在1×10-1-8×10-2Pa之間。接通探極電源，電壓控制在95-105V左右。打開擋板，探極出現電流。調整、穩定電流，開始沉積TiN，沉積時間70min後，關閉擋板，關閉氮氣，然後切斷電子槍、探極和烘烤加熱電源。
6)、冷卻鍍膜後的冷鍛模具冷卻室溫。
7)、取件將冷卻後的冷鍛模具取出，即得成品。
實施例3冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法(活性反應離子鍍TiC膜)，與實施例2基本相同，沉積TiC膜的工藝程序與沉積TiN相同，只是通入反應的氣體為CH4或C2H2。反應氣體分壓(4-7)×10-2Pa，工件溫度350-500℃。
其離子轟擊及沉積步驟為冷鍛模具及鍍料鈦加熱後，鍍膜室充氬氣4-4.7Pa，工件通2-5kV負偏壓，使工件產生輝光放電，用氬離子轟擊濺射以清洗工件15min。切斷負偏壓電源，關閉氬氣，接通e型電子槍的燈絲高壓和磁偏轉電源，調整聚焦磁場和電子槍功率，將電子束打在坩堝中的鈦塊上，使鈦蒸發並通入CH4或C2H2，維持鍍膜室真空度在1×10-1-8×10-2Pa之間，CH4或C2H2氣體分壓(4-7)×10-2Pa。接通探極電源，電壓控制在95-105V左右。打開擋板，探極出現電流。調整、穩定電流，開始沉積TiC，沉積時間80min後，關閉擋板，關閉CH4或C2H2，然後切斷電子槍、探極和烘烤加熱電源。
TiC膜的硬度更高(HV2800以上)，有極好的耐磨性，顏色為黑色或黑灰色。
實施例4冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法(空心陰極離子鍍TiC膜)，與實施例1基本相同，沉積TiC膜的工藝程序與沉積TiN相同，但反應氣體使用CH4或C2H2。反應氣體分壓為(1-4)×10-2Pa，工件溫度為350-500℃。
其離子轟擊及沉積步驟為冷鍛模具及鍍料鈦加熱後，接通空心陰極電子槍主電源、電子束聚焦電源，通過空心陰極鉭管通入氬氣，接通電子槍引燃電源。點燃空心陰極電子槍後，切斷引燃電源，逐漸減少氬氣通入量。控制真空度在1×10-1-4×10-2Pa，調整空心陰極電子槍功率至5-10kW(根據型面面積和形狀複雜程度調整)。接通工件負偏壓電源，電壓控制在50-100V，通入CH4或C2H2，CH4或C2H2氣體分壓為(1-4)×10-2Pa，進行TiN沉積，時間80min。沉積結束後，切斷空心陰極電子槍電源、聚焦電源、工件負偏壓電源和烘烤加熱電源，停止通氬氣、CH4或C2H2。
權利要求
1.冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法，其特徵是在冷鍛模具型面進行物理氣相沉積離子鍍膜製備TiN或TiC超硬質覆膜，包括如下步驟1)、鍍前處理；2)、裝件將清洗乾淨的冷鍛模具放入鍍膜室；3)、抽真空；4)、烘烤冷鍛模具及鍍料鈦加熱，加熱至350-550℃；5)、離子轟擊及沉積充入氬氣後，引弧放電，再充入氮氣或者CH4或C2H2，使蒸發原子部分電離成離子，同時產生大量高能中性粒子沉積於模具型面形成TiN或TiC硬質覆膜；6)、冷卻鍍膜後的冷鍛模具冷卻室溫；7)、取件將冷卻後的冷鍛模具取出，即得成品。
2.根據權利要求1所述的冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法，其特徵是所述的離子轟擊及沉積為採用空心陰極離子鍍TiN膜冷鍛模具及鍍料鈦加熱後，接通空心陰極電子槍主電源、電子束聚焦電源，通過空心陰極鉭管通入氬氣，接通電子槍引燃電源；點燃空心陰極電子槍後，切斷引燃電源，逐漸減少氬氣通入量；控制真空度在1×10-1-4×10-2Pa，調整空心陰極電子槍功率至5-10kW；接通工件負偏壓電源，電壓為50-100V，通入氮氣，氮氣分壓為1.6×10-1-8×10-2Pa，進行TiN沉積，時間60min；沉積結束後，切斷空心陰極電子槍電源、聚焦電源、工件負偏壓電源和烘烤加熱電源，停止通入氬氣、氮氣。
3.根據權利要求1所述的冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法，其特徵是所述的離子轟擊及沉積為採用活性反應離子鍍TiN膜冷鍛模具及鍍料鈦加熱後，鍍膜室充氬氣4-4.7Pa，工件通1-5kV負偏壓，使工件產生輝光放電，用氬離子轟擊濺射以清洗工件15min；切斷負偏壓電源，關閉氬氣，接通e型電子槍的燈絲高壓和磁偏轉電源，調整聚焦磁場和電子槍功率，將電子束打在坩堝中的鈦塊上，使鈦蒸發並通入氮氣，維持真空度在1×10-1-8×10-2Pa之間；接通探極電源，電壓控制在95-105V左右；打開擋板，探極出現電流；調整、穩定電流，開始沉積TiN，沉積時間70min後，關閉擋板，關閉氮氣，然後切斷電子槍、探極和烘烤加熱電源。
4.根據權利要求1所述的冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法，其特徵是所述的離子轟擊及沉積為採用活性反應離子鍍TiC膜冷鍛模具及鍍料鈦加熱後，鍍膜室充氬氣4-4.7Pa，工件通2-5kV負偏壓，使工件產生輝光放電，用氬離子轟擊濺射以清洗工件15min；切斷負偏壓電源，關閉氬氣，接通e型電子槍的燈絲高壓和磁偏轉電源，調整聚焦磁場和電子槍功率，將電子束打在坩堝中的鈦塊上，使鈦蒸發並通入CH4或C2H2，維持鍍膜室真空度在1×10-1-8×10-2Pa之間，CH4或C2H2氣體分壓4×10-2Pa-7×10-2Pa；接通探極電源，電壓控制在95-105V左右；打開擋板，探極出現電流；調整、穩定電流，開始沉積TiC，沉積時間80min後，關閉擋板，關閉CH4或C2H2，然後切斷電子槍、探極和烘烤加熱電源。
5.根據權利要求1所述的冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法，其特徵是所述的離子轟擊及沉積為採用空心陰極離子鍍TiC膜冷鍛模具及鍍料鈦加熱後，接通空心陰極電子槍主電源、電子束聚焦電源，通過空心陰極鉭管通入氬氣，接通電子槍引燃電源；點燃空心陰極電子槍後，切斷引燃電源，逐漸減少氬氣通入量；控制真空度在1×10-1-4×10-2Pa，調整空心陰極電子槍功率至5-10kW；接通工件負偏壓電源，電壓控制在50-100V，通入CH4或C2H2，CH4或C2H2氣體分壓為1×10-2Pa-4×10-2Pa，進行TiN沉積，時間80min；沉積結束後，切斷空心陰極電子槍電源、聚焦電源、工件負偏壓電源和烘烤加熱電源，停止通入氬氣、CH4或C2H2。
6.根據權利要求1所述的冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法，其特徵是所述的冷鍛模型面TiN或TiC超硬質覆膜厚度為3-5μm。
全文摘要
本發明涉及一種冷鍛模型面處理方法。冷鍛模型面硬質覆膜強化處理方法，其特徵是在冷鍛模具型面進行物理氣相沉積離子鍍膜製備TiN或TiC超硬質覆膜，包括如下步驟1)、鍍前處理；2)、裝件將清洗乾淨的冷鍛模具放入鍍膜室；3)、抽真空；4)、烘烤冷鍛模具及鍍料鈦加熱，加熱至350－550℃；5)、離子轟擊及沉積充入氬氣後，引弧放電，再充入氮氣或者CH
文檔編號C23C14/06GK1651597SQ20051001821
公開日2005年8月10日 申請日期2005年1月28日 優先權日2005年1月28日
發明者華林, 餘際星, 趙玉民, 毛華傑 申請人:武漢理工大學