鋼製模具的複合表面處理方法
2023-07-30 01:05:01
專利名稱：鋼製模具的複合表面處理方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼製模具的複合表面處理方法，具體講，涉及鋼製模具的氣體軟氮化與金屬離子注入或金屬和碳雙離子注入的複合表面處理方法。
目前，鋼製模具的表面處理方法主要是採用單一的化學熱處理，如滲入C、N等；或氣相沉積法；或N離子注入法。其中所述的化學熱處理一般為氣體軟氮化，即碳氮低溫共滲，用碳的滲入來加速氮的滲入，該方法在金屬擠壓加工用的模具中廣泛被採用。
金屬離子注入方法是八十年代以來發展起來的材料表面改性技術，其主要特點是注入元素的濃度可以大大超過平衡固溶度，根據注入元素的不同，可改善材料表面的耐磨、減摩、耐蝕、抗氧化、抗疲勞等多種性能，可以在近室溫、低溫或高溫下進行注入，不改變被處理件的外觀尺寸精度和表面光潔度離子注入表面優化層與基體之間沒有明顯的界面，不存在剝落問題。如中國專利申請公開CN1087131A中即公開了一種金屬等離子體源離子注入方法及裝置。
但是，當被塑性成形的合金強度高，而且要求產品表面光潔度好，則上述單一的化學熱處理，如滲C、N等，或N離子注入方法所處理的模具的耐磨性不能充分滿足要求，工作帶表面容易出現明顯劃痕，使產品不合格，因而生產過程中需要頻繁地更換模具，增加了消耗，提高了成本。
本發明的目的是提供一種鋼製模具的複合表面處理方法，該方法使處理後的模具具有非常好的耐磨性、尺寸精度和表面光潔度，且具有進一步提高的壽命。
本發明的上述目的是這樣實現，即本發明的技術方案是採用氣體軟氮化與金屬離子注入的複合表面處理方法，或者採用氣體軟氮化與金屬和碳雙離子注入的複合表面處理方法，對鋼製表面進行複合處理。
本發明的鋼製模具的複合表面處理方法包括首先將鋼製模具進行氣體軟氮化處理，然後再進行金屬離子注入，其中的氣體軟氮化處理參數溫度530-570℃，時間2-4小時，金屬離子注入參數真空度2-3×10-3帕，注入金屬元素選自Ti、Ta、Hf、W等金屬元素，注入劑量5×1016-3×1018離子/cm2，注入能量80-400keV。
本發明的另一種鋼製模具的複合表面處理方法包括首先將鋼製模具進行氣體軟氮化處理，然後再進行金屬和碳雙離子注入，其中的氣體軟氮化處理參數為溫度530-570℃，時間2-4小時，金屬和碳雙離子注入參數真空度2-3×10-3帕，注入金屬元素選自Ti、Ta、Hf、W等金屬元素，注入劑量金屬和碳離子注入劑量均為5×1016-3×1018離子/cm2，注入能量金屬元素80-400keV，碳元素50-200keV。
本發明鋼製模具的複合表面處理方法將氣體軟氮化與金屬離子注入或金屬和碳雙離子注入結合起來，得到了比單一軟氮化處理或單一金屬離子注入方法優越得多的技術效果。
本發明鋼製模具的氣體軟氮化與金屬離子注入的複合表面處理方法使鋼製模具表面具有二部分改性層；近表面為軟氮化＋離子注入改性層，其下部為軟氮化改性層，金屬離子注入後形成的近表面層為金屬的碳化物、氮化物或碳氮化物，產生非晶態，使模具表面處於壓應力狀態，使模具表面改性層的組織結構發生了變化，從而改變了其性能，使模具的耐磨性、減摩性得到顯著的提高，提高了模具壽命。
本發明的軟氮化與金屬和碳雙離子注入處理方法，使複合表面處理的鋼製模具表面也具有上述兩部份改性層，也具有耐磨性顯著提高的技術效果，另外，由於金屬離子注入同時又注入了碳原子，更有利於非晶態的產生，使模具表面具有了更優良的潤滑性能，降低了模具表面的摩擦係數，因而顯著提高了工件的光潔度等表面性能，提高了模具壽命。
本發明的鋼製模具複合表面處理方法使處理後的模具壽命較僅氣體軟氮化處理的模具壽命提高20-40倍，且使模具加工工件時降低擠壓力10-30％。
另外，本發明的方法使處理後的模具不改變原有的尺寸精度和表面光潔度。
本發明的鋼製模具複合表面處理方法在工業上方便易行，工藝易於控制，具有廣闊的工業應用前景。
下面結合具體實施例進一步地說明本發明的鋼製模具複合表面處理方法。
實施例1冷衝模具的氣體軟氮化與金屬離子注入的複合表面處理方法。
首先將材質為Cr4W2MoV的冷衝模具進行氣體軟氮化，在常規化學熱處理爐中即可進行，氣體軟氮化的處理溫度為540℃，處理時間為3小時，所用氣體氣氛為常規氣體軟氮化氣氛，模具進行氣體軟氮化之後，進行金屬Ti離子注入，注入參數為真空度為2-3×10-3帕，金屬Ti離子注入劑量為3×1017離子/cm2，注入能量100kev。
對如上處理後的冷衝模具進行性能檢測，發現經如上處理後模具的表面硬度較僅進行氣體軟氮化後提高了1.5倍，使用壽命提高了20倍。
實施例2熱擠壓模具的氣體軟氮化與金屬和碳雙離子注入的複合表面處理方法。
首先將材質為H13鋼的熱擠壓模具進行氣體軟氮化，處理溫度為560℃，處理時間為4小時，之後進行金屬Ti和碳雙離子注入，注入參數為真空度2×10-3帕，Ti注入劑量4×1017離子/cm2，碳離子注入劑量為4×1017離子/cm2，注入劑量金屬Ti離子150kev，碳離子80kev。
用經上述處理的熱擠壓模具擠壓鋁合金材，以測量其使用壽命。該處理的熱擠壓模具可擠壓合格鋁合金材2-3噸，而僅經氣體軟氮化的同樣熱擠壓模具僅能擠壓合格鋁合金材100公斤左右，因而可看出，經本發明方法處理的熱擠壓模具的壽命提高了20-30倍。另外，經本發明處理的熱擠壓模具的擠壓力與同樣結構的僅經氣體軟氮化處理模具降低10-20％。
實施例3熱衝模具的氣體軟氮化與金屬和碳雙離子注入的複合表面處理方法。
將材質為3Cr2W8V的熱衝模具首先進行氣體軟氮化，處理溫度為570℃，處理時間為2小時，之後進行金屬Ta和碳雙離子注入，注入參數為真空度3×10-3帕，注入劑量2×1018離子/cm2，注入能量金屬Ta離子350kev，碳離子180kev。
測量複合表面處理後熱衝模具的摩擦係數，摩擦係數從0.7降至0.1，因而可知，經本發明處理後的熱衝模具的自潤滑性能大大提高了。
由上述實施例及其性能測試結果可看出，經本發明的複合表面處理後的鋼製模具(冷作和熱作模具)的耐磨性、自潤滑性等各種性能均得到提高，因而大大提高了模具的使用壽命和產品的合格率，提高了生產率，降低了生產成本，具有廣闊的工業應用前景。
需進一步指出的是，本技術領域的技術人員都會知道，本發明的複合表面處理方法並不僅限於鋼製模具的表面處理，同樣可以用於各種工具鋼的表面處理。
權利要求
1.一種鋼製模具的複合表面處理方法，其特徵在於該方法包括首先將鋼製模具進行氣體軟氮化處理，然後再進行金屬離子注入，其中所述注入金屬元素選自Ti、Ta、Hf、W等。
2.權利要求1的鋼製模具的複合表面處理方法，其中的氣體軟氮化處理參數為溫度530-570℃，時間2-4小時。
3.權利要求1的鋼製模具的複合表面處理方法，其中的金屬離子注入參數真空度2-3×10-3帕，注入劑量5×1016-3×1018離子/cm2，注入能量80-400kev。
4.一種鋼製模具的複合表面處理方法，其特徵在於該方法包括首先將鋼製模具進行氣體軟氮化處理，然後再進行金屬和碳雙離子注入，其中所述注入金屬元素選自Ti、Ta、Hf、W等。
5.權利要求4的鋼製模具的複合表面處理方法，其中的氣體軟氮化處理參數為溫度530-570℃，時間2-4小時。
6.權利要求4的鋼製模具的複合表面處理方法，其中的金屬和碳雙離子注入參數為真空度2-3×10-3帕，注入劑量金屬和碳離子注入劑量均為5×1016-3×1018離子/cm2，注入能量金屬元素80-400kev，碳元素50-200kev。
全文摘要
本發明涉及一種鋼製模具的複合表面處理方法，該方法包括首先將鋼製模具進行氣體軟氮化處理，再進行金屬離子注入；或者首先將鋼製模具進行氣體軟氮化處理，再進行金屬和碳雙離子注入，其中所述金屬元素選自Ti、Ta、Hf、W等。該方法改善了鋼製模具的耐磨性和自潤滑性，顯著地提高了模具的使用壽命，以及產品的合格率，具有廣闊的工業應用前景。
文檔編號C23C28/00GK1122380SQ9510974
公開日1996年5月15日 申請日期1995年8月25日 優先權日1995年8月25日
發明者桑吉梅, 林文廉, 袁曉珉, 徐駿, 丁曉紀 申請人:北京有色金屬研究總院, 北京師範大學低能核物理研究所