一種高硬度高耐磨性磁性材料粉末成型模具的製作方法

2023-06-25 00:03:31

專利名稱：一種高硬度高耐磨性磁性材料粉末成型模具的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種模具，尤其是用於磁性材料粉末成型的模具。
背景技術：
粘結磁性材料是將具有一定永磁性能的磁性材料粉末與粘結劑和其他添加劑按 照一定比例均勻混合後用壓制、擠出或注射成型等方法，按設計要求直接成型為各種形狀 的永磁材料。壓製成型是永磁鐵生產過程的重要工序之一。壓製成型模具的硬度、耐磨性、 抗細粉粘著性能以及綜合使用壽命是直接影響磁體質量和生產效率的重要因素之一。通常 磁材成型模具大多採用無磁鋼熱處理後即使用，由於磁性材料粉末具有尖銳的外形和一定 的硬度，再加上高壓成型壓力的作用，容易造成模具表面產生犁溝和磨損，從而引起粘模、 模具開裂、磁體壓坯密度不高等後果。因此提高磁體壓製成型模具的表面質量和性能具有 重要技術意義。另一方面，TiN, CrN等硬質鍍層已經被廣泛應用於切削刀具和一些模具。CrN由 於具有良好的抗磨性、抗高溫氧化性和耐蝕性而引起人們的重視，CrN鍍層中可以添加Al、 Ti、W等元素，形成Cr-N基三元甚至多元鍍層。

實用新型內容本實用新型的目的是克服上述背景技術的不足，提供一種磁性材料粉末成型模具 的改進，該模具應具有較高的抗磨粒磨損性能、抗磁性材料粉末粘著性能和較長的使用壽 命；並且製備簡便、工藝穩定且可重複性高，並適合規模化生產。本實用新型提供的技術方案是一種高硬度高耐磨性磁性材料粉末成型模具，包括無磁模具鋼基體，其特徵在於 在基體表面鍍有納米結構Cr基氮化物鍍層，該鍍層沿基體表面垂直方向自裡向外依次為 Cr界面層、CrN過渡層、Cr_TiN/AlN_N調幅結構層；所述Cr_TiN/AlN_N調幅結構層，由 CrN(氮化鉻)層、TiN(氮化鈦)層、CrN層、AlN(氮化鋁)層依次規則排列形成的循環層 反覆循環構成；以上CrN過渡層中，氮元素與鉻元素的比例為0 4.3 1，是一個氮元素 逐漸增多的漸變的過程；Cr-TiN/AlN-N調幅結構層中，CrN中氮元素與鉻元素的比例為4 4.3 1，TiN中鈦元素與氮元素之間的比例為0. 15 0. 2 1、AlN中鋁元素與氮元素之 間的比例為0. 2 0. 25 1。所述的Cr界面層厚度為0. 2-0. 4 μ m ；所述的CrN過渡層厚度為0. 8 3 μ m ；所 述Cr-TiN/AlN-N調幅結構層中的每個循環層厚度(調幅波長)為小於50nm，每個循環層 中的CrN層或TiN層或AlN層的厚度均是5 15nm ；Cr-TiN/AlN-N調幅結構層的總厚度為 1. 5 5. 0 μ m。一種高硬度高耐磨性磁性材料粉末成型模具的製作方法，依照下列步驟進行1)用常規金屬加工方法製作模具基體，使其幾何形狀符合要求；2)採用閉合磁場非平衡磁控濺射離子鍍設備，將被鍍基體放置於該設備真 空腔內可旋轉的工件架8上，基體周圍分別布置Cr金屬靶5、Ti金屬靶6和Al金屬靶7 ；濺射靶由直流磁控濺射電源提供恆定電流或恆定功率，被鍍基體和濺射靶之間施加直流脈衝負偏 壓；3)鍍膜之前首先對基體表面用等離子體進行轟擊清洗；沉積Cr界面層時僅通入 氬氣，沉積CrN梯度過渡層和Cr-TiN/AlN-N調幅結構層時同時通入氬氣和氮氣，氮氣的流 量用置於Cr靶近表面的光發射譜裝置進行閉環控制，以精確調變鍍層的成分。所述方法中Cr、Ti和Al靶電流的輸入功率均為0 3kW可調，以用於調節鍍層中 的各元素的含量。所述方法中在沉積CrN過渡層和Cr-TiN/AlN-N調幅結構層時通入的氬 氣流量為IOsccm (每分鐘10毫升)。所述方法中基體直流脈衝偏壓為0 500V可調，以獲 得不同力學和摩擦學性能的鍍層。製備鍍層採用了閉合磁場非平衡磁控濺射離子鍍設備。製備時使用了 Cr、Al、Ti 等單金屬靶，在沉積Cr過程中氮氣的流量用置於Cr靶近表面的光發射譜裝置進行閉環控 制，以精確調變鍍層的成分。沉積時基體施加直流脈衝偏壓，沉積的Cr-TiN/AlN-N調幅結 構層具有納米多層調幅結構。在基體表面形成納米結構Cr基氮化物鍍層D ；該Cr基氮化 物鍍層從基體4垂直向外依次為Cr界面層1、CrN梯度過渡層2、Cr-TiN/AlN-N調幅結構 層3 ；其中Cr-TiN/AlN-N調幅結構層的調幅波長(即CrN層、TiN層、CrN層和AlN層疊合 後的單個循環層厚度)小於50nm，硬度可達20 30GPa ；每個循環層中的CrN層或TiN層 或AlN層的厚度均是5 15nm。本實用新型的有益效果在於(1)在較低的鍍制溫度下(280°C以下)可以獲得優異的膜基結合強度(劃痕法測 定臨界載荷大於60N)的鍍層。除此之外，還可以在其它低回火溫度的工模具或機械零部件 等基體上進行鍍制鍍層。(2)鍍層硬度高(20 30GPa)，在合適的元素添加量條件下，最高硬度超過30GPa。(3)可顯著提高磁體成型模具的抵抗磨粒磨損性能(用球盤磨損試驗機測定的比 磨損率為1. OX 10_16 10. OX 10-16m3/N. m ；用球盤磨損試驗機測定的與直徑5mm的WC_6% Co球對磨時的摩擦係數為0. 4 0. 6)。該鍍層材料也可用於磨粒磨損服役條件下的各類 模具和機械零部件，以及機械加工行業的刀具。(4)採用了置於Cr靶近表面的光發射譜裝置對反應濺射時的氮氣流量進行閉環 控制，從而可以精確控制鍍層成分；同時可方便地獲得結構緻密、表面層呈納米調幅結構的 高硬度鍍層。(5)鍍層製備方法簡單，全程可計算機控制，工藝穩定且可重複性高，適合規模化生產。

圖1為本實用新型所製得的Cr-TiN/AlN-N調幅結構層高緻密度鍍層表面的結構 示意圖。圖2為本實用新型所製得的Cr-TiN/AlN-N調幅結構層納米壓入法測定的硬度曲 線圖。圖3為本實用新型所製得的Cr-TiN/AlN-N調幅結構層摩擦係數曲線圖。[0023]圖4為本實用新型所用閉合磁場非平衡磁控濺射離子鍍設備原理圖。
具體實施方式
以下結合實施例進一步說明。具體製備鍍層(即膜層)的方法採用了非平衡磁控濺射離子鍍設備(外購設備)。 該設備較傳統的磁控濺射相比，能夠有效地拓寬空間等離子區域和增加等離子區域的等離 子密度。由於空間離子區域的拓寬，可以有效增加鍍膜區域，提高膜層品質。而且由於離子 空間區域的增加使工件時刻受到離子的轟擊，膜層和基體的結合力也有很大的改進。空間 離子濃度的增加有利於化合反應的順利進行，從而形成品質更佳的膜層。經測試的膜層與 基體的結合力超過60N，已經達到並超過一般工業使用中60N結合力的要求。所謂非平衡磁控濺射是將某一磁極的磁場對於另一極性相反磁極的磁場增強或 減弱，這就導致了磁場分布的「非平衡」。在保證靶面水平磁場分量有效地約束二次電子運 動，可以維持穩定的磁控濺射放電的同時，另一部分電子沿著強磁極產生的垂直靶面的縱 向磁場，可以使逃逸出靶面的電子飛向鍍膜區域。這些飛離靶面的電子還會與中性粒子產 生碰幢電離，進一步提高鍍膜空間的等離子體密度，有利於提高沉積速率，更有利於沉積高 品質的鍍層。非平衡磁控濺射離子鍍設備中設有若干個不同金屬材料的濺射靶(參見圖4)，具 體膜層中的元素含量，是在鍍膜時調控濺射電流的大小來進行控制的。如果某種金屬(如 鉻)的濺射電流調大，那麼相應的膜層裡這種金屬元素要增加；如果不濺射某種金屬(如 鋁)，那麼相應的膜層裡就沒有這種金屬元素。實施例1鍍層基體為1 μ m的金剛石研磨膏拋光的硬度為HRC60-62的M42高速鋼和(100) 單晶矽片，用丙酮溶液中進行超聲波清洗20分鐘，放入鍍層設備真空室的旋轉試樣架上 (如圖4所示)。氬氣流量IOsccm時真空度2Pa，用500V偏壓等離子體轟擊清洗基體表面 20分鐘。偏壓-65V時沉積Cr界面層打底5min，Cr靶輸入功率2kW。接著通入氮氣並逐漸 增加氮氣流量鍍制CrN梯度過渡層，時間60min，其它參數與製備Cr界面層時一樣。最後打 開Ti和Al靶，靶輸入功率2kW，其它參數與上一個步驟一樣。在整個鍍制過程中，脈衝偏壓 的參數為頻率500kHz，脈衝寬度250ns，基體所在的一軸旋轉試樣架的轉速是5rpm。所得樣品根據以下方式檢測鍍層的硬度用納米壓入儀測量，每一試樣在不同位置測量6點取平均值。鍍層厚度分別用球坑儀和斷面掃描電鏡測定。鍍層耐磨性和摩擦係數用球盤磨損試驗機測量，對磨材料為直徑5mm的WC-6 % Co 硬質合金球，相對滑動速度120m/min，載荷20N，磨損時間30min。用Teer ST2200劃痕儀定量測量鍍層的結合強度，載荷從ION加到60N，滑動速度 10mm/mino鍍層表面和斷面形貌用用S 4700F場發射掃描電鏡(FESEM)觀測鍍層斷口形貌。檢測結果是Cr界面層厚度為0. 3 μ m ；CrN過渡層厚度 為1 μ m ；Cr-TiN/AlN-N調 幅結構層的總厚度為3 μ m。硬度是2800HV，比磨損率為4X 10_16。[0037]實施例2將偏壓調節成-75V，其它所有實施過程和參數同實施例1。檢測結果是Cr界面層厚度為0. 3 μ m ；CrN過渡層厚度為1 μ m ；Cr-TiN/AlN-N調 幅結構層的總厚度為2. 8 μ Hi0硬度是3000HV，比磨損率為2.8Χ10-16。實施例3將偏壓調節成-85V，其它所有實施過程和參數同實施例1。檢測結果是Cr界面層厚度為0. 25 μ m ；CrN過渡層厚度為0.9 μ m ；Cr-TiN/AlN-N 調幅結構層的總厚度為2. 5μπι。硬度是3300HV，比磨損率為6Χ10_16。
權利要求一種高硬度高耐磨性磁性材料粉末成型模具，包括無磁模具鋼基體(4)，其特徵在於在基體表面鍍有納米結構Cr基氮化物鍍層(D)，該鍍層沿基體表面垂直方向自裡向外依次為Cr界面層(1)、CrN過渡層(2)、Cr-TiN/AlN-N調幅結構層(3)；所述Cr-TiN/AlN-N調幅結構層，由CrN層、TiN層、CrN層、AlN層依次規則排列形成的循環層反覆循環構成。
2.根據權利要求1所述的一種高硬度高耐磨性磁性材料粉末成型模具，其特徵在於所 述的Cr界面層(1)厚度為0. 2-0.4μπι;所述的CrN過渡層(2)厚度為0. 8 3 μ m ；所述 Cr-TiN/AlN-N調幅結構層(3)中的每個循環層厚度為小於50nm，Cr_TiN/AlN_N調幅結構 層的總厚度為1. 5 5.0 μ m。
3.根據權利要求2所述的一種高硬度高耐磨性磁性材料粉末成型模具，其特徵在於所 述的Cr-TiN/AlN-N調幅結構層中的每個循環層中的CrN層或TiN層或AlN層的厚度均為 5 15nm0
專利摘要本實用新型涉及一種模具，尤其是用於磁性材料粉末成型的模具。目的是提供的模具具有較高的抗磨粒磨損性能、抗磁性材料粉末粘著性能和較長的使用壽命。本實用新型的技術方案一種高硬度高耐磨性磁性材料粉末成型模具，包括無磁模具鋼基體，在基體表面鍍有納米結構的Cr基氮化物鍍層，鍍層沿基體表面垂直方向自裡向外依次為Cr界面層、CrN過渡層、Cr-TiN/AlN-N調幅結構層；所述Cr-TiN/AlN-N調幅結構層，由CrN層、TiN層、CrN層、AlN層依次規則排列形成的循環層反覆循環構成。
文檔編號B28B7/00GK201587026SQ200920200318
公開日2010年9月22日 申請日期2009年11月9日 優先權日2009年11月9日
發明者周仔麒, 周慶榮, 孫海林 申請人:浙江匯錦梯爾鍍層科技有限公司