專利名稱：冷鍛模型面硬質(zhì)覆膜強(qiáng)化處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冷鍛模型面表面硬化處理方法。
背景技術(shù)：
冷鍛模(冷輾擴(kuò)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。由于模具型腔基本按照成品尺寸設(shè)計制造，尺寸狹窄，過渡陡然，在使用過程中，型腔表面(型面)承受劇烈的沖擊載荷和很高的拉壓應(yīng)力，磨損嚴(yán)重，開裂、崩角現(xiàn)象普遍。冷鍛模常采用高碳高鉻鋼或高速鋼制造，材料合金含量很高，組織中的碳化物粗大、網(wǎng)狀且分布不均勻。熱處理工藝對細(xì)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(qiáng)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(qiáng)度及硬度直接影響模具使用壽命。表面工程技術(shù)能夠使模具型面具有高強(qiáng)度及高硬度，從而提高了耐磨損性能。
表面工程應(yīng)用于冷鍛模型面處理的主要工藝方法有熱擴(kuò)滲、表面淬火、表面形變強(qiáng)化、熱噴涂以及高能束表面改性技術(shù)等，但目前應(yīng)用上述方法仍存在硬度不足、力學(xué)性能不均勻、與基材的界面結(jié)合不穩(wěn)定、結(jié)合強(qiáng)度低及耐磨損性能不高等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對高碳高鉻鋼、高速鋼冷鍛模的常規(guī)熱處理存在型面硬度不高、耐磨損性差的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種冷鍛模使用壽命長的冷鍛模型面硬質(zhì)覆膜強(qiáng)化處理方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是冷鍛模型面硬質(zhì)覆膜強(qiáng)化處理方法，其特征是在冷鍛模具型面進(jìn)行物理氣相沉積離子鍍膜制備TiN或TiC超硬質(zhì)覆膜，包括如下步驟1)、鍍前處理；2)、裝件將清洗干凈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后，引弧放電，再充入氮?dú)饣蛘逤H4或C2H2，使蒸發(fā)原子部分電離成離子，同時產(chǎn)生大量高能中性粒子沉積于模具型面形成TiN或TiC硬質(zhì)覆膜；6)、冷卻鍍膜后的冷鍛模具冷卻室溫；7)、取件將冷卻后的冷鍛模具取出，即得成品。
所述的冷鍛模型面TiN或TiC超硬質(zhì)覆膜厚度為3-5μm。
冷鍛模型面采用離子鍍膜制備TiN或TiC超硬質(zhì)覆膜，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)膜層與基材(冷鍛模型面)結(jié)合力高，界面附著力強(qiáng)。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(jié)合強(qiáng)度。
(2)離子鍍工藝?yán)@射性好，均鍍能力強(qiáng)。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(qiáng)高硬、致密，沉積速率快，鍍前清洗工序簡單、環(huán)保。
本發(fā)明采用在冷鍛模具型面進(jìn)行物理氣相沉積離子鍍膜的方法制備TiN或TiC超硬質(zhì)覆膜，解決了冷輾擴(kuò)、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(qiáng)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(qiáng)韌性，能夠承受沖擊載荷。由于對型面進(jìn)行硬質(zhì)覆膜強(qiáng)化處理使冷鍛模材料的力學(xué)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(fā)明所提出的冷鍛模型面離子鍍制備TiN或TiC超硬質(zhì)覆膜方法，本發(fā)明的產(chǎn)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(fā)明的基本工藝流程圖具體實(shí)施方式
實(shí)施例1冷鍛模型面硬質(zhì)覆膜強(qiáng)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(yù)處理和工件清洗。預(yù)處理是對冷鍛模具型面進(jìn)行磨拋加工，其型面粗糙度不大于0.5μm；工件清洗是對冷鍛模具進(jìn)行除污、除塵、除銹處理。
包括鍍膜室清理和工件夾具的清洗、蒸發(fā)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(fā)源的安裝時應(yīng)戴脫脂手套，蒸發(fā)源與電極應(yīng)接觸良好。裝夾蒸發(fā)材料。工件裝卡，一般要使用干凈工具。手拿時，應(yīng)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(kuò)散泵如果未加熱，在第一次抽真空時，首先打開冷水閥，然后關(guān)閉管道閥，啟動機(jī)械泵，打開真空室預(yù)抽閥，抽至6.7Pa以上的真空度。之后關(guān)閉預(yù)抽閥，開管道閥，將擴(kuò)散泵前級的真空度抽至6.7Pa，接通擴(kuò)散泵加熱電源至擴(kuò)散泵加熱時間，再打開高閥，用擴(kuò)散泵將真空室抽至基礎(chǔ)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后，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(diǎn)燃空心陰極電子槍后，切斷引燃電源，逐漸減少氬氣通入量?？刂普婵斩仍?×10-1-4×10-2Pa，調(diào)整空心陰極電子槍功率至5-10kW(根據(jù)型面面積和形狀復(fù)雜程度調(diào)整)。接通工件負(fù)偏壓電源，電壓控制在50-100V，通入氮?dú)猓獨(dú)夥謮簽?.6×10-1-8×10-2Pa，進(jìn)行TiN沉積，時間60min。沉積結(jié)束后，切斷空心陰極電子槍電源、聚焦電源、工件負(fù)偏壓電源和烘烤加熱電源，停止通氬氣、氮?dú)狻?br> 6)、冷卻鍍膜后的冷鍛模具冷卻室溫。
7)、取件將冷卻后的冷鍛模具取出，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(shí)施例2冷鍛模型面硬質(zhì)覆膜強(qiáng)化處理方法(活性反應(yīng)離子鍍TiN膜)，具體步驟如下1)、鍍前處理包括預(yù)處理和工件清洗。預(yù)處理是對冷鍛模具型面進(jìn)行磨拋加工，其型面粗糙度不大于0.5μm；工件清洗是對冷鍛模具進(jìn)行除污、除塵、除銹處理。
包括鍍膜室清理和工件夾具的清洗、蒸發(fā)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(fā)源的安裝時應(yīng)戴脫脂手套，蒸發(fā)源與電極應(yīng)接觸良好。裝夾蒸發(fā)材料。工件裝卡，一般要使用干凈工具。手拿時，應(yīng)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(kuò)散泵如果未加熱，在第一次抽真空時，首先打開冷水閥，然后關(guān)閉管道閥，啟動機(jī)械泵，打開真空室預(yù)抽閥，抽至6.7Pa以上的真空度。之后關(guān)閉預(yù)抽閥，開管道閥，將擴(kuò)散泵前級的真空度抽至6.7Pa，接通擴(kuò)散泵加熱電源至擴(kuò)散泵加熱時間，再打開高閥，用擴(kuò)散泵將真空室抽至基礎(chǔ)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后，鍍膜室充氬氣4-4.7Pa，工件通1-5kV負(fù)偏壓，使工件產(chǎn)生輝光放電，用氬離子轟擊濺射以清洗工件15min。切斷負(fù)偏壓電源，關(guān)閉氬氣，接通e型電子槍的燈絲高壓和磁偏轉(zhuǎn)電源，調(diào)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(fā)并通入氮?dú)?，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(xiàn)電流。調(diào)整、穩(wěn)定電流，開始沉積TiN，沉積時間70min后，關(guān)閉擋板，關(guān)閉氮?dú)?，然后切斷電子槍、探極和烘烤加熱電源。
6)、冷卻鍍膜后的冷鍛模具冷卻室溫。
7)、取件將冷卻后的冷鍛模具取出，即得成品。
實(shí)施例3冷鍛模型面硬質(zhì)覆膜強(qiáng)化處理方法(活性反應(yīng)離子鍍TiC膜)，與實(shí)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(yīng)的氣體為CH4或C2H2。反應(yīng)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后，鍍膜室充氬氣4-4.7Pa，工件通2-5kV負(fù)偏壓，使工件產(chǎn)生輝光放電，用氬離子轟擊濺射以清洗工件15min。切斷負(fù)偏壓電源，關(guān)閉氬氣，接通e型電子槍的燈絲高壓和磁偏轉(zhuǎn)電源，調(diào)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(fā)并通入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(xiàn)電流。調(diào)整、穩(wěn)定電流，開始沉積TiC，沉積時間80min后，關(guān)閉擋板，關(guān)閉CH4或C2H2，然后切斷電子槍、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(shí)施例4冷鍛模型面硬質(zhì)覆膜強(qiáng)化處理方法(空心陰極離子鍍TiC膜)，與實(shí)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(yīng)氣體使用CH4或C2H2。反應(yīng)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后，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(diǎn)燃空心陰極電子槍后，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(diào)整空心陰極電子槍功率至5-10kW(根據(jù)型面面積和形狀復(fù)雜程度調(diào)整)。接通工件負(fù)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(jìn)行TiN沉積，時間80min。沉積結(jié)束后，切斷空心陰極電子槍電源、聚焦電源、工件負(fù)偏壓電源和烘烤加熱電源，停止通氬氣、CH4或C2H2。
權(quán)利要求
1.冷鍛模型面硬質(zhì)覆膜強(qiáng)化處理方法，其特征是在冷鍛模具型面進(jìn)行物理氣相沉積離子鍍膜制備TiN或TiC超硬質(zhì)覆膜，包括如下步驟1)、鍍前處理；2)、裝件將清洗干凈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后，引弧放電，再充入氮?dú)饣蛘逤H4或C2H2，使蒸發(fā)原子部分電離成離子，同時產(chǎn)生大量高能中性粒子沉積于模具型面形成TiN或TiC硬質(zhì)覆膜；6)、冷卻鍍膜后的冷鍛模具冷卻室溫；7)、取件將冷卻后的冷鍛模具取出，即得成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷鍛模型面硬質(zhì)覆膜強(qiáng)化處理方法，其特征是所述的離子轟擊及沉積為采用空心陰極離子鍍TiN膜冷鍛模具及鍍料鈦加熱后，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(diǎn)燃空心陰極電子槍后，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(diào)整空心陰極電子槍功率至5-10kW；接通工件負(fù)偏壓電源，電壓為50-100V，通入氮?dú)?，氮?dú)夥謮簽?.6×10-1-8×10-2Pa，進(jìn)行TiN沉積，時間60min；沉積結(jié)束后，切斷空心陰極電子槍電源、聚焦電源、工件負(fù)偏壓電源和烘烤加熱電源，停止通入氬氣、氮?dú)狻?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷鍛模型面硬質(zhì)覆膜強(qiáng)化處理方法，其特征是所述的離子轟擊及沉積為采用活性反應(yīng)離子鍍TiN膜冷鍛模具及鍍料鈦加熱后，鍍膜室充氬氣4-4.7Pa，工件通1-5kV負(fù)偏壓，使工件產(chǎn)生輝光放電，用氬離子轟擊濺射以清洗工件15min；切斷負(fù)偏壓電源，關(guān)閉氬氣，接通e型電子槍的燈絲高壓和磁偏轉(zhuǎn)電源，調(diào)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(fā)并通入氮?dú)?，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(xiàn)電流；調(diào)整、穩(wěn)定電流，開始沉積TiN，沉積時間70min后，關(guān)閉擋板，關(guān)閉氮?dú)?，然后切斷電子槍、探極和烘烤加熱電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷鍛模型面硬質(zhì)覆膜強(qiáng)化處理方法，其特征是所述的離子轟擊及沉積為采用活性反應(yīng)離子鍍TiC膜冷鍛模具及鍍料鈦加熱后，鍍膜室充氬氣4-4.7Pa，工件通2-5kV負(fù)偏壓，使工件產(chǎn)生輝光放電，用氬離子轟擊濺射以清洗工件15min；切斷負(fù)偏壓電源，關(guān)閉氬氣，接通e型電子槍的燈絲高壓和磁偏轉(zhuǎn)電源，調(diào)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(fā)并通入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(xiàn)電流；調(diào)整、穩(wěn)定電流，開始沉積TiC，沉積時間80min后，關(guān)閉擋板，關(guān)閉CH4或C2H2，然后切斷電子槍、探極和烘烤加熱電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷鍛模型面硬質(zhì)覆膜強(qiáng)化處理方法，其特征是所述的離子轟擊及沉積為采用空心陰極離子鍍TiC膜冷鍛模具及鍍料鈦加熱后，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(diǎn)燃空心陰極電子槍后，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(diào)整空心陰極電子槍功率至5-10kW；接通工件負(fù)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(jìn)行TiN沉積，時間80min；沉積結(jié)束后，切斷空心陰極電子槍電源、聚焦電源、工件負(fù)偏壓電源和烘烤加熱電源，停止通入氬氣、CH4或C2H2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷鍛模型面硬質(zhì)覆膜強(qiáng)化處理方法，其特征是所述的冷鍛模型面TiN或TiC超硬質(zhì)覆膜厚度為3-5μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種冷鍛模型面處理方法。冷鍛模型面硬質(zhì)覆膜強(qiáng)化處理方法，其特征是在冷鍛模具型面進(jìn)行物理氣相沉積離子鍍膜制備TiN或TiC超硬質(zhì)覆膜，包括如下步驟1)、鍍前處理；2)、裝件將清洗干凈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后，引弧放電，再充入氮?dú)饣蛘逤H
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(yōu)先權(quán)日2005年1月28日
發(fā)明者華林, 余際星, 趙玉民, 毛華杰 申請人:武漢理工大學(xué)