CN101233255A - 铝挤出模具的表面处理方法以及铝挤出模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有耐磨性和耐分离性的铝挤出模具的表面处理方法。该铝挤出模具的表面处理方法包括第一渗氮处理步骤，该步骤通过在含渗碳气体的渗氮气体气氛中对由工具钢制成的主体(5)进行加热和保持，而在模具主体(5)的表层部分形成含碳和氮的扩散硬化层(6)；该方法还包括第二渗氮步骤，该步骤通过在不含渗碳气体的渗氮气体气氛中加热和保持进行过第一渗氮处理步骤的模具主体(5)，而在扩散硬化层(6)的表面上形成基本不含碳的化合物层(7)。

Description

铝挤出模具的表面处理方法以及铝挤出模具

本申请要求享有于2005年7月29日提交的日本专利申请No.2005-221266和于2005年8月3日提交的美国临时申请S.N.60/704,875的优先权，这两篇申请的全文引用在此作为参考。

对相关申请的交叉参考

本申请是根据35U.S.C.§111(a)提交的申请，并根据35U.S.C.§119(e)要求享有根据35U.S.C.§111(b)于2005年8月3日提交的美国临时申请S.N.60/704,875的申请日权益。

技术领域

本发明涉及具有耐磨性和耐分离性的铝(包括其合金)挤出模具的表面处理方法，还涉及通过该方法获得的铝挤出模具。

背景技术

下面的描述提出发明人对相关技术和其中存在问题的认识，不应被认为是对现有技术的认可。

铝材料由于重量轻并且耐腐蚀性好已经被广泛地用作建筑材料等。在这些铝材料中，为了获得对光泽度有要求的构件，已广泛地采用了挤出模制成形。在这种模具中，基于JIS(日本工业标准)SKD61或SKD62的工具钢被用作模具基材。

此外，模具的用于挤出铝合金的支承面等的磨损程度对所获得的挤出材料的尺寸和/或表面质量有很大影响。特别是在3xxx系列铝合金的情况下，模具的支承面等很容易磨损。在这种情况下，为了控制这种磨损，已知对上述工具钢进行各种渗氮处理(见例如日本未审定公开专利公报No.H10-30164，该公报在下文中被称为“专利文献1”)。

上述对挤出模具的渗氮处理会产生位于最外部表面的通常称作化合物层的主要由Fe₂N和Fe₃N组成的氮化物层，并产生位于基体金属侧的其中扩散有氮的扩散硬化层。

在这种情况下，最外部表面的化合物层的硬度较高，例如1000MHv或更高，而与基体金属相比，该化合物层与所接触铝合金的亲和力较小，这有利于在进行挤出时控制模具的磨损和铝合金的粘附。此外，位于基体金属侧的扩散硬化层可用作中间层，该中间层防止化合物层和基体金属之间由于大的硬度差而分离。

在铝挤出步骤中，由于最后的构型仅通过挤出铝合金坯料而获得，所以施加在模具表面上的应力变得相当大。另一方面，通过氮扩散而使硬度增加的扩散硬化层趋于变得易脆。因此，通过例如挤出应力会使扩散硬化层破裂，从而导致扩散硬化层分离。扩散硬化层的这种分离会使挤出材料产生有缺陷的构型和/或受损的表面质量，有时还会产生分离的碎片混入挤出材料的问题。因此，经过渗氮的挤出模具需要具有耐分离性。

也就是说，在没有碳源添加到渗氮气体(用于渗氮处理的气体)的气体渗氮过程中，材料中的固溶碳C将会通过从基体金属表面扩散氮N而运动到基体金属侧。从而扩散硬化层中的C浓度减小，而扩散硬化层中的N浓度增加，这会产生易脆的渗氮层。当进行挤出而施加大的应力时，扩散硬化层的这种易脆性会导致裂纹的产生和发展。从而容易出现大的表面缺陷例如扩散硬化层的大部分分离。

为了控制渗氮层的脆性，有效地使用这样的方法，其中，不仅氮而且碳同时扩散，从而不仅形成氮化物而且形成碳氮化物或碳化物，该碳氮化物或碳化物是硬度比氮化物略低而韧性比氮化物高的化合物。对于这种方法，存在气体软化渗氮处理，其中，在含碳源的气氛和盐浴渗氮处理中进行渗氮处理。因此，如上述专利文献1所公开的一样，提出了一种通过在添加有具有碳源的气体的渗氮气体气氛中进行碳氮共渗，来改善与基体金属的分离特性的技术。

然而，铝合金的挤出温度通常为450℃或更高。因此，模具的支承部的温度会变成通常达到500℃或更高的更高的温度，其中，挤出的铝合金通过所述支承部用很大的力加工出。另一方面，主要由Fe₂N和Fe₃N形成的化合物层具有能包含大量固溶碳的特性。然而，在进行上述碳氮共渗处理的情况下，从研究结果已知，当化合物层中固溶碳的量增加时，化合物层在高温(约500℃或更高)时变得容易分解。

图1A示出在50％NH₃+50％渗碳气体(RX气体)的混合气体气氛中，在570℃加热温度×3小时保持时间的条件下，受到气体软化渗氮处理的样品的EPMA分析。另一方面，图1B示出在580℃加热温度×2小时保持时间的条件下，受到盐浴渗氮处理的样品的EPMA分析。在这些图中，“白色层”表示化合物层。利用这些方法，在最外部表面形成的化合物层也变为包括大量碳的氮化物。在这里，认为包含大量碳的化合物层在高温下容易分解的原因是因为C与Fe的粘合强度比N与Fe的粘合强度低。

因此，在挤出过程中受到高温时，包含固溶碳的化合物层具有比仅包含氮化物的化合物层容易分解的缺陷。从而，在挤出过程中，化合物层的厚度不仅通过简单的磨损而且通过分解而显著地减小。

如上所述，由于包含碳的化合物层容易通过分解而消失，所以专利文献1中公开的模具存在这样的问题，即，尽管扩散硬化层的韧性可以提高，但化合物层容易分解和消失，从而在挤出加工过程中使扩散硬化层暴露。一旦化合物层消失从而使扩散硬化层暴露，虽然扩散硬化层的硬度高例如为900至1100MHv，但由于与铝合金的亲和力变得与基体金属一样大，从而扩散硬化层很快地磨损。这又会导致所获得的挤出材料在表面质量上极大地受损的问题。

文中对其它出版物中公开的各个特点、实施例、方法和设备的优点和缺点的描述决不是用于限制本发明。事实上，本发明的某些特点可以克服某些缺点，而同时保留其它出版物中公开的特点、实施例、方法和设备。

从下文的优选实施例中可以清楚地看到本发明的其它目的和优点。

发明内容

考虑到相关技术中的上述和/或其它问题而研究出了本发明的优选实施例。本发明的优选实施例可以显著地改善现有的方法和/或设备。

本发明旨在解决传统技术的上述问题，并且目的在于提供一种具有耐磨性和耐分离性的铝挤出模具的表面处理方法、一种通过该方法获得的铝挤出模具、以及一种铝挤出模具的生产方法。

本发明提供了下列方式。

[1]一种铝挤出模具的表面处理方法，包括：

第一渗氮处理步骤，该步骤通过在含渗碳气体的渗氮气体气氛中对由工具钢制成的模具主体进行加热和保持，而在模具主体的表面层部分形成含碳和氮的扩散硬化层；以及

第二渗氮处理步骤，该步骤通过在不含渗碳气体的渗氮气体气氛中加热和保持进行过第一渗氮处理的模具主体，而在扩散硬化层的表面上形成基本不含碳的化合物层。

[2]如上述第1项所述的铝挤出模具的表面处理方法，其中，在第一渗氮处理步骤中，加热温度为500℃至580℃。

[3]如上述第1项所述的铝挤出模具的表面处理方法，其中，在第一渗氮处理步骤中，保持时间为1至5个小时。

[4]如上述第1项所述的铝挤出模具的表面处理方法，其中，在第一渗氮处理步骤中，渗碳气体是丁烷或丙烷的转化气，渗氮气体是NH₃气体或含NH₃气体和非渗氮气体的混合气体。

[5]如上述第4项所述的铝挤出模具的表面处理方法，其中，渗碳气体是RX气体。

[6]如上述第1项所述的铝挤出模具的表面处理方法，其中，在第一渗氮处理步骤中，扩散硬化层形成为具有50μm或更厚的厚度。

[7]如上述第1项所述的铝挤出模具的表面处理方法，其中，在第二渗氮处理步骤中，加热温度为500℃至580℃。

[8]如上述第1项所述的铝挤出模具的表面处理方法，其中，在第二渗氮处理步骤中，保持时间为1至5个小时。

[9]如上述第1项所述的铝挤出模具的表面处理方法，其中，在第二渗氮处理步骤中，渗氮气体是NH₃气体或含NH₃气体和非渗氮气体的混合气体。

[10]如上述第1项所述的铝挤出模具的表面处理方法，其中，在第二渗氮处理步骤中，扩散硬化层形成为具有2至10μm的厚度。

[11]如上述第1项所述的铝挤出模具的表面处理方法，其中，当在第二渗氮处理步骤中形成的化合物层的厚度通过挤出而减小或消失时，对模具进行包括第二渗氮处理步骤的再渗氮处理。

[12]如上述第1项所述的铝挤出模具的表面处理方法，其中，该模具用于挤出3xxx系列铝合金。

[13]如上述第1项所述的铝挤出模具的表面处理方法，其中，该模具由进行过硬化处理和回火处理的热处理工具钢制成。

[14]一种通过上述第1至13项中任一项所述的铝挤出模具的表面处理方法处理过的铝挤出模具。

[15]一种铝挤出模具，其中，在由工具钢制成的模具主体的表面层部分形成包含碳和氮的扩散硬化层，并且在该扩散硬化层的表面形成基本不含碳的化合物层。

[16]一种铝挤出模具的生产方法，包括上述第1至13项中任一项所述的铝挤出模具的表面处理方法。

本发明具有以下效果。

根据上述第[1]项所述的发明，为了获得其中模具表面的化合物层较难以分解并且使扩散硬化层难以分离的结构，在第一渗氮处理步骤中，在包含具有碳源的渗碳气体的渗氮气体气氛中进行渗氮处理(第一渗氮处理)后，在第二渗氮处理步骤中，在不含渗碳气体的渗氮气体气氛中进行渗氮处理(第二渗氮处理)。这可以通过将氮和碳都扩散到扩散硬化层中而防止扩散硬化层脆化，从而防止扩散硬化层分离。另外，通过尽可能地减少形成在最外部表面的化合物层中的碳浓度，来控制与Fe的粘结强度比一氮化二铁单质差的化合物--碳化物或碳氮化物--的形成，从而形成尤其在高温区域难以分解的化合物层。由此，可以获得具有耐磨性和耐分离性的渗氮层结构的铝挤出模具。如上所述，利用本发明的方法进行过表面处理的铝挤出模具包括具有耐磨性和耐分离性的渗氮层结构，因此，在模具用于在较高挤出温度挤出铝挤出管的情况下可以证实减少磨损量的效果。此外，由于该模具几乎不会由于出现分离而产生问题，所以可以期待挤出制品的质量以及生产率的进一步提高。

根据上述第[2]项所述的发明，可以防止模具的软化，并且可以确信地确保所需的扩散硬化层的厚度和高的生产率。

根据上述第[3]项所述的发明，可以确信地形成具有足够厚度的扩散硬化层，并且可以确信地确保高的生产率。

根据上述第[4]项所述的发明，可以确信地形成扩散硬化层。

根据上述第[5]项所述的发明，可以更确信地形成扩散硬化层。

根据上述第[6]项所述的发明，可以提供耐分离性和耐磨性极佳的模具。

根据上述第[7]项所述的发明，可以防止模具的软化，并且可以确信地确保所需的扩散硬化层的厚度和高的生产率。

根据上述第[8]项所述的发明，可以确信地减少化合物层中的C浓度，并且可以确信地防止扩散硬化层中的C向基体金属扩散。

根据上述第[9]项所述的发明，可以确信地形成化合物层。

根据上述第[10]项所述的发明，可以确保高的生产率。

根据上述第[11]项所述的发明，当化合物层由于挤出而减少或消失、并且扩散硬化层露出从而可能导致迅速磨损时，可以重新形成碳浓度低并且难以分解的化合物层，从而能够再使用模具。在这种情况下，当执行包括上述第一渗氮处理步骤和第二渗氮处理步骤的处理，以作为上述再渗氮处理时，该再渗氮处理会导致扩散硬化层厚度的进一步增加，这又会提高扩散硬化层作为倾斜层(inclined layer)的功能，该倾斜层支承化合物层并且逐渐减小至基体金属的硬度。这会形成使扩散硬化层难以分离的结构。

根据上述第[12]项所述的发明，可以提供用于挤出在各种铝合金中易于使模具磨损的3xxx系列铝合金的耐磨性极佳的模具。

根据上述第[13]项所述的发明，可以提供基体金属强度高的模具。

根据上述第[14]和[15]项所述的发明，氮和碳都扩散到扩散硬化层中，这可以通过控制扩散硬化层的脆性来防止扩散硬化层的分离。另外，形成在最外部表面的化合物层中的碳浓度尽可能地减少，以防止与Fe的粘结强度比一氮化二铁单质差的化合物--碳化物或碳氮化物--的形成，这尤其在高温区域可以控制化合物层的分解。因此，通过本发明的方法进行表面处理的铝挤出模具包括具有耐磨性和耐分离性的渗氮层结构。该模具可以证实，在较高挤出温度下，对于铝管挤出模具可以减少模具磨损量，并且几乎不会由于硬化层的分离而产生问题。因此，可以提高挤出材料的质量，并且也可以期待生产率的提高。

根据上述第[16]项所述的发明，可以获得与针对上述第[1]至[13]项中任一项所述的相同的效果。

通过下面结合附图的描述可以进一步认识到各个实施例的上述和/或其它方面、特点和/或优点。各个实施例可适当地包括和/或排除不同的方面、特点和/或优点。另外，各个实施例可以适当地组合其它实施例的一个或多个方面或特点。对特定实施例的方面、特点和/或优点的描述不应认为是对其它实施例或权利要求的限制。

附图说明

在附图中作为示例而不是限制示出了本发明的优选实施例，其中：

图1A是示出经过气体软化渗氮处理的样品的横截面的EPMA分析结果的图(图表)；

图1B是示出经过盐浴渗氮处理的样品的横截面的EPMA分析结果的图(图表)；

图2是示出示例1的样品的横截面的EPMA分析结果的图(图表)；

图3是示出示例2和比较示例1和2在挤出前和挤出后的状态下的表面粗糙度测量结果的图(图表)；

图4是示出示例3和比较示例3的样品经过Micro-Vickers(显微维氏)压痕测试的易脆评价结果；

图5是示出本发明的实施例的铝挤出模具的示意性横截面视图；以及

图6是示出模具的支承部分的放大的示意性横截面视图。

具体实施方式

在下面的段落中，将作为示例而不是限制对本发明的一些优选实施例进行描述。通过这些公开的内容应该认识到，本领域技术人员根据所述的实施例可以进行各种变型。

图5是示出根据本发明实施例的用于挤出铝(包括其合金)的模具的示意性横截面视图。该模具具体为多孔(分流挤压)模1。该多孔模1用于挤出作为挤出件的横截面为圆形的管件(未示出)，并且该多孔模包括在进行挤出时组合在一起的阴模1A和阳模1B。

多孔模1具有支承孔2和多个孔道3，该支承孔的横截面构型对应于要挤出的构件的横截面构型(即圆形横截面构型)。在该模具1中，在坯料从孔道3流入后，挤出材料通过支承孔2挤出。

至少该模具1的支承面2a通过本发明的表面处理方法处理。此外，该模具1的孔表面3a也由本发明的表面处理方法处理。更特别地，在该实施例中，模具1的整个表面都进行表面处理。

但在本发明中，用于铝挤出的模具不限于多孔模，而可以也是例如舌形组合模、整体模、空心型材挤压模、半空心型材挤压模或平模。

图6是示出模具1的支承部分的放大的示意性横截面视图。该模具1的模具主体5由工具钢制成。更具体地，模具主体由进行过硬化处理和回火处理的热处理工具钢制成。在该模具主体5的表面部分形成有扩散硬化层6，在该扩散硬化层6的表面形成有化合物层7。模具1的孔部的横截面结构与图6中所示的结构相同。

下面将解释根据本发明的铝挤出模具的表面处理方法。

根据本发明的铝挤出模具的表面处理方法包括：

(1)第一渗氮处理步骤，该步骤通过在含渗碳气体的渗氮气体气氛中对由工具钢制成的模具主体进行加热和保持，而在模具主体的表面层部分形成含碳和氮的扩散硬化层；以及

(2)第二渗氮处理步骤，该步骤通过在不含渗碳气体的渗氮气体气氛中加热和保持进行过第一渗氮处理步骤的模具主体，而在扩散硬化层的表面形成基本不含碳的化合物层。

在本发明中，各种工具钢可用作模具的基体金属。示例包括以例如JIS(日本工业标准)SKD4或5为代表的Cr-W-V系列合金钢，以JIS SKD6、61、7为代表的Cr-Mo-V系列合金钢，以JIS SKD62或8为代表的Cr-W-Mo-V系列合金钢，以JIS SKT3或4为代表的Ni-Cr-Mo系列合金钢。特别优选的是，所述工具钢是进行过硬化处理和回火处理的热处理工具钢。这样，可以增加模具基材的强度。

在第一渗氮处理步骤中，由工具钢制成的模具主体在含渗碳气体的渗氮气体气氛中加热和保持，以在模具主体的表层部分中形成含碳和氮的扩散硬化层。

作为用作气氛气体的渗氮气体(用于进行渗氮处理的气体)，可以使用NH₃气体、或NH₃气体与非渗氮气体如N₂的混合气体。在渗氮气体中混有渗碳气体(如RX气体)，例如丁烷或丙烷的转化气。

因为下面的原因，上述第一渗氮处理步骤中的加热温度优选设定为500℃至580℃。如果加热温度低于500℃，则用于确保化合物层以及支承化合物层的扩散硬化层具有足够厚度的保持时间会变得太长，这将有损生产率。相反，如果加热温度超过580℃，则模具基体金属(即模具主体)的软化速度变快，这将使模具的使用寿命缩短。

通过将第一渗氮处理温度设定为低于模具主体回火处理温度几十℃的温度，可以防止模具软化，并确保扩散硬化层的必要厚度以及高的生产率。

在第一渗氮步骤中，所述加热温度的保持时间(即，处理时间)优选为1至5小时。这样，可以确信地形成具有足够厚度的扩散硬化层，同时确信地确保高的生产率。也就是说，如果保持时间少于1小时，则有时会难以扩散足够量的C来控制扩散硬化层的脆性。如果保持时间为5小时或稍少，则可以确信地形成具有足够厚度的扩散硬化层。另一方面，如果保持时间超过5小时，则会损害生产率。

但在本发明中，第一渗氮处理步骤中的加热温度和保持时间不总是要落在上述范围内。

可以根据渗氮处理温度来改变上述保持时间，以考虑例如模具的特性来优化渗氮处理温度，并且可以设定保持时间，以获得其厚度足以承受挤出条件的扩散硬化层。

在第二渗氮处理步骤中，经过上述第一渗氮处理步骤的模具主体在不含渗碳气体的渗氮气体气氛中加热和保持，以在扩散硬化层表面形成基本不含碳的化合物层。

作为用于气氛气体的渗氮气体，可以使用NH₃气体或NH₃气体与非渗氮气体如N₂的混合气体。

上述第二渗氮处理步骤中的加热温度优选设定为500℃至580℃。如果加热温度低于500℃，则用于确保化合物层具有足够厚度的保持时间会变得太长，这将有损生产率。相反，如果加热温度超过580℃，则模具基体金属(模具主体)的软化速度太快，这将使模具的使用寿命缩短。

通过将第二渗氮处理温度设定为低于模具主体回火处理温度几十℃的温度，可以防止模具软化，并确保扩散硬化层的必要厚度以及高的生产率。

在第二渗氮步骤中，加热温度的保持时间(即，处理时间)优选为1至5小时。这样，可以确信地减小化合物层中的C浓度，并且可以确信地防止扩散硬化层中所含的C向基体金属侧(即，模具主体侧)扩散。也就是说，如果保持时间少于1小时，则化合物层中的C浓度不会充分地减少。另一方面，如果保持时间超过5小时，则扩散硬化层中的C会通过被由表面侵入的N推动而朝基体金属侧扩散。

但在本发明中，第二渗氮处理步骤中的加热温度和保持时间不总是要落在上述范围内。

可以根据渗氮处理温度来改变上述保持时间，以考虑例如模具的特性来优化渗氮处理温度，并且可以设定保持时间，以获得其厚度足以承受挤出条件的扩散硬化层。

如上所述，在本发明中，为了获得其中表面化合物层较难以分解并且使扩散硬化层难以分离的结构，在包含具有碳源的渗碳气体的渗氮气体气氛中进行渗氮处理(第一渗氮处理)后，在不含渗碳气体的渗氮气体气氛中进行渗氮处理(第二渗氮处理)。这样，氮和碳都扩散到扩散硬化层中，从而通过控制所述层的脆性来防止扩散硬化层的分离。另外，通过尽可能地减小形成在最外部表面的化合物层的碳浓度，来控制与Fe的粘结强度比一氮化二铁单质差的化合物--碳化物或碳氮化物--的形成，从而形成尤其在高温区域难以分解的化合物层。由此，可以获得具有耐磨性和耐分离性的渗氮层结构的铝挤出模具。

如上所述，利用本发明的方法进行过表面处理的铝挤出模具具有耐磨性和耐分离性，并优选用作尤其需要较高挤出温度的铝管挤出模具。该铝挤出模具可以减小磨损，并且几乎不会由于扩散硬化层的分离而产生问题，这可以提高挤出材料的质量并可期待生产率得以提高。

在如上所述进行过表面处理的铝挤出模具中，在由工具钢制成的模具主体的表层部分形成含碳和氮的扩散硬化层，在上述扩散硬化层的表面形成上形成基本不含碳的化合物层。工具钢尤其是经过淬火硬化处理和回火处理的热加工工具钢。但应该注意，即使使用不经过淬火硬化处理和回火处理的热加工工具钢或其它工具钢，也可以获得本发明的效果。

基本不含碳C的化合物层包括作为主要成分的Fe-N化合物(一氮化二铁)，并且C浓度优选小于1质量％(尤其优选小于0.8质量％)。在这种情况下，该化合物层变得比含大量C的化合物层难以热分解，从而表现出突出的耐磨性。

该化合物层的厚度优选为2至10μm，更优选地为4至8μm。如果该厚度小于2μm，则每一次的挤出数量会减小，并且下文所述的再渗氮处理循环会缩短，从而降低生产率。相反，如果所述厚度超过10μm，则需要高温和长时间的处理来获得化合物层，这会降低表面处理的生产率，并减小软化的模具基体金属的模具基体金属可再渗氮次数。

但在本发明中，化合物层的厚度不是必须落在上述方法。

一方面，需要在挤出时不会由于剪切应力而使扩散硬化层发生分离。但是，扩散的N的浓度显著减小并且Vickers硬度从约900MHv降低到约600MHv的部分具有很大的拉伸应力被增大的可能性。因此，考虑到从表面施加的应力朝内部减小，所以扩散硬化层优选位于尽可能靠近内部的位置。

因此，为了提高耐分离性，虽然需要考虑负荷应力会随挤出条件而变化，但优选地，扩散层的厚度至少为50μm或更厚，更优选地为80μm或更厚。这种铝挤出模具在耐磨性和耐分离性上将会极好。虽然没有限制扩散硬化层厚度的上限，但优选地，上限尤其是200μm或更薄，尤其是150μm或更薄。

但是，在本发明中，不是必须使扩散硬化层的厚度落在上述范围内。

当在上述第二渗氮处理步骤中形成的化合物层的厚度减小或消失时，上述铝挤出模具可以受到包括上述第二渗氮处理步骤的再渗氮处理。

化合物层在挤出时由于磨损和分解而厚度减小。然而，当尤其变得高温的支承部分的表面上的化合物层消失，并且扩散硬化层露出时，由于与铝的亲和力增加而使磨损速度增加。这会使支承面的构型发生变化，而支承面构型的变化又会影响挤出材料的尺寸精度和质量，例如表面粗糙度。结果，在挤出后对模具表面的维护变得困难，这会妨碍模具的再使用。

因此，通过在化合物层消失之前或之后、更优选地在消失之前进行再渗氮处理，可以防止出现上述问题并且延长模具的使用寿命。这样，当主要包括Fe₂N和Fe₃N的化合物层由于挤出而减少或消失、并且扩散硬化层露出从而可能导致快速磨损时，可以重新形成碳浓度低并且难以分解的化合物层，从而能够再使用模具。

在这种情况下，当执行包括上述第一渗氮处理步骤和第二渗氮处理步骤的处理，以作为上述再渗氮处理时，该再渗氮处理会导致扩散硬化层厚度的进一步增加，这又会提高扩散硬化层作为倾斜层的功能，该倾斜层支承化合物层并且逐渐减小至基体金属的硬度。这会形成使扩散硬化层难以分离的结构。

在进行再渗氮处理时是否还残留有化合物层，可以通过在将含氯化铜铵的水溶液滴在利用砂纸等打磨的模具表面上之后简单地检查铜沉淀物的存在来判定。因此，可以利用该方法来建立最佳的再渗氮处理循环。

从上述解释中可以清楚地看到，在本发明中，在进行渗氮处理步骤之前在包括具有碳源的渗碳气体的渗氮气体气氛中进行渗氮处理(第一渗氮处理)，以同时扩散氮和碳，从而控制扩散硬化层的脆性，并进一步形成作为倾斜层的扩散硬化层，该倾斜层支承化合物层并逐渐减小至基体金属的硬度，从而获得使扩散硬化层难以分离的结构。此外，在随后的步骤中，在不含碳源的渗氮气体气氛中进行渗氮处理(第二渗氮处理)，以形成在扩散硬化层的最外部表面C浓度低的化合物层。因此，可以形成具有突出的耐磨性和耐分离性的理想的用于铝挤出模具的渗氮层。因此，该模具可以优选地用于挤出在各种铝合金中特别易于使模具磨损的3xxx系列铝合金。

一般而言，加热温度和挤出速度等会随要挤出的铝合金的类型和模具的形状而改变，并且所需的耐磨性和耐分离性之间的平衡也因情况而异。尤其在其中挤出温度高或者对尺寸和/或表面质量的要求高的情况下，需要最佳地设定化合物层和扩散硬化层的厚度等。本发明可以通过在渗氮处理时优化气体成分、温度、时间等来应付这些情况。

根据本发明的铝挤出模具的制造方法包括上述铝挤出模具的表面处理方法。因此，根据本发明的铝挤出模具的制造方法具有相同的效果。

示例

接着，将在下文解释具体的示例。

[示例1]

使由热处理工具钢JIS SKD61制成的材料(基体金属)经受硬化处理和回火处理，以回火至HRC49。利用该材料制成多个10×10×30mm的样品，并利用#600砂纸对表面进行打磨，以获得分析用样品。

将分析用样品布置在加热处理炉中。在作为含渗碳气体的渗氮气体的由50％NH₃+50％RX气体构成的混合气体气氛中，在560℃加热温度和90分钟保持时间的条件下进行第一渗氮处理。然后，在作为基本不含渗碳气体的渗氮气体的由50％NH₃+50％N₂构成的混合气体气氛中，在560℃加热温度和90分钟保持时间的条件下进行第二渗氮处理。在该说明中，“％”表示体积％。

该样品的横截面的EPMA分析结果在图2中示出。在该图中，“白色层”表示化合物层。如该图所示，对应于化合物层的C浓度为约0.5质量％，与图1A和1B中所示的在气体软化渗氮处理和盐浴渗氮处理时C浓度为约2质量％相比，图2中所示的C浓度大大地减小。因此，根据该处理方法，可以预计，耐磨性比常规示例有所改进。

[示例2]

在示例2中，利用以与上述示例1相同的方法经过表面处理的铝挤出模具(特别是多孔模)，用JIS 3003铝合金坯料挤出管件。在挤出之前和之后，对该模具的支承面的表面粗糙度进行测量。结果在图3中示出。

[比例示例1和2]

在比较示例1中，在50％NH₃+50％RX气体的混合气体气氛中，在560℃加热温度和3小时保持时间的条件下，对模具进行气体软化渗氮处理。此外，在比较示例2中，在50％NH₃+50％N₂气体的混合气体气氛中，在560℃加热温度和3小时保持时间的条件下，对模具进行气体渗氮处理。各模具的基体金属(模具主体)与示例2相同。利用这些模具，以与示例1相同的方式挤出管件。然后，对各模具的支承面的表面粗糙度进行测量。结果在图3中示出。

如图3所示，在进行气体软化渗氮处理的比较示例1中，可以观察到，由于快速发展的磨损，表面粗糙度显著地受损。类似地，在进行气体渗氮处理的比较示例2中，可以观察到，由于发展的磨损，表面粗糙度受损。另一方面，在示例2中，没有观察到显著的磨损，并且由于增加的挤出量而导致的表面粗糙度的受损很少。因此，可以确定，根据示例2的模具的耐磨性极好。

此外，对于重复进行36次挤出的模具，在将含氯化铜铵的水溶液滴在支承面和孔表面上后检查是否存在铜沉淀物。结果在表1中示出。

表1

		挤出12个坯料后	挤出24个坯料后	挤出36个坯料后
					示例2	支承面	○	○	○
孔表面	○	○	○
				比较示例1(气体软化渗氮处理)		支承面	×	×	×
孔表面	○	○	×
					比较示例2(气体渗氮处理)	支承面	○	○	○
孔表面	分离部分×	分离部分×	分离部分×

○：没有出现铜沉积物→仍然存在化合物层

×：出现铜沉积物→化合物层消失

正如从表1可以清楚地看出的一样，可以确定，在支承面，仅在经受气体软化渗氮处理的比较示例1中存在铜沉积物并且化合物层已经消失。这表明，如示例2的在化合物层中含较少量C的模具在受热负荷时在耐分解性方面也极佳。此外，关于比较示例2，可以确定，在挤出12个坯料后，在用于引入铝合金坯料的孔表面已出现渗氮层的分离。由此可以确定，模具的具有较低温度的部分尤其在脆性方面会产生问题。

[示例3]

在示例3中，重复进行与上述示例1相同的渗氮处理过程，以获得测试件，其中对该测试件重复进行最多10次渗氮处理。在这些测试件中，重复进行1次、5次和10次渗氮处理的测试件被分别包在树脂中。然后，利用Micro-Vickers硬度计，通过利用4.9N的负荷在距表面25、26、27和28μm深处形成压痕，根据是否产生破裂等来检查各个测试件的脆性。结果在图4中示出。

[比较示例3]

在比较示例3中，以与上述比较示例2的气体渗氮处理相同的方法，重复进行气体渗氮处理，以获得测试件，其中对该测试件重复进行最多10次渗氮处理。以与示例3相同的方法检查脆性。结果在图4中示出。

如图4所示，在比较示例3中，当重复次数增加时，压痕的裂纹的产生变得清楚。例如，在重复5次的测试件中产生裂纹。其中，在重复10次的测试件中，深度位置为25μm的压痕塌陷(即破碎)，从而导致不能正常形成压痕的状态。另一方面，在示例3中，即使在重复10次的测试件中，也不会产生压痕的清楚的裂纹。因此，在示例3中，即使在重复进行渗氮处理的情况下，也可以确定，可以获得脆性低并且难以产生分离的结构。

工业实用性

本发明可用作铝热挤出模具的表面处理方法，更优选地，本发明可用于对在高处理温度下生产铝管的模具进行表面处理。

虽然本发明可以以许多不同形式实施，但文中仅描述了几个说明性实施例，应该理解，本公开提供了本发明原理的示例，并且这些示例并非用于将本发明局限于文中描述和/或示出的优选实施例。

尽管文中已经描述了本发明的说明性实施例，但是本发明并不局限于文中描述的各优选实施例，而是如同本领域技术人员基于本公开将会明白的那样，包括任何和所有具有等效元件、经过修改、删除、组合(例如不同实施例之间各方面的组合)、适应性修改和/或替代的实施例。权利要求中的限制应该基于权利要求中采用的语句作广义解释，并不局限于在本说明书中或者在本申请实践过程中描述的示例。例如，在本公开中，词语“优选地”是非排它性的，意思是“优选地，但并不局限于”。在本公开中和在本申请的实践过程中，装置+功能或者步骤+功能的限制方式将仅用在对于特定的权利要求的限定所有下述条件都满足的情况下：a)明确说明了“用于......的装置”或者“用于......的步骤”；b)明确说明了相应的功能；以及c)没有说明结构、材料或者支持所述结构的动作。在本公开中和在本申请的实践过程中，术语“本发明”或者“发明”是一个非具体的一般引语，并且可以用作对本公开中的一个或者多个方面的引语。表述“本发明”或“发明”不能被不正确地解释为进行临界识别，不能被不正确地解释为应用于所有方面或者实施例(即必须明白本发明具有多个方面和实施例)，并且不能被不正确地解释为对本申请或者权利要求的范围加以限制。在本公开中和本申请的实践过程中，术语“实施例”可以被用来描述任何方面、特征、工艺或者步骤、这些方面特征工艺或者步骤的任何组合和/或其中的任何部分等等。在一些示例中，不同实施例可以包括交叠的特征。在本公开中和在本申请的实践过程中，可能使用了下列简写的术语：“e.g.”是指“例如”；“NB”是指“注意”。

Claims (16)

1.一种铝挤出模具的表面处理方法，包括：

第一渗氮处理步骤，该步骤通过在含渗碳气体的渗氮气体气氛中对由工具钢制成的模具主体进行加热和保持，而在模具主体的表面层部分形成含碳和氮的扩散硬化层；以及

第二渗氮处理步骤，该步骤通过在不含渗碳气体的渗氮气体气氛中加热和保持进行过第一渗氮处理的模具主体，而在扩散硬化层的表面上形成基本不含碳的化合物层。

2.根据权利要求1所述的铝挤出模具的表面处理方法，其特征在于，在第一渗氮处理步骤中，加热温度为500℃至580℃。

3.根据权利要求1所述的铝挤出模具的表面处理方法，其特征在于，在第一渗氮处理步骤中，保持时间为1至5个小时。

4.根据权利要求1所述的铝挤出模具的表面处理方法，其特征在于，在第一渗氮处理步骤中，渗碳气体是丁烷或丙烷的转化气，渗氮气体是NH₃气体或含NH₃气体和非渗氮气体的混合气体。

5.根据权利要求4所述的铝挤出模具的表面处理方法，其特征在于，渗碳气体是RX气体。

6.根据权利要求1所述的铝挤出模具的表面处理方法，其特征在于，在第一渗氮处理步骤中，扩散硬化层形成为具有50μm或更厚的厚度。

7.根据权利要求1所述的铝挤出模具的表面处理方法，其特征在于，在第二渗氮处理步骤中，加热温度为500℃至580℃。

8.根据权利要求1所述的铝挤出模具的表面处理方法，其特征在于，在第二渗氮处理步骤中，保持时间为1至5个小时。

9.根据权利要求1所述的铝挤出模具的表面处理方法，其特征在于，在第二渗氮处理步骤中，渗氮气体是NH₃气体或含NH₃气体和非渗氮气体的混合气体。

10.根据权利要求1所述的铝挤出模具的表面处理方法，其特征在于，在第二渗氮处理步骤中，扩散硬化层形成为具有2至10μm的厚度。

11.根据权利要求1所述的铝挤出模具的表面处理方法，其特征在于，当在第二渗氮处理步骤中形成的化合物层的厚度由于挤出而减小或消失时，对模具进行包括第二渗氮处理步骤的再渗氮处理。

12.根据权利要求1所述的铝挤出模具的表面处理方法，其特征在于，该模具用于挤出3xxx系列铝合金。

13.根据权利要求1所述的铝挤出模具的表面处理方法，其特征在于，该模具由进行过硬化处理和回火处理的热处理工具钢制成。

14.一种通过权利要求1至13中任一项所述的铝挤出模具的表面处理方法处理过的铝挤出模具。

15.一种铝挤出模具，其中，在由工具钢制成的模具主体的表面层部分形成包含碳和氮的扩散硬化层，并且在该扩散硬化层的表面形成基本不含碳的化合物层。

16.一种铝挤出模具的生产方法，包括权利要求1至13中任一项所述的铝挤出模具的表面处理方法。

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