CN102453861B

CN102453861B - 一种压铸用模具制备方法

Info

Publication number: CN102453861B
Application number: CN201010528870.8A
Authority: CN
Inventors: 杨春花
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: Huizhou Zhen Fu Machinery Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: CN102453861A

Abstract

本发明公开了一种压铸用模具制备方法，在经过前处理的热作模具钢表面物理气相沉积至少一层TiBN，所述前处理依次包括脱脂、清洗，在清洗之后还在真空除气箱内进行除气干燥，所述除气干燥条件为100～200℃，抽真空至5～10Pa，除气时间为30～60min。得到的镀层与基材的结合力得到大幅提高，延缓了模具表面冲蚀，进而提高了产品表面质量和模具寿命。

Description

一种压铸用模具制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种压铸用模具制备方法。

【背景技术】

随着技术的不断发展，金属压铸模具在工业生产中得到了广泛的应用，手机作为新近发展起来的通迅产品，其外壳也大量的在使用金属压铸模具来制造。一般而言，压铸模具都是在较高的工作温度下工作的。工作时，需要将熔融的金属液以高压高速的方式注入模具的型腔内，这将不可避免地对模具型腔的表面进行激烈的冲击和冲刷，时间一长就会使模具受到腐蚀和磨损。

比如镁合金溶液温度高达630-650摄氏度，镁合金压铸模在高温金属流的高速冲击下，型腔表面会出现颗粒状或区域性的冲蚀，影响产品表面质量，特别是生产一些外观装饰件，也降低了模具的寿命。因此，延缓镁合金压铸模冲蚀，提高模具寿命，是降低压铸产品成本、提高产品表面质量的有效途径。

现有技术中公开了一种在模具钢H13的表面得到了TiBN和TiBN/TiN复合膜层，此类复合膜层提高了模具钢的耐磨和耐热性。但是，这种复合膜制备复杂，制备成本较高，且膜层和底材模具钢的结合力不够，膜层强度较低；致使该膜层不适合长期在高速冲击下使用。

【发明内容】

为了克服现有的膜层与底材结合力不够的问题。

本发明提供一种压铸用模具制备方法，在经过前处理的热作模具钢表面物理气相沉积(PVD)至少一层TiBN，所述前处理依次包括脱脂、清洗，在清洗之后还在真空除气箱内进行除气干燥，所述除气干燥条件为100～200℃，抽真空至5～10Pa，除气时间为30～60min。

本发明的发明人经过大量实验发现，在压铸模表面进行PVD处理，对膜层的性能要求较高，且PVD工艺过程较难控制。发明人通过多种涂层实验例如CrN、TiN、TiAlN、AlCrN、TiBN，发现TiBN能明显提高模具寿命。且PVD工艺较难控制，虽然现有的PVD工艺在镀之前镀腔都会抽真空加热，但是这样会使待镀件表面的水分和杂质部分残留在PVD的镀腔内，影响耙材及工件的表面清洁度，导致后续镀层的效果不稳定，进而使镀层和基材的结合力较差，在压铸过程中经高温合金液高速冲击数次后出现镀层部分剥落的现象。而且，本发明的发明人发现现有的PVD工艺在镀之前镀腔抽真空加热的时间一般较短，很难使待镀件表面达到彻底干燥，这也会影响到镀层与基材的结合力。热作模具钢的表面沉积TiN需要大于500摄氏度的高温，且不易附着，本发明的发明人发现，只要经过上述的真空除气干燥步骤，在模具上镀一层TiBN镀层时，可以使得到的镀层与基材的结合力得到大幅提高，且B的加入，使涂层的硬度提高。本发明制备得到的压铸模具，适用于耐受大于600度的高温情形，例如，可以用于镁合金压铸模具。本发明制备得到的压铸用模具，在镁合金薄壁件压铸过程中，经过8万次压射，模具表面仍无任何缺陷，在相同的热作钢基材上的镀层为TiN或TiAlN层(如对比例2或对比例3)的压铸用模具经4-5万次压射后就会出现表面冲蚀。因此，本发明的发明人将待镀件的表面处理置于单独的真空除气箱内进行除气干燥，经过单独的除气干燥处理，可以使待镀件的表面干燥无杂质，进而使得镀层与基材(即热作模具钢)的表面结合力大大提高；且TiBN镀层硬度高，韧性好，延缓了模具表面冲蚀，进而提高了产品表面质量和模具寿命。

【具体实施方式】

本发明公开了一种压铸用模具制备方法，在经过前处理的热作模具钢表面物理气相沉积至少一层TiBN，所述前处理依次包括脱脂、清洗，在清洗之后还在真空除气箱内进行除气干燥，所述除气干燥条件为100～200℃，抽真空至5～10Pa，除气时间为30～60min。本发明制备得到的压铸模具，适用于耐受大于600度的高温情形，例如，所述的压铸用模具可以为用于压铸镁合金的模具。

所述脱脂为在脱脂剂中浸泡3-5分钟，所述脱脂剂的PH值为11-12，温度控制为30～60℃。

所述脱脂剂为本领域的技术人员常见的硅酸盐脱脂剂，可商购，具体型号为Ridoline 53S，脱脂剂为常规碱性除油硅酸盐脱脂剂，温度控制在30～60℃，时间控制在3～5min。

所述清洗为在水中超声波清洗3-10分钟。

所述物理气相沉积为磁控溅射，所述磁控溅射的条件为本领域的技术人员常见的条件，优选为，所述形成TiBN膜层的磁控溅射条件包括，电源为恒功率电源，电源的功率为300-3000W；溅射时间为160-240min，偏压为负偏压70-120V，占空比为15-90％，磁控溅射的气氛为惰性气体气氛，反应气体为氮气。

优选地，所述物理气相沉积层TiBN的厚度为2.5～3μm。TiBN的厚度太薄，膜层不致密，硬度较低，镀层厚度太厚，韧性较低。

优选地，所述TiBN膜中，以B和Ti的原子摩尔总量为基准，B的含量为64-68％。当B的含量在该优选范围内时，制作的TiBN膜的硬度和韧性均可以达到比较理想的值，因为硬度太高，膜的韧性不足；硬度较低，膜的韧性会比较好，因此，为寻找硬度和韧性均达到比较的好地范围，本发明的发明人经过实验发现，在上述B的含量为64-68％时，膜的韧性和硬度可以达到比较好的平衡。将靶的成分控制在TiB_1.8～TiB_2.1这间，即B含量在64％-68％之间，钯材可商购。

上述惰性气体为本领域的技术人员公知的各种惰性气体，所述惰性气体优选为氩气，所述氮气与氩气的流量比为1∶1.5-2.5。工作气体采用氩气，纯度为99.99％，反应气体采用氮气，纯度为99.99％。

氩气的流量为20-90sccm，氮气的流量为10-80sccm。

优选的，在溅射之前对模具进行放电清洗处理的步骤，以提高表面的洁净度。

放电清洗处理条件包括：气压为0.001-5.0Pa，偏压为负压300-450V，占空比为20-70％，时间为5-20min。

下面详细介绍本发明的具体技术方案：

制备上述涂层包括以下具体步骤：

1、将需要镀膜的工件放入脱脂槽中进行脱脂，脱脂剂为Ridoline 53S，温度控制在30～60℃，时间控制在3～5min。

2、将脱脂处理完的工件放入超声波清洗槽中进行超声波清洗，清洗介质为纯水，清洗时间控制在3～10min。

3、将清洗完的工件放入真空除气箱内进行除气干燥，加热至100～200℃，抽真空至5～10Pa，除气时间为30～60min，除去超声波清洗未能除去的杂质及水分。

4、采用PVD真空离子镀膜设备，真空室顶部放置TiB₂靶，真空室下方中部为放置工件的可旋转工作台。工作气体采用氩气，纯度为99.99％，反应气体采用氮气，纯度为99.99％。打开离子镀膜机真空室工作门，将除气干燥后的工件放在工作平台上，需要镀膜的面朝上。

5、关上工作门，打开抽真空程序，将真空度抽至小于等于0.01Pa，将工作台旋转速度设为3～4转/分，辐射加热工件至150～250℃，通入氩气。氩气的流量为20-90sccm。

6、采用300～450V负偏压，对工件及靶材进行放电清洗3～5分钟。

7、向真空室内通入氮气，采用70～120V负偏压，TiB₂靶材电流为25～35A，对工件的表面沉积TiBN层，沉积时间为160～240分钟。氮气的流量为10-80sccm。

8、待工件冷却后，打开工作门，取出工件。

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例用于说明本发明提供的模具制备方法。

选用商购的型号为Dievar的热作模具钢制备成镁合金手机外壳薄壁件压铸模仁，将该模仁置于脱脂剂中浸泡3分钟，脱脂剂为Ridoline 53S，温度控制在40℃，。再在纯净水中超声波清洗4分钟，放入真空除气箱内进行除气干燥，加热至110℃，抽真空至10Pa，除气30min。

采用PVD真空离子镀膜设备，真空室顶部放置TiB₂靶，真空室下方中部为放置工件的可旋转工作台。工作气体采用氩气，纯度为99.99％，反应气体采用氮气，纯度为99.99％。打开离子镀膜机真空室工作门，将除气干燥后的工件放在工作平台上，需要镀膜的面朝上。关上工作门，打开抽真空程序，将真空度抽至0.01Pa，将工作台旋转速度设为3转/分，辐射加热工件至150℃，通入氩气。氩气的流量为40sccm。

采用300V负偏压，对工件及靶材进行放电清洗5分钟。

向真空室内通入氮气，氮气的流量为20sccm，采用70V负偏压，TiB2靶材电流为35A，对模仁的表面沉积TiBN层，沉积时间为180分钟。

待模仁冷却后，打开工作门，取出得到模仁A1。

实施例2：

本实施例用于说明本发明提供的模具制备方法。

与实施例1的区别在于，除气干燥的条件为200℃，抽真空至5Pa，除气时间为60min。得到模仁A2。

实施例3：

本实施例用于说明本发明提供的模具制备方法。

与实施例1的区别在于，不含有放电清洗步骤。得到模仁A3。

实施例4：

本实施例用于说明本发明提供的模具制备方法。

与实施例1的区别在于，镀TiBN层时氮气的流量为30sccm，采用120V负偏压。得到模仁A4。

对比例1

本对比例用于说明现有技术中的模具制备方法。

与实施例1的区别在于不含有真空除气干燥步骤，但是，放电清洗前，通入氩气后，等待10分钟后再进行放电清洗。得到模仁D1。

对比例2

本对比例用于说明现有技术中的模具制备方法。

与实施例1的区别在于采用的靶材为Ti，得到的膜层为TiN膜。得到模仁D2。

对比例3

本对比例用于说明现有技术中的模具制备方法。

与实施例1的区别在于采用的靶材为Ti靶和Al靶，得到的膜层为TiAlN膜。得到模仁D3。

性能测试

本专利中涉及的性能有硬度、膜厚、结合力、韧性，其中膜厚通过奥林巴斯JX-51金相显微镜测得，硬度通过HM2000微纳米硬度计测得。

1、镀膜厚度

奥林巴斯JX-51金相显微镜(放大倍数为400倍)测得模仁A1-A4，D1-D3的镀层厚度；

2、镀膜硬度

通过HM2000微纳米硬度计测得模仁A1-A4，D1-D3的硬度；

3、镀膜和基材的结合力测试

采用上述实施例或者对比例制备得到的模仁用于镁合金压铸，锁模力为200吨的热室压铸机，压铸时的镁合金熔液的温度为640度，内浇品速度为90m/s；重复上述条件进行压铸，分别统计模仁A1-A4，D1-D3出现冲蚀时的压铸次数。压铸次数越多，说明镀层和基材的结合力越好，同时也反应出镀层的硬度和韧性较好。

4、镀层耐热温度

采用镁合金熔液的温度为800度，将合金液手动浇注在模仁A1-A4，D1-D3有型腔表面，肉眼观察模仁A1-A4，D1-D3表面的镀层是否脱落。

具体的测试结果见下表1所示：

表1

通过表1的测试结果可以看出，本发明的实施例制备得到压铸用模具的硬度较高，且模具出现冲蚀时的压铸次数较对比例明显提高，进而反映出本发明制备得到的压铸用模具的结合力和韧性均有所提高。

Claims

1.一种压铸用模具制备方法，在经过前处理的热作模具钢表面物理气相沉积一层TiBN，所述前处理依次包括脱脂、清洗，其特征在于，在清洗之后还在真空除气箱内进行除气干燥，所述除气干燥条件为100～200℃，抽真空至5～10Pa，除气时间为30～60min；所述物理气相沉积为磁控溅射，所述磁控溅射的反应气体为氮气，所述氮气的流量为20-80sccm；所述TiBN膜中，以B和Ti的原子摩尔总量为基准，B的含量为64-68 %。

2.根据权利要求1所述的压铸用模具制备方法，其特征在于：所述的压铸用模具为用于压铸镁合金的模具。

3.根据权利要求1所述的压铸用模具制备方法，其特征在于：所述脱脂为在脱脂剂中浸泡3-5分钟，所述脱脂剂的pH值为11-12，温度为30～60℃。

4.根据权利要求3所述的压铸用模具制备方法，其特征在于：所述脱脂剂为硅酸盐脱脂剂。

5.根据权利要求1所述的压铸用模具制备方法，其特征在于：所述清洗为在水中超声波清洗3-10分钟。

6.根据权利要求1所述的压铸用模具制备方法，其特征在于：所述磁控溅射条件包括，电源为恒功率电源，电源的功率为300-3000W；溅射时间为160-240min，偏压为负偏压70-120V，占空比为15-90%，磁控溅射的气氛为惰性气体气氛。

7.根据权利要求1所述的压铸用模具制备方法，其特征在于：所述物理气相沉积层TiBN的厚度为2.5～3μm。

8.根据权利要求6所述的压铸用模具制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气，所述氮气与氩气的流量比为1：1.5-2.5。

9.根据权利要求8所述的压铸用模具制备方法，其特征在于，氩气的流量为20-90 sccm。

10.根据权利要求6所述的压铸用模具制备方法，其特征在于，还包括在溅射之前对模具进行放电清洗处理的步骤。

11.、根据权利要求10所述的压铸用模具制备方法，其特征在于，放电清洗处理条件包括：气压为0.001-5.0Pa，偏压为负压300-450V，占空比为20-70%，时间为5-20min。