CN102877070A - 钢制模具的表面复合处理方法 - Google Patents

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刘光裕
李莉
刘强
杨安志
赵福全
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Abstract

本发明提供一种钢制模具的表面复合处理方法，该方法对经热处理后的钢制模具首先进行喷丸处理，然后通过离子渗氮技术在钢制模具表面形成离子渗氮层，最后对钢制模具的表面通过离子镀工艺进行镀膜，采用该方法处理后的钢制模具具有硬度高、耐磨性好、镀膜结合度好，从而延长了钢制模具的使用寿命，解决了现有传统模具表面在使用早起容易破坏的技术问题。

Description

钢制模具的表面复合处理方法
技术领域
本发明涉及一种表面处理方法，具体涉及一种钢制模具的表面复合处理方法。
背景技术
随着现代工业的发展,越来越多的产品需要模具加工,模具工业已成为工业发展的基础。近几年，我国模具工业一直以每年增长15%左右的速度快速发展,在世界模具产值中所占的比例显著提高。模具在使用过程中，由于零件结构及服役条件等因素引起的应力大多集中在模具表面，使模具表面比心部处于更严酷的工作条件下，模具在承受外力时表面受力复杂从而导致模具表面早期破坏，因此80%以上的失效是都是表面损伤。改善模具综合性能的表面处理方法一直是模具业的一个重要研究课题。
为了加强模具的表面性能，传统的技术是通过离子氮化在表面形成含氮层或者通过物理气相沉积和物理化学气相沉积在模具的表面形成一层高硬度的耐磨材料来提高耐磨、耐蚀等性能，进而提高模具的使用寿命。这两种方法形成具备工艺温度低的优点，且形成的涂层硬度较高，但是涂层与母体材料的结合较差，实际中容易出现剥落，在一定程度上影响了使用效果。
一个名为“耐磨涂层金属板模具机器制造耐磨涂层金属板成型模的方法”、公开号为CN 101549381A、公开日为2009年10月7日的发明专利公开了一种耐磨涂层金属板模具，它通过物理气相沉积在模具表面形成涂层增加钢模的耐磨性，但是这种方法形成的耐磨涂层与基体的结合度不够，容易脱落，影响模具的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高模具硬度、耐磨性以及使用寿命的表面处理方法。本发明制备的钢制模具硬度高、耐磨性好、镀膜结合度好及使用寿命长等优势，从而能够更好的提升模具的性能。
本发明通过以下方案实行：
一种钢制模具的表面复合处理方法，所述模具的表面复合处理方法具体包括以下步骤：
（1）热处理：对钢制模具进行预热，预热温度为700~800℃；然后将钢制模具加热到800~1000℃进行淬火；最后对钢制模具进行若干次回火，回火温度为500~650℃，保温时间为60~120min；
（2）喷丸处理：对热处理后的钢制模具进行喷丸处理，喷丸粒径为0.1~0.2mm，喷丸时间为30~60min，喷射压力为0.3~0.45Mpa；
（3）离子渗氮：对喷丸处理后的钢制模具进行清洗，然后在氨基树脂的存在下对钢制模具离子渗氮处理，渗氮处理温度为400~600℃，阴极和阳极之间距离为30~70mm，电流密度控制为0.5~5mA/cm2，电压为400～800V，保温时间为9～16h；
（4）离子镀：对离子渗氮处理后的钢制模具进行离子镀镀膜处理，镀膜时间为3~5h，沉积温度为480~530℃，镀膜的膜层厚度为1.5~5μm。
热处理使钢制模具具有一定的硬度和抗压强度，多次回火可以提高钢制模具的塑性和韧性，喷丸处理一方面极大程度地改善了模具抗疲劳强度，延长了安全工作寿命，另一方面使得钢制模具表面产生了一定的凹凸，然后经过离子渗氮在钢制模具表面形成
作为优选方案，对喷丸处理后的钢制模具进行激光抛光，激光波长为100~500nm，激光光束入射角为45~60度，激光抛光后钢制模具表面的粗糙度为0.8~1.5μm。钢制模具表面的粗糙度利于镀膜，但是粗糙度过大不利于实际应用。
作为优选方案，氨基树脂为脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂或苯胺甲醛树脂。氨基树脂能够对离子渗氮处理过程中的钝化膜进行还原。
作为优选方案，离子渗氮的渗氮层厚度为0.1~0.2mm。
作为优选方案，热处理中回火次数为3次。多次回火能够保证回火的效率。
作为优选方案，钢制模具在进行淬火加热过程中加入碳化钒、碳化硼或碳化铬。加入碳化物能在模具表面形成碳化层，碳化层能够更好的保护钢制模具的表面。
作为优选方案，离子镀的镀料为金属钛，通入气体为N2。
由于采用上述技术方案，本发明的有益效果是：通过本发明所述的方法制备的钢制模具具有很强的耐磨、耐腐蚀性，且离子镀膜与基体的结合度较高，极大提高了钢制模具的使用寿命。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种Cr12钢钢制模具的表面复合处理方法，所述钢制模具的复合表面处理方法具体包括以下步骤：
（1）热处理：首先将碳化钒和钢制模具放入加热炉加热进行预热，预热温度为700℃；然后将碳化钒与钢制模具加热到800℃，对钢制模具进行淬火；最后对钢制模具进行三次回火，三次回火温度分别为500℃、550℃和650℃，保温时间分别为60min、80min和100min；
（2）喷丸处理：对热处理后的钢制模具进行喷丸处理，喷丸粒径为0.1mm，喷丸时间为60min，喷射压力为0.4Mpa；喷丸处理后对钢制模具进行激光抛光，激光波长为100nm，激光光束入射角为60度，激光抛光后钢制模具表面的粗糙度为0.8μm；
（3）离子渗氮：首先对喷丸处理后的钢制模具进行清洗，然后将脲醛树脂的存在下对钢制模具离子渗氮处理，渗氮处理温度为400℃，阴极和阳极之间距离为50mm，电流密度控制为5mA/cm2，电压为400V，保温时间为10h，离子渗氮的渗氮层厚度为0.2mm；
（4）离子镀：对离子渗氮处理后的钢制模具进行离子镀镀膜处理，镀料为金属钛，通入气体为N2，镀膜时间为5h，沉积温度为480℃，镀膜的膜层厚度为3μm。
实施例2
一种Cr4W2MoV钢制模具的复合表面处理方法，所述钢制模具的复合表面处理方法具体包括以下步骤：
（1）热处理：首先将碳化硼和钢制模具放入加热炉加热进行预热，预热温度为780℃；然后将碳化钒和钢制模具加热到900℃，对钢制模具进行淬火；最后对钢制模具进行三次回火，三次回火温度分别为500℃、530℃和580℃，保温时间分别为120min、100min和60min；
（2）喷丸处理：对热处理后的钢制模具进行喷丸处理，喷丸粒径为0.2mm，喷丸时间为30min，喷射压力为0.3Mpa；喷丸处理后对钢制模具进行激光抛光，激光波长为200nm，激光光束入射角为50度，激光抛光后钢制模具表面的粗糙度为1.0μm；
（3）离子渗氮：首先对喷丸处理后的钢制模具进行清洗，然后将三聚氰胺甲醛树脂的存在下对钢制模具离子渗氮处理，渗氮处理温度为600℃，阴极和阳极之间距离为30mm，电流密度控制为3mA/cm2，电压为800V，保温时间为9h，离子渗氮的渗氮层厚度为0.15mm；
（4）离子镀：对离子渗氮处理后的钢制模具进行离子镀镀膜处理，镀料为金属钛，通入气体为N2，镀膜时间为3h，沉积温度为510℃，镀膜的膜层厚度为5μm。
实施例3
一种W6Mo5Cr4V2Al钢制模具的复合表面处理方法，所述钢制模具的复合表面处理方法具体包括以下步骤：
（1）热处理：首先将碳化铬和钢制模具放入加热炉加热进行预热，预热温度为800℃；然后将碳化铬和钢制模具加热到1000℃，对钢制模具进行淬火；最后对钢制模具进行三次回火，三次回火温度分别为500℃、650℃和600℃，保温时间分别为60min、110min和100min；
（2）喷丸处理：对热处理后的钢制模具进行喷丸处理，喷丸粒径为0.15mm，喷丸时间为40min，喷射压力为0.45Mpa；喷丸处理后对钢制模具进行激光抛光，激光波长为500nm，激光光束入射角为45度，激光抛光后钢制模具表面的粗糙度为1.5μm；
（3）离子渗氮：首先对喷丸处理后的钢制模具进行清洗，然后将苯胺甲醛树脂的存在下对钢制模具离子渗氮处理，渗氮处理温度为550℃，阴极和阳极之间距离为70mm，电流密度控制为0.5mA/cm2，电压为600V，保温时间为16h，离子渗氮的渗氮层厚度为0.1mm；
（4）离子镀：对离子渗氮处理后的钢制模具进行离子镀镀膜处理，镀料为金属钛，通入气体为N2，镀膜时间为3.5h，沉积温度为530℃，镀膜的膜层厚度为1.5μm。
对比例1
一种Cr12钢钢制模具的表面处理，（1）热处理：首先钢制模具放入加热炉加热进行预热，预热温度为700℃；然后将碳化钒和钢制模具加热到800℃，对钢制模具进行淬火；最后对钢制模具进行三次回火，三次回火温度分别为500℃、550℃和650℃，保温时间分别为60min、80min和100min；（2）离子渗氮：首先对热处理后的钢制模具进行清洗，然后将钢制模具进行离子渗氮处理，渗氮处理温度为400℃，阴极和阳极之间距离为50mm，电流密度控制为5mA/cm2，电压为400V，保温时间为10h，离子渗氮的渗氮层厚度为0.2mm；
对比例2
一种Cr12钢钢制模具的表面处理，（1）热处理：首先钢制模具放入加热炉加热进行预热，预热温度为700℃；然后将碳化钒和钢制模具加热到800℃，对钢制模具进行淬火；最后对钢制模具进行三次回火，三次回火温度分别为500℃、550℃和650℃，保温时间分别为60min、80min和100min；（2）离子镀：对热处理后的钢制模具进行清洗，然后对热处理后的钢制模具进行离子镀镀膜处理，镀料为金属钛，通入气体为N2，镀膜时间为5h，沉积温度为480℃，镀膜的膜层厚度为3μm。
对比例3
一种Cr4W2MoV钢制模具表面处理，（1）热处理：首先将钢制模具放入加热炉加热进行预热，预热温度为780℃；然后将钢制模具加热到900℃，对钢制模具进行淬火；最后对钢制模具进行三次回火，三次回火温度分别为500℃、530℃和580℃，保温时间分别为120min、100min和60min；（2）离子镀：对热处理后的钢制模具进行清洗，然后对热处理后的钢制模具进行离子镀镀膜处理，镀料为金属钛，通入气体为N2，镀膜时间为3h，沉积温度为510℃，镀膜的膜层厚度为5μm。
对比例4
一种W6Mo5Cr4V2Al钢制模具的复合表面处理方法，所述钢制模具的复合表面处理方法具体包括以下步骤：
（1）热处理：首先将钢制模具放入加热炉加热进行预热，预热温度为800℃；然后将钢制模具加热到1000℃，对钢制模具进行淬火；最后对钢制模具进行三次回火，三次回火温度分别为500℃、650℃和600℃，保温时间分别为60min、110min和100min；（2）离子镀：对热处理后的钢制模具进行清洗，然后对热处理后的钢制模具进行离子镀镀膜处理，镀料为金属钛，通入气体为N2，镀膜时间为3.5h，沉积温度为530℃，镀膜的膜层厚度为1.5μm。
实施例1-3及对比例1-4的钢制模具性能对比见表1：
表1
  实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4
钢制模具表面维氏硬度HV 2200 2300 2230 1650 2160 2210 2050
镀膜出现裂痕脱落时的使用次数 5362 5451 5420 无镀膜 4863 4950 4911

Claims (7)

1.一种钢制模具的表面复合处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）热处理：对钢制模具进行预热，预热温度为700~800℃；然后将钢制模具加热到800~1000℃进行淬火；最后对钢制模具进行若干次回火，回火温度为500~650℃，保温时间为60~120min；
（2）喷丸处理：对热处理后的钢制模具进行喷丸处理，喷丸粒径为0.1~0.2mm，喷丸时间为30~60min，喷射压力为0.3~0.45Mpa；
（3）离子渗氮：对喷丸处理后的钢制模具进行清洗，然后在氨基树脂的存在下对钢制模具离子渗氮处理，渗氮处理温度为400~600℃，阴极和阳极之间距离为30~70mm，电流密度控制为0.5~5mA/cm2，电压为400～800V，保温时间为9～16h；
（4）离子镀：对离子渗氮处理后的钢制模具进行离子镀镀膜处理，镀膜时间为3~5h，沉积温度为480~530℃，镀膜的膜层厚度为1.5~5μm。
2.根据权利要求1所述的钢制模具的表面复合处理方法，其特征在于，喷丸处理后的钢制模具进行激光抛光，激光波长为100~500nm，激光光束入射角为45~60度，激光抛光后钢制模具表面的粗糙度为0.8~1.5μm。
3.根据权利要求1所述的钢制模具的表面复合处理方法，其特征在于，氨基树脂为脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂或苯胺甲醛树脂。
4.根据权利要求1或2所述的钢制模具的表面复合处理方法，其特征在于，离子渗氮的渗氮层厚度为0.1~0.2mm。
5.根据权利要求1或2所述的钢制模具的表面复合处理方法，其特征在于，步骤（1）中，热处理中回火次数为3次。
6.根据权利要求1或2所述的钢制模具的表面复合处理方法，其特征在于，步骤（1）中，钢制模具在进行淬火加热过程中加入碳化钒、碳化硼或碳化铬。
7.根据权利要求1或2所述的钢制模具的表面复合处理方法，其特征在于，离子镀的镀料为金属钛，通入气体为N2。
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