CN103510080A - 一种冷作模具钢的表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种冷作模具钢的表面处理方法。该方法步骤包括净化处理、预镀Ni-P层和化学复合镀，将经预镀Ni-P层的冷作模具钢浸入添加了稳定剂和表面活性剂的镀液中进行表面活化；化学复合镀包括在75℃～95℃温度下，添加有经表面改性后预混合的TiO2和SiO2纳米颗粒的镀液中化学复合镀30～40分钟形成Ni-P-TiO2/SiO2镀层；再于室温下干燥后经250℃～500℃处理0.5h～3h。本发明的化学镀方法工艺简单，容易实现。本发明所得冷作模具钢成分均匀，表面光滑，提高了模具表面的硬度以及耐磨性，大幅提高了模具的使用寿命，通过硬度实验，材料表面相对原基底材料，硬度提高了1～4倍，摩擦磨损量降低30%～75%。
Description
技术领域
本发明涉及表面化学处理方法，具体讲涉及一种冷作模具钢的表面处理方法。
背景技术
模具工业方兴未艾，特别是进入21世纪后，每年都以20%以上的速度在递增，随着材料科学以及制造技术的进步，带动了模具工业向着更精良的方向发展。
模具选材是整个模具制作过程中非常重要的一个环节，模具选材需要满足三个原则，模具满足耐磨性、强韧性等工作需求，同时应满足经济适用性。
冷作模具钢侧重硬度、耐磨性，含碳量高，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性为主，冷作模具钢包括制造冲截用的模具（落料冲孔模、修边模、冲头、剪刀）、冷镦模和冷挤压模、压弯模及拉丝模等。适宜于制作在常温下对金属进行变形加工的模具(如下料模、弯曲模、剪切模、冷镦模、冷挤压模等)用的工具钢。
模具要求其基体有高的硬度、足够的韧性和高的抗弯强度，同时还要求其表面具有耐磨性，以保证冲压过程的顺利进行，模具形状及加工艺复杂，而且摩擦面积大，磨损可能性大，所以修磨起来困难，因此要求具有更高的耐磨化；模具工作时承受冲压力大，又由于形状复杂易于产生应力集中，所以要求具有较高的韧性；模具尺寸大、形状复杂，所以要求较高的淬透性，较小的变形及开裂倾向性。总之，冷作模具钢在淬透性、耐磨性与韧性等方面的要求较高。
冷作模具钢在工作时，由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分承受很大的压力、弯曲力、冲击力及摩擦力。因此，冷作模具的正常报废原因一般是磨损，也有因断裂、崩力和变形超差而提前失效的。
在送变电领域，压接导线所用液压模具由于耐磨性不高，导致易于铝管粘接、服役寿命短等缺点，带来模具每年的更换费用就十分巨大。而目前依靠单纯通过改变基体材料来改善表面性能是非常有限同时也是非常困难的。表面工程技术在模具上的应用，在很大程度上可以弥补材料本身的不足。
化学镀是提高材料表面性能的一种重要手段，通过化学方法在材料表面形成镀层，可以有效改善材料的摩擦磨损性能。同时化学镀在目前的工业化生产中应用广泛且成熟，因此通过这种方法提高模具的性能有着良好技术支撑和前景。
纳米科技的发展为传统产业的提升提供技术支持，纳米颗粒具有小尺寸效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应和表面效应，纳米颗粒具有特别的性质和效应，可增加材料的硬度和耐磨度。而且，随着技术的进步，纳米颗粒的制备成本大幅度降低，为纳米的颗粒的大规模工业化应用提供了基础。
复合镀指在电镀或化学镀液中将纳米颗粒共沉积到金属晶体中，能产生具有耐磨，耐腐蚀等优异性能的镀层。性能的产生又依赖于镀层中的惰性纳米颗粒。但是，由于纳米颗粒的比表面积大，表面能较高及粒子处于极不稳定状态，因而相互吸引，具有稳定的倾向，这种倾向使粒子产生团聚从而影响其应用效果。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种冷作模具钢的表面处理方法，在冷作模具表面化学镀沉积Ni-P-SiO2/TiO2复合镀层，通过表面改性后，提高模具表面的硬度以及耐磨性，大幅提高模具的使用寿命。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：
一种冷作模具钢的表面处理方法,其步骤包括净化处理、预镀Ni-P层和化学复合镀，将经预镀Ni-P层的冷作模具钢浸入添加了稳定剂和表面活性剂的镀液中进行表面活化；化学复合镀包括在75℃～95℃温度下，添加有经表面改性后预混合的TiO2和SiO2纳米颗粒的镀液中化学复合镀30～40分钟形成Ni-P-TiO2/SiO2镀层；再于室温下干燥后经250℃～500℃于马弗炉或箱式炉中处理0.5h～3h。
进一步的，镀液：
硫酸镍 15～40g/L
次磷酸钠 10～45g/L
乙酸钠 5～45g/L
乳酸 5～30g/L。
利用硫酸调节镀液的PH至4～6。
进一步的，净化处理为将冷作模具钢依次进行碱洗，酸洗，水洗和干燥。
将冷作模具钢经过砂纸磨光，再于酒精与丙酮的溶液中超声波清洗15～20分钟进行除油，再于室温下干燥；然后于45℃～70℃的碱洗液中碱洗5～10分钟，再水洗；再放入酸洗液中于室温条件下进行酸洗1～5分钟；然后进行水洗干燥。
进一步的，预镀为于75℃～95℃和在120～180r/min磁力搅拌下，预镀10～20分钟。
进一步的，稳定剂为浓度为1～4mg/L的硫脲或硼酸。
进一步的，表面活性剂为浓度为50～300mg/L的从十二烷基苯磺酸钠、十四烷基二甲基苄基氯化铵和十六烷基二甲基苄基氯化铵中选出的一种。
进一步的，TiO2和SiO2纳米颗粒的粒度范围不同。
进一步的，TiO2和SiO2纳米颗粒的粒度分别为35nm～75nm和20nm～40nm。
进一步的，纳米TiO2的含量为＞1～10g/L，纳米SiO2的含量为1～15g/L。
进一步的，化学复合镀采用磁力间歇搅拌，搅拌速度为120～180r/min，搅拌时间为6～8分钟，间歇时间为2～4分钟。
纳米粒子比表面大、表面能高，纳米粒子很容易团聚；且纳米粒子与表面能比较低的基体的亲和性差、二者在相互混合时不能相溶，导致界面出现空隙，存在相分离现象。为了确保纳米粒子在材料中以纳米级的尺寸存在，纳米粒子的表面改性即纳米粒子表面与表面改性剂发生作用，改善纳米粒子表面的可润湿性，增强纳米粒子在介质中的界面相容性，使纳米粒子容易在有机化合物或水中分散。表面改性剂分子结构必须具有易与纳米粒子的表面产生作用的特征基团，这种特征基团可以通过表面改性剂的分子结构设计而获得。
纳米分体表面改性的方法很多，有加入分散剂进行分散，另外还有对其进行有机或无机物包覆改性。
分散剂是通过分散剂吸附改变粒子的表面电荷分布，产生静电稳定效应、空间位阻作用和静电空间位阻稳定效应来达到分散效果。
分散剂的种类有表面活性剂、小分子量无机电解质或无机聚合物、聚合物和偶联剂类。表面活性剂是由亲水基和疏水基两部分组成的双亲分子，主要利用空间位阻作用达到分散效果。偶联改性是纳米粒子表面发生化学偶联反应，两组份之间除范德华力、氢键或配位键相互作用外，还有离子键或共价键的结合。
包覆法是用无机化合物或者有机化合物(水溶性或油溶性高分子化合物及脂肪酸皂等)对纳米粒子表面进行包覆，对纳米粒子的团聚起到减弱或屏蔽，而且由于包覆物而产生了空间位阻斥力，使粒子再团聚十分困难，从而达到改性的目的。包覆的机理可以是吸附、附着、简单化学反应或者沉积现象的包膜等。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
（1）本发明的化学镀方法工艺简单，容易实现。
（2）本发明中加入纳米SiO2、TiO2颗粒可有效的提高镀层的硬度和耐磨性能，同时纳米SiO2、TiO2成本低廉，适合大规模化生产。
（3）本发明中对加入的纳米SiO2、TiO2颗粒进行颗粒级配，并进行预先混合，有利于形成更密实的镀层。
（4）本发明中先进行预镀Ni-P镀层，再进行复合镀Ni-P-TiO2/SiO2镀层，有利于Ni-P-TiO2/SiO2复合镀层的结合。
（5）本发明所得冷作模具钢成分均匀，表面光滑。
（6）本发明通过热处理工艺可以促进镀层中新相形成，相变形成金属间化合物，更加合金化，提高镀层抗塑性变形能力，同时也提高了镀层与基体材料的结合力。
（7）本发明所得冷作模具钢通过硬度实验，材料表面相对原基底材料，硬度提高了1～4倍，摩擦磨损量降低30%～75%。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细的说明。
实施例1：
一种冷作模具钢的表面处理方法,其步骤包括净化处理、预镀Ni-P层和化学复合镀。
配置镀液：称取30g六水合硫酸镍，25g次磷酸钠，15g乙酸钠，20g乳酸，配置成1升镀液。利用硫酸调节镀液的PH至5。
净化处理为将冷作模具钢依次进行碱洗，酸洗，水洗和干燥。
将冷作模具钢经过砂纸磨光，再于酒精与丙酮的溶液中超声波清洗15分钟进行除油，再于室温下干燥；然后于45℃的碱洗液中碱洗5分钟，再水洗；再放入酸洗液中于室温条件下进行酸洗5分钟；然后进行水洗干燥。
将处理后的冷作模具钢打孔悬挂浸入镀液中。
预镀包括于85℃和在120r/min磁力搅拌下，预镀10分钟。
将经预镀Ni-P层的冷作模具钢浸入添加了3mg的稳定剂硫脲和100mg的表面活性剂十二烷基苯磺酸钠镀液中进行表面活化；
化学复合镀包括在85℃温度下，添加有经表面改性后预混合的粒度为35nm～75nm锐钛矿型的TiO2和粒度为20nm～40nm非晶型的SiO2纳米颗粒的镀液中化学复合镀30分钟形成Ni-P-TiO2/SiO2镀层，纳米TiO2的含量为6g/L，纳米SiO2的含量为10g/L，化学复合镀采用磁力间歇搅拌，搅拌速度为120r/min，搅拌时间为6分钟，间歇时间为2分钟。
再于室温下干燥后经400℃于马弗炉中处理1h。
通过硬度实验，所得冷作模具钢表面相对原基底材料，硬度提高了1～4倍，摩擦磨损量降低30%～75%。
实施例2：
一种冷作模具钢的表面处理方法,其步骤包括净化处理、预镀Ni-P层和化学复合镀。
配置镀液：称取25g六水合硫酸镍，20g次磷酸钠，12g乙酸钠，18g乳酸，配置成1升镀液。利用硫酸调节镀液的PH至4.5。
净化处理为将冷作模具钢依次进行碱洗，酸洗，水洗和干燥。
将冷作模具钢经过砂纸磨光，再于酒精与丙酮的溶液中超声波清洗20分钟进行除油，再于室温下干燥；然后于70℃的碱洗液中碱洗10分钟，再水洗；再放入酸洗液中于室温条件下进行酸洗3分钟；然后进行水洗干燥。
预镀包括于78℃和在160r/min磁力搅拌下，预镀20分钟。
将经预镀Ni-P层的冷作模具钢浸入添加了2mg的稳定剂硼酸和50mg的表面活性剂十四烷基二甲基苄基氯化铵镀液中进行表面活化；
化学复合镀包括在78℃温度下，添加有经表面改性后预混合的粒度为35nm～75nm TiO2和粒度为20nm～40nm的SiO2纳米颗粒的镀液中化学复合镀40分钟形成Ni-P-TiO2/SiO2镀层，纳米TiO2的含量为5g/L，纳米SiO2的含量为12g/L，化学复合镀采用磁力间歇搅拌，搅拌速度为160r/min，搅拌时间为8分钟，间歇时间为4分钟。
再于室温下干燥后经500℃于箱式炉中处理1.2h。
实施例3：
一种冷作模具钢的表面处理方法,其步骤包括净化处理、预镀Ni-P层和化学复合镀。
配置镀液：称取40g六水合硫酸镍，45g次磷酸钠，45g乙酸钠，30g乳酸，配置成1升镀液。利用硫酸调节镀液的PH至5.5。
净化处理为将冷作模具钢依次进行碱洗，酸洗，水洗和干燥。
将冷作模具钢经过砂纸磨光，再于酒精与丙酮的溶液中超声波清洗18分钟进行除油，再于室温下干燥；然后于60℃的碱洗液中碱洗8分钟，再水洗；再放入酸洗液中于室温条件下进行酸洗1分钟；然后进行水洗干燥。
预镀包括于95℃和在180r/min磁力搅拌下，预镀18分钟。
将经预镀Ni-P层的冷作模具钢浸入添加了4mg的稳定剂硫脲和300mg的表面活性剂十六烷基二甲基苄基氯化铵镀液中进行表面活化；
化学复合镀包括在95℃温度下，添加有经表面改性后预混合的粒度为35nm～75nm TiO2和粒度为20nm～40nm的SiO2纳米颗粒的镀液中化学复合镀35分钟形成Ni-P-TiO2/SiO2镀层，纳米TiO2的含量为10g/L，纳米SiO2的含量为15g/L，化学复合镀采用磁力间歇搅拌，搅拌速度为1800r/min，搅拌时间为7分钟，间歇时间为3分钟。
再于室温下干燥后经250℃于马弗炉中处理3h。
通过硬度实验，所得冷作模具钢表面相对原基底材料，硬度提高了1～4倍，摩擦磨损量降低30%～75%。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种冷作模具钢的表面处理方法，其步骤包括净化处理、预镀Ni-P层和化学复合镀，其特征在于：将经预镀Ni-P层的冷作模具钢浸入添加了稳定剂和表面活性剂的镀液中进行表面活化；所述化学复合镀包括在75℃～95℃温度下，添加有经表面改性后预混合的TiO2和SiO2纳米颗粒的镀液中化学复合镀30～40分钟形成Ni-P-TiO2/SiO2镀层；再于室温下干燥后经250℃～500℃处理0.5h～3h。
2.如权利要求1所述的一种冷作模具钢的表面处理方法，其特征在于：所述镀液：
硫酸镍 15～40g/L
次磷酸钠 10～45g/L
乙酸钠 5～45g/L
乳酸 5～30g/L。
3.如权利要求1所述的一种冷作模具钢的表面处理方法，其特征在于：所述净化处理为将冷作模具钢依次进行碱洗，酸洗，水洗和干燥。
4.如权利要求1所述的一种冷作模具钢的表面处理方法，其特征在于：所述预镀为于75℃～95℃和在120～180r/min磁力搅拌下，预镀10～20分钟。
5.如权利要求1所述的一种冷作模具钢的表面处理方法，其特征在于：所述稳定剂为浓度为1～4mg/L的硫脲或硼酸。
6.如权利要求1所述的一种冷作模具钢的表面处理方法，其特征在于：所述表面活性剂为浓度为50～300mg/L的从十二烷基苯磺酸钠、十四烷基二甲基苄基氯化铵和十六烷基二甲基苄基氯化铵中选出的一种。
7.如权利要求1所述的一种冷作模具钢的表面处理方法，其特征在于：所述TiO2和SiO2纳米颗粒的粒度范围不同。
8.如权利要求7所述的一种冷作模具钢的表面处理方法，其特征在于：所述TiO2和SiO2纳米颗粒的粒度分别为35nm～75nm和20nm～40nm。
9.如权利要求1所述的一种冷作模具钢的表面处理方法，其特征在于：所述纳米TiO2的含量为＞1～10g/L，纳米SiO2的含量为1～15g/L。
10.如权利要求1所述的一种冷作模具钢的表面处理方法，其特征在于：所述化学复合镀采用磁力间歇搅拌，搅拌速度为120～180r/min，搅拌时间为6～8分钟，间歇时间为2～4分钟。
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