CN104087889A - 一种压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法及氧化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法及氧化装置。所述方法是先在压铸模具表面上采用冷喷涂扩散方法进行渗铝处理，然后采用常温硬质阳极氧化方法进行氧化处理。所述装置由氧化槽、温度计、渗铝模具、铅板、电流表和电源构成，其中温度计、渗铝模具和铅板分别设置在氧化槽中，渗铝模具作为阳极与设置在氧化槽外的电流表的负极相连接，铅板作为阴极与设置在氧化槽外的电源的负极相连接，电流表的正极与所述电源的正极相连接。本发明的先渗铝后氧化处理技术，处理后的压铸模具，其表面形成与基体结合牢固的、致密的、硬度和强度较高的Fe-Al-O复合氧化物过渡层，从而提高压铸模具的静态抗热熔损、动态抗热熔损和抗热疲劳性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种模具表面处理技术，尤其是涉及一种能提高压铸模具综合抗热熔损和抗热疲劳性能的压铸模具表面先渗铝后氧化处理方法以及该方法所使用的氧化装置。
背景技术
常用表面处理技术如渗氮、软氮化、渗硼、PVD、CVD等，都是通过在压铸模具表面生成新的化合物层，避免熔融铝液和压铸模具的直接接触，从而不同程度地降低铝液对压铸模具的熔损作用。但是，由于表面化合物层与压铸模具基体在热学和力学性能上的差异，容易导致应力集中，从而降低压铸模具更为重要的抗热疲劳性能。与渗氮、渗硼等表面处理工艺相比，直接氧化处理对压铸模具热循环过程中的应力变化的影响较小，这也意味着对抗热疲劳性能的影响比较小。直接氧化处理虽然能够提高压铸模具的动态抗热熔损性能，但是不能提高其静态抗热熔损性能[1]。
冷喷涂扩散方法对基体的热影响小，加热温度较低，形成的渗铝层均匀致密，且和基体结合牢固。钢表面经冷喷涂扩散方法处理后，基体的硬度、抗氧化能力和耐腐蚀性能均有所提高[2]。常温硬质阳极氧化方法可在常温稳定工作，不需冷却设备，节约能源，形成的氧化膜连续致密，与基体结合牢固。铝合金表面经常温硬质阳极氧化处理后，基体的硬度、耐蚀性和耐磨性均有所提高[3]。经冷喷涂扩散方法处理后，钢的抗氧化能力虽有增加，但对其再进行常温硬质阳极氧化处理尚未见成功报导。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的是为了克服现有的表面处理技术不能同时提高压铸模具的抗热熔损和抗热疲劳性能的缺陷和不足，提供一种压铸模具表面先渗铝后氧化的处理新方法，该技术不仅能提高压铸模具综合抗热熔损性能，而且能提高压铸模具抗热疲劳性能。同时还提供一种压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法所使用的氧化装置。
为了达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法，先在压铸模具表面上采用冷喷涂扩散方法进行渗铝处理，然后采用常温硬质阳极氧化方法进行氧化处理。所述处理方法包括的具体步骤是：
1、将压铸模具按碱洗、水洗、酸洗、水洗、烘干顺序处理后放入冷喷涂设备中，按设置好的喷涂工艺参数，进行冷喷涂铝，其表面形成厚度为90～110μm的铝涂层；喷涂工艺参数为：工作气体为空气，喷射压力为1.5～3.5MPa，喷射温度为220～230℃，消耗功率为5～25kW，喷射距离为10～50mm，喷射速度>700m/s；
2、对步骤1冷喷涂铝后的压铸模具使用箱式电阻炉进行扩散处理，其表面形成厚度为50～60μm的渗铝层；扩散处理参数为：在扩散过程中通氩气保护，扩散温度为540～560℃，扩散时间为230～250min，冷却方式为炉冷至200℃后空冷；
3、采用饱和NaOH溶液洗去步骤2渗铝后的压铸模具表面残留的纯铝，裸露出有金属光泽的渗铝层；
4、将步骤3除尽表面残铝的压铸模具作为阳极，放入氧化装置中进行常温硬质阳极氧化处理，其表面形成Al2O3和Fe3O4复合氧化膜，氧化膜厚度为35～76μm，氧化膜硬度为333～364HV；氧化处理参数为：电解液采用50～100g/L磺基水杨酸和2.5g/L硫酸组成的混合溶液，电流密度为2.0～3.0A/dm2，氧化时间为30～90min；采取恒电流方式氧化，即开始按1.0A/dm2供电，在20min内逐步调至额定值，保持电流恒定至氧化结束。
本发明的另一个目的是针对要解决的技术问题提供一种压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法所使用的氧化装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法的氧化装置，由氧化槽1、温度计2、渗铝模具3、铅板4、电流表5和电源6构成，其中所述的温度计2、渗铝模具3和铅板4分别设置在所述的氧化槽1中，所述渗铝模具3作为阳极与设置在氧化槽1外的电流表5的负极相连接，所述的铅板4作为阴极与设置在氧化槽1外的电源6的负极相连接，所述电流表5的正极与所述电源6的正极相连接。
上述所述的氧化槽1中还设有电解液，电解液采用50～100g/L磺基水杨酸和2.5g/L硫酸组成的混合溶液，氧化槽1的材质为PVC材料。
上述所述的铅板4的表面积大于渗铝模具3的表面积。
上述所述的电源6为直流稳压电源，型号为WYJ-303，电压、电流可在0～30V、0～3A范围内连续调节。
本发明的有益效果是，通过选择合适的电解液和处理参数，将冷喷涂扩散方法和常温硬质阳极氧化方法顺利结合，构成先渗铝后氧化处理技术。采用该技术对压铸模具表面进行处理后，其表面形成Al2O3和Fe3O4复合氧化膜，此氧化膜组织致密，具有较高的硬度和强度，与基体结合牢固，且与铝液间具有强烈的不润湿性，可以显著提高压铸模具的综合抗热熔损和抗热疲劳性能。
附图说明
图1是本发明的常温硬质阳极氧化装置示意图。
图1中，1-氧化槽，2-温度计，3-渗铝模具，4-铅板，5-电流表，6-电源。
图2是本发明获得的复合氧化膜的X射线衍射图谱。
图3(a)是静态熔损后试样表面状况，图3(b)是静态熔损后质量损失。
图4(a)是动态熔损后试样表面状况，图4(b)是动态熔损后质量损失。
图5(a)是表面未处理试样500次热循环后热疲劳裂纹形貌，图5(b)是表面渗铝氧化处理试样500次热循环后热疲劳裂纹形貌。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如附图1所示，为本发明的一种压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法所使用的氧化装置，由氧化槽1、温度计2、渗铝模具3、铅板4、电流表5和电源6构成，其中所述的温度计2、渗铝模具3和铅板4分别设置在所述的氧化槽1中，所述渗铝模具3作为阳极与设置在氧化槽1外的电流表5的负极相连接，所述的铅板4作为阴极与设置在氧化槽1外的电源6的负极相连接，所述电流表5的正极与所述电源6的正极相连接。其中所述的氧化槽1中还设有电解液，氧化槽1的材质为PVC材料。所述的铅板4的表面积大于渗铝模具3的表面积。所述的电源6为直流稳压电源，型号为WYJ-303，电压、电流可在0～30V、0～3A范围内连续调节。
本发明的一种压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法，具体步骤是：
第1步，将压铸模具按碱洗、水洗、酸洗、水洗、烘干顺序处理后放入冷喷涂设备中，按设置好的喷涂工艺参数，进行冷喷涂铝，其表面形成厚度为90～110μm的铝涂层；喷涂工艺参数为：工作气体为空气，喷射压力为1.5～3.5MPa，喷射温度为220～230℃，消耗功率为5～25kW，喷射距离为10～50mm，喷射速度>700m/s；
第2步，对步骤1冷喷涂铝后的压铸模具使用箱式电阻炉进行扩散处理，其表面形成厚度为50～60μm的渗铝层；扩散处理参数为：在扩散过程中通氩气保护，扩散温度为540～560℃，扩散时间为230～250min，冷却方式为炉冷至200℃后空冷；
第3步，采用饱和NaOH溶液洗去步骤2渗铝后的压铸模具表面残留的纯铝，裸露出有金属光泽的渗铝层；
第4步，将步骤3除尽表面残铝的压铸模具作为阳极，放入氧化装置中进行常温硬质阳极氧化处理，其表面形成Al2O3和Fe3O4复合氧化膜，氧化膜厚度为35～76μm，氧化膜硬度为333～364HV；氧化处理参数为：电解液采用50～100g/L磺基水杨酸和2.5g/L硫酸组成的混合溶液，电流密度为2.0～3.0A/dm2，氧化时间为30～90min；采取恒电流方式氧化，即开始按1.0A/dm2供电，在20min内逐步调至额定值，保持电流恒定至氧化结束。
以下为本发明一种压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法的优选实施例。
实施例1
图3所示的第一个实施例显示了静态熔损实验后的结果。
静态熔损实验使用的渗铝氧化处理试样的表面处理过程为：试样预处理后放入冷喷涂设备中进行冷喷涂处理，其表面形成厚度为90μm的铝涂层；对冷喷涂铝后的试样使用箱式电阻炉进行扩散处理，扩散温度为540℃，扩散时间为230min，其表面形成厚度为50μm的渗铝层；用饱和NaOH溶液洗去试样表面残留的纯铝，裸露出渗铝层；以渗铝试样作为阳极，放在氧化装置中进行常温硬质阳极氧化处理，其表面形成Al2O3和Fe3O4复合氧化膜，氧化膜厚度为39μm，氧化膜硬度为364HV，氧化处理参数为：电解液采用50g/L磺基水杨酸和2.5g/L硫酸组成的混合溶液，电流密度为2.0A/dm2，氧化时间为30min。
对表面经渗铝氧化处理试样与表面未处理试样进行静态熔损实验，实验结果表明：表面先渗铝后氧化处理能显著提高压铸模具试样的静态抗熔损性能，表面渗铝氧化处理试样的静态热熔损失重为4.9g/dm2，表面未处理试样的静态热熔损失重为8.6g/dm2，前者为后者的57％，前者静态熔损后表面附着的铝较少，后者表面挂铝严重。
实施例2
图4所示的第二个实施例显示了动态熔损实验的结果。
动态熔损实验使用的渗铝氧化处理试样的表面处理过程为：试样预处理后放入冷喷涂设备中进行冷喷涂处理，其表面形成厚度为100μm的铝涂层；对冷喷涂铝后的试样使用箱式电阻炉进行扩散处理，扩散温度为550℃，扩散时间为240min，其表面形成厚度为55μm的渗铝层；用饱和NaOH溶液洗去试样表面残留的纯铝，裸露出渗铝层；以渗铝试样作为阳极，放在氧化装置中进行常温硬质阳极氧化处理，其表面形成Al2O3和Fe3O4复合氧化膜，氧化膜厚度为52μm，氧化膜硬度为336HV，氧化处理参数为：电解液采用75g/L磺基水杨酸和2.5g/L硫酸组成的混合溶液，电流密度为2.5A/dm2，氧化时间为60min。
对表面经渗铝氧化处理试样与表面未处理试样进行动态熔损实验，实验结果表明：表面先渗铝后氧化处理能大幅度提高压铸模具试样的动态抗熔损性能，表面渗铝氧化处理试样的动态热熔损失重为0.2g/dm2，表面未处理试样的动态热熔损失重为5.5g/dm2，前者仅为后者的3.6％，前者动态熔损后表面基本没有铝附着，后者表面附着的铝较多。
实施例3
图5所示的第三个实施例显示了热疲劳实验的结果。
热疲劳实验使用的渗铝氧化处理试样的表面处理过程为：试样预处理后放入冷喷涂设备中进行冷喷涂处理，其表面形成厚度为110μm的铝涂层；对冷喷涂铝后的试样使用箱式电阻炉进行扩散处理，扩散温度为560℃，扩散时间为250min，其表面形成厚度为60μm的渗铝层；用饱和NaOH溶液洗去试样表面残留的纯铝，裸露出渗铝层；以渗铝试样作为阳极，放在氧化装置中进行常温硬质阳极氧化处理，其表面形成Al2O3和Fe3O4复合氧化膜，氧化膜厚度为55μm，氧化膜硬度为340HV，氧化处理参数为：电解液采用100g/L磺基水杨酸和2.5g/L硫酸组成的混合溶液，电流密度为3.0A/dm2，氧化时间为90min。
对表面经渗铝氧化处理试样与表面未处理试样进行热疲劳实验，实验结果表明：表面先渗铝后氧化处理能大幅度提高压铸模具试样的抗热疲劳性能，表面未处理试样产生的热疲劳裂纹多且粗大，主裂纹长度为143.75μm，而表面渗铝氧化处理试样产生的热疲劳裂纹少且细小，主裂纹长度为48.44μm，为未处理试样的34％。
Claims (6)
1.一种压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法，其特征在于，先在压铸模具表面上采用冷喷涂扩散方法进行渗铝处理，然后用常温硬质阳极氧化方法进行氧化处理，具体步骤是：
(1)将压铸模具按碱洗、水洗、酸洗、水洗、烘干顺序处理后放入冷喷涂设备中，按设置好的喷涂工艺参数，进行冷喷涂铝，其表面形成厚度为90～110μm的铝涂层；喷涂工艺参数为：工作气体为空气，喷射压力为1.5～3.5MPa，喷射温度为220～230℃，消耗功率为5～25kW，喷射距离为10～50mm，喷射速度>700m/s；
(2)对步骤1冷喷涂铝后的压铸模具使用箱式电阻炉进行扩散处理，其表面形成厚度为50～60μm的渗铝层；扩散处理参数为：在扩散过程中通氩气保护，扩散温度为540～560℃，扩散时间为230～250min，冷却方式为炉冷至200℃后空冷；
(3)采用饱和NaOH溶液洗去步骤2渗铝后的压铸模具表面残留的纯铝，裸露出有金属光泽的渗铝层；
(4)将步骤3除尽表面残铝的压铸模具作为阳极，放入氧化装置中进行常温硬质阳极氧化处理，其表面形成Al2O3和Fe3O4复合氧化膜，氧化膜厚度为35～76μm，氧化膜硬度为333～364HV；氧化处理参数为：电解液采用50～100g/L磺基水杨酸和2.5g/L硫酸组成的混合溶液，电流密度为2.0～3.0A/dm2，氧化时间为30～90min；采取恒电流方式氧化，即开始按1.0A/dm2供电，在20min内逐步调至额定值，保持电流恒定至氧化结束。
2.一种如权利要求1所述的压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法的氧化装置，其特征在于，由氧化槽(1)、温度计(2)、渗铝模具(3)、铅板(4)、电流表(5)和电源(6)构成，其中所述的温度计(2)、渗铝模具(3)和铅板(4)分别设置在所述的氧化槽(1)中，所述渗铝模具(3)作为阳极与设置在氧化槽(1)外的电流表(5)的负极相连接，所述的铅板(4)作为阴极与设置在氧化槽(1)外的电源(6)的负极相连接，所述电流表(5)的正极与所述电源(6)的正极相连接。
3.如权利要求2所述的压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法的氧化装置，其特征在于，所述的氧化槽(1)中还设有电解液，所述电解液为50～100g/L磺基水杨酸和2.5g/L硫酸组成的混合溶液。
4.如权利要求2或3所述的压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法的氧化装置，其特征在于，所述的氧化槽(1)的材质为PVC材料。
5.如权利要求2所述的压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法的氧化装置，其特征在于，所述的铅板(4)的表面积大于渗铝模具(3)的表面积。
6.如权利要求2所述的压铸模具表面先渗铝后氧化的处理方法的氧化装置，其特征在于，所述的电源(6)为直流稳压电源，型号为WYJ-303，电压、电流可在0～30V、0～3A范围内连续调节。
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