CN104195553B - 一种挤压模具的表面强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种挤压模具的表面强化方法，所述方法引入超硬涂层延寿技术，通过采用合理的表面预处理方式去除表面及近表面的油渍及参与固体颗粒物后，再采用多层复合沉积薄膜在150‑200℃的环境下进行模具表面强化，具体的在挤压模具表面形成以TiN薄膜为打底层、结合TiAlN薄膜和CrN薄膜的多层复合薄膜结构，在不影响模具基材力学性能及几何精度的前提下，降低模具表面的摩擦系数60%以上，提高模具表面的维氏硬度2.5倍以上，延长模具使用寿命三倍以上，大大减少了生产过程中更换挤压模具的次数及操作人员的工作量，提高了挤压模具的使用性能和生产效率，降低了设备成本。
Description
技术领域
本发明涉及模具表面强化技术领域，更具体的涉及一种挤压模具的表面强化方法。
背景技术
铝及铝合金型材生产企业中，其挤压模具既需要在高温高载荷下承受强烈的摩擦、磨损浸染，同时还需要承受周期性循环载荷，工作条件十分苛刻。目前为了满足耐磨损、耐高温、抗疲劳等要求，铝及铝合金型材的挤压模具普遍采用H13热作模具钢，其在中温下的综合性能好，淬透性高，可以采用水为淬火介质而不产生裂纹，材料淬火后硬度大于HRC50，适合应用于温度在600℃以下的热加工模具，而且由于铝及铝合金型材的热挤压温度一般不超过550℃，因此这种H13热作模具钢材料在本行业内得到了广泛的应用，但是由于模具成本一直是铝及铝合金型材生产成本中的重要一环，因此基于H13热作模具钢这种材料的表面强化技术一直都是本行业重要的技术关注点。
目前H13挤压模具表面强化技术主要采用的方式是通过热处理淬火后表面渗氮的工艺，通过表面渗氮可将模具表面的硬度由原来的HV700提高到HV1000-1200左右，同时渗氮后表面具有一定的抗氧化能力，延长了模具的使用寿命，也为大多数铝及铝合金生产企业所采用，但是该方法有一定的局限性，（1）、表面的硬度提升在40%-70%作用，虽然可以明显的提高模具的使用寿命，但是相对仍然提升有限，同时考虑到渗氮工艺的成本因素，单位重量下合格铝及铝合金型材的生产成本降低有限；（2）、表面的抗氧化性能仍然不高，在中温环境下长时间工作容易产生由于表面氧化而造成的挤压力上升，产品表面质量下降；（3）、该工艺不能降低模具表面的摩擦系数，对提升产品质量，降低设备负荷没有帮助。
因此现有技术中针对铝及铝合金型材的挤压模具的表面强化处理所广泛采用的淬火后表面渗氮工艺仍不能使处理后的模具表面很好的满足耐磨损和抗疲劳的服役环境要求，而且这种现有工艺处理后的挤压模具表面在工作中也极易发生磨损，并可能会诱发裂纹进而发生疲劳失效，导致模具更换频率加快，提高铝型材产出成本，因此针对挤压模具尤其是铝及铝合金型材的挤压模具提出一种全新高效地表面强化处理方法意义重大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提出一种全新的挤压模具的表面强化方法，所述方法引入超硬涂层延寿技术，通过采用合理的表面预处理方式去除表面及近表面的油渍及参与固体颗粒物后，再采用物理气相沉积方法，在150-200℃的环境下在模具表面沉积多层复合薄膜，进而对模具表面进行强化，在不影响模具基材力学性能及几何精度的前提下，降低模具表面的摩擦系数60%以上，提高模具表面的维氏硬度2.5倍以上，延长模具使用寿命三倍以上，大大减少了生产过程中更换挤压模具的次数及操作人员的工作量，提高了挤压模具的使用性能和生产效率，降低了设备成本。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
一种挤压模具的表面强化方法，其特征在于，
步骤一、将挤压模具进行表面气体渗氮处理，渗氮介质为氨气NH3，氮化温度控制在510～550℃，渗氮时间控制在10-12小时，渗氮处理后冷却至室温；
步骤二、将经步骤一处理后的挤压模具的工作带表面进行打磨抛光，并控制抛光后表面的粗糙度Ra≯0.40μm；
步骤三、将经步骤二处理后的挤压模具在超声波清洗槽中进行表面清洗，清洗后处理干净表面残留液；
步骤四、将经步骤三处理后的挤压模具悬挂于物理气相沉积镀膜设备中的真空镀膜室内，并在所述真空镀膜室内安装Ti靶10、Cr靶11、和Al靶13；
步骤五、将步骤四中所述的真空镀膜室4抽真空到10-4Pa以下，并控制真空镀膜室4内温度处于180-200℃，然后向真空镀膜室4内通入高纯度氩气，并使真空镀膜室4内气压保持在0.2-0.5Pa，同时在挤压模具上施加-800V至-1100V之间的负向电压，利用氩气电离产生的氩离子对挤压模具表面进行30至50分钟的二次轰击清理；
步骤六、完成步骤五后，将施加在挤压模具上的负向电压调整至-90V至-110V之间，向所述真空镀膜室4内同时通入高纯度氩气和高纯度氮气，控制气体流量处于75-80L/min，且通入的氮气和氩气体积比为5-1：1，并保持真空镀膜室4内气压处于0.2-0.5Pa、温度处于150-200℃；
步骤七、完成步骤六后，接通所述Ti靶10的电源，并控制Ti靶电流为3-5A， Ti靶和氮气发生电离形成的Ti离子和N离子在挤压模具12表面沉积形成TiN薄膜，沉积时间为20-40分钟，所形成的TiN薄膜的厚度为0.2-0.4微米；
步骤八、完成步骤七后，同时接通所述Ti靶10、Al靶13的电源，并控制各靶电流为3-5A，Ti靶、Al靶和氮气发生电离形成的Ti离子、Al离子和N离子在所述TiN薄膜上沉积形成TiAlN薄膜，沉积时间2-3小时，所形成的TiAlN薄膜的厚度为2.5-3.5微米；
步骤九、完成步骤八后，接通所述Cr靶11的电源并同时关闭所述Ti靶10和Al靶13的电源，控制Cr靶电流为3-5A，Cr靶和氮气发生电离形成的Cr离子和N离子在所述TiAlN薄膜上沉积形成CrN薄膜，沉积时间为0.5-1小时，所形成的CrN薄膜的厚度为0.8-1微米；
步骤十、待步骤九完成后，关闭所述Cr靶11的电源，向所述真空镀膜室4通入普通纯度氮气以平衡外界大气压，并在真空镀膜室4内温度降到室温后关闭所有电源，打开真空镀膜室4炉门，将挤压模具取出冷却，完成对挤压模具的表面强化处理。
进一步的根据本发明所述的表面强化方法，其中步骤二中采用手持式抛光砂轮机进行表面打磨抛光处理，其中步骤三中采用无水乙醇和丙酮的混合溶液进行挤压模具表面清洗，无水乙醇与丙酮的混合体积比为1-1.5：1。
进一步的根据本发明所述的表面强化方法，其中步骤四中所述的Ti靶10为纯度达到99.9%的单质Ti靶，所述的Cr靶11为纯度达到99.9%的单质Cr靶11，所述的Al靶13为纯度达到99.9%的单质Al靶13。
进一步的根据本发明所述的表面强化方法，其中步骤四中所述的物理气相沉积镀膜设备为多弧离子镀与磁控溅射复合型镀膜设备，包括高纯度氮气罐1、高纯度氩气罐2、普通纯度氮气罐3、所述真空镀膜室4、压力检测仪5、温度检测仪6、控制柜7、分子泵8和机械泵9，所述高纯度氮气罐1、高纯度氩气罐2和普通纯度氮气罐3通过管路连通于所述真空镀膜室4，用于向所述真空镀膜室4内提供氮气和氩气，所述压力检测仪5、温度检测仪6和控制柜7设置于所述真空镀膜室4上，所述压力检测仪5和温度检测仪6分别用于检测真空镀膜室4内的气压和温度，所述控制柜7用于控制真空镀膜室4内的温度，所述分子泵8和机械泵9连通于所述真空镀膜室4，用于对所述真空镀膜室4进行抽真空，所述Ti靶10、Cr靶11和Al靶13在真空镀膜室4内围绕挤压模具布置。
进一步的根据本发明所述的表面强化方法，其中所述高纯度氮气罐1向真空镀膜室4提供纯度为99.999%的高纯度氮气，所述高纯度氩气罐2向真空镀膜室4提供纯度为99.999%的高纯度氩气，所述普通纯度氮气罐3向真空镀膜室4提供纯度为99%的普通纯度氮气。
进一步的根据本发明所述的表面强化方法，其中所述步骤五中，所述物理气相沉积真空镀膜室4内的温度为200℃，所述挤压模具上施加的负向电压为-900V；所述步骤六中挤压模具上施加的负向电压为-100V。
进一步的根据本发明所述的表面强化方法，其中所述步骤八中，通过所述Ti靶、Al靶的电流控制TiAlN薄膜中Ti、Al的含量，所述Ti靶、Al靶的电流均为5A，或者所述Ti靶的电流为4A、所述Al靶的电流为5A，或者所述Ti靶的电流为3A、所述Al靶的电流为3A。
进一步的根据本发明所述的表面强化方法，其中所述步骤十中，当挤压模具表面温度降到室温后，在模具表面涂上一层均匀的机油。
进一步的根据本发明所述的表面强化方法，其中通过所述表面强化方法处理后的挤压模具表面的显微硬度HV达到3000以上、摩擦系数处于0.3以下、抗高温氧化温度达到400℃以上、以单位mm3•mm-1计的磨损量降底到10-8量级。
进一步的根据本发明所述的表面强化方法，其中所述挤压模具为适用于铝及铝合金型材的H13热作模具钢制的挤压模具。
通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：
1）、利用本发明所述方法处理后的模具表面硬度是传统渗氮技术处理后表面硬度的2-5倍，从而显著地提高了挤压模具表面的硬度，增加了挤压模具的耐磨性，大大延长了挤压模具的使用寿命；
2）、本发明与传统渗氮工艺相比，处理温度可低至150-200℃，对模具本身性能的破坏更小，能最大程度的保护模具的性能，避免由于回火所导致的模具材料性能下降，保证了模具处理质量；
3）、本发明所述技术克服了普通渗氮表面氧化严重的缺点，能大幅度的提高模具表面的抗氧化温度，进一步延长了挤压模具的使用寿命；
4）、本发明所述技术与传统渗氮工艺相比，能明显的降低模具表面的摩擦系数，使得模具表面更加光滑，进而减少由摩擦所产的热量；
5）、利用本发明所述技术处理后的模具具有再利用价值，长时间使用后的表面硬质薄膜脱落的模具可以通过再次沉积硬质薄膜继续使用，实现模具循环利用，最大限度的降低成本；
6）、综上本发明所述表面强化方法与传统渗氮工艺相比，成本更低，处理后模具表面具有更加优异的硬度和耐磨性，能够大幅提高挤压模具的再制造使用寿命，降低模具更换频次和成本，同时能够适合大批量或工业化连续生产铝及铝合金型材，并且与其他工艺间也有很高的相容性，具有较好的市场推广使用前景。
附图说明
附图1为本发明所述表面强化方法中所使用的多弧离子镀与磁控溅射复合型镀膜设备的结构示意图。
图中各附图标记的含义如下：
1—高纯度氮气罐、2—高纯度氩气罐、3—普通纯度氮气罐、4—真空镀膜室、5—压力检测仪、6—温度检测仪、7—控制柜、8—分子泵、9—机械泵、10—Ti靶、11—Cr靶、12—待镀膜模具、13—Al靶。
具体实施方式
以下对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。
本发明所述尤其适用于铝及铝合金型材的挤压模具的表面强化方法具体包括以下步骤：
步骤一、将待处理的挤压模具进行表面气体渗氮处理，渗氮介质为氨气NH3，氮化温度：510～550℃，渗氮时间10-12h，到时后随炉冷却至室温；
步骤二、将经过步骤一处理后的模具的工作带表面采用手持抛光布砂轮进行打磨抛光，要求抛光后表面的粗糙度Ra≯0.40μm；
步骤三、将经步骤二处理后的模具在超声波清洗槽中进行表面清理，溶液采用无水乙醇及丙酮的混合液体，混合体积比为无水乙醇：丙酮=1-1.5：1，优选的为1.2：1，清洗处理后模具用干净的非纤维编制软布（如无纺布、人造吸水布）擦拭干净；
步骤四、将经步骤三处理后的模具悬挂于物理气相沉积镀膜设备中，并在设备中安放好靶材料，其中所述的物理气相沉积镀膜设备为附图1所示的多弧离子镀与磁控溅射复合型镀膜设备，优选采用型号为AS600DMTX的设备，其中的靶材料包括单质Ti靶、单质Al靶以及单质Cr靶，所有单质靶材料的纯度均达到99.9%；如附图1所示的，所述多弧离子镀与磁控溅射复合型镀膜设备包括高纯度氮气罐1、高纯度氩气罐2、普通纯度氮气罐3、真空镀膜室4、压力检测仪5、温度检测仪6、控制柜7、分子泵8、机械泵9、Ti靶10、Cr靶11和Al靶13，其中真空镀膜室4的内腔作为沉积镀膜的工作空间，步骤三处理后的挤压模具作为待镀膜模具12放置于真空镀膜室4内腔，其中所述的高纯度氮气罐1、高纯度氩气罐2、普通纯度氮气罐3通过管路连通于所述真空镀膜室4内腔，其中高纯度氮气罐1用于提供纯度为99.999%的高纯度氮气，高纯度氩气罐2用于提供纯度为99.999%的高纯度氩气，普通纯度氮气罐3用于提供纯度为99%的普通纯度氮气，所述的压力检测仪5、温度检测仪6、控制柜7连通于真空镀膜室4内腔，用于检测沉积镀膜过程中腔内的压强、温度等参数并进行温度控制，所述的分子泵8和机械泵9连通于真空镀膜室4内腔，用于对其进行抽真空控制。所述的Ti靶10、Cr靶11和Al靶13均设置于真空镀膜室4内，并如附图1所示的围绕待镀膜模具12布置。
步骤五、将步骤四中所述多弧离子镀与磁控溅射复合型镀膜设备中的真空镀膜室4通过其机械泵9和分子泵8抽真空到极限，至少抽真空到10-4Pa以下，通过温度检测仪5采用热电偶测温，并通过控制柜7控制升温到180-200℃时，通过高纯度氩气罐2向真空镀膜室4内通入高纯度氩气（Ar），并使真空镀膜室4内气压保持在0.2-0.5Pa，用压力检测仪5实时监测。然后在待镀膜模具12上施加-800V至-1100V间的电压，此时真空镀膜室4内的高纯度氩气会发生电离，形成氩离子，氩离子由于待镀膜模具12上负电压的吸引而在对模具表面产生撞击，完成对待镀膜模具12表面的二次轰击清理，且保持这种二次轰击清理过程维持30-50min；
步骤六、完成步骤五后，将待镀膜模具12上的电压调整至-90至-110V之间，开始正式镀膜，此时同时开启高纯度氮气罐1和高纯度氩气罐2，向真空镀膜室4内通入高纯度氩气（Ar）和高纯度氮气（N2），气流量控制为75-80L/min，通入的氮气和氩气体积比为5-1：1，并在镀膜过程中保持真空镀膜室4内压力处于0.2-0.5Pa、温度处于150-200℃；
步骤七、完成步骤六后，接通单质Ti靶10的电源，并控制靶材电流为3-5A， Ti靶材及氮气均发生电离，形成Ti离子和N离子，同时由于待镀膜模具12上负电压的吸引作用，使得Ti离子和N离子在待镀膜模具12表面上以离子形态相遇后化合生成TiN薄膜，从而在待镀膜模具12表面上先沉积形成一层TiN薄膜作为打底层，沉积时间控制在20-40min，TiN薄膜厚度控制在0.2-0.4微米；
步骤八、完成步骤七后，同时接通Ti靶10、Al靶13的电源，各靶材电流控制在3-5A，同理由于氮气、单质Ti靶、单质Al靶均分别发生电离现象，形成Ti离子、Al离子和N离子，由于待镀膜模具12上负电压的吸引作用，Ti离子、Al离子和N离子这三种离子在吸附到作为打底层的TiN薄膜上相遇后通过化合生成TiAlN薄膜，即在步骤七所述的TiN薄膜上重新沉积一层TiAlN薄膜，控制沉积时间在2-3h，所形成的TiAlN薄膜厚度为2.5-3.5微米；
步骤九、完成步骤八后，接通Cr靶11的电源并同时关闭Ti靶10、及Al靶13电源，控制Cr靶11的靶材电流为3-5A，同理单质Cr靶材以及氮气发生电离现象，生成Cr离子和N离子，由于TiAlN薄膜上负电压的吸引作用，两种离子在TiAlN薄膜上相遇后通过化合生成沉积CrN薄膜，即在步骤八所述TiAlN薄膜上重新沉积一层CrN薄膜，沉积时间控制为0.5-1h，CrN薄膜厚度控制在0.8-1微米。通过所述CrN薄膜防止在挤压模具在挤压过程中，TiAlN薄膜与铝合金型材发生共晶反应。
步骤十、待步骤九完成后，关闭Cr靶11的电源和高纯度氮气罐1、高纯度氩气罐2的阀门，打开普通纯度氮气罐3的阀门，向真空镀膜室4内通入普通纯度氮气，并等待真空镀膜室4内温度下降；
步骤十一、当真空镀膜室4内温度降到室温后，关闭所有电源，并在真空镀膜室4内气压等于外界大气压力时，关闭普通纯度氮气罐3阀门，打开炉门，用夹子取出待镀膜模具12；
步骤十二、将经步骤十一取出的待镀膜模具12置于通风平面上，待模具表面温度降到室温后，在模具表面涂上一层均匀的机油，完成对模具表面的强化处理。
通过本发明所述表面强化方法处理后的挤压模具表面的显微硬度（HV）达到3000以上，摩擦系数处于0.3以下，抗高温氧化温度达到400℃以上，磨损量(mm3•mm-1)达到10-8量级，并且镀膜层与基体之间具有较强的结合力。因此本发明所述方法显著地提高了挤压模具表面的硬度，增强了挤压模具的耐磨性，大大延长了挤压模具的使用寿命，并且处理温度可低至200℃以下，对模具本身性能的破坏更小，成本更低，能够适合大批量或工业化连续生产，具有较好的市场推广使用前景。
下面结合实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
实施例1
对H13热作模具钢制的挤压模具表面进行再制造强化处理，包括以下步骤：
（1）、将待处理模具表面进行气体渗氮处理，渗氮介质为NH3，氮化温度550℃，保温时间12h，等模具温度降至室温后，将模具取出；
（2）、将渗氮处理后的模具利用手持式抛光砂轮机进行表面抛光处理，去除模具渗氮表面“白亮层”的同时，对表面进行打磨抛光处理，使得模具表面呈镜面状态，粗糙度Ra≯0.40μm；
（3）、将经过打磨抛光处理的模具放入超声波清洗设备中，利用无水乙醇和丙酮的混合溶液对模具进行表面清洗，其中无水乙醇和丙酮的混合体积比为1.5：1，保证模具表面无油、无锈、无杂质，然后将经过清洗的模具取出，利用吹风机将模具表面残余的溶液吹干；
（4）、将单质Ti靶10、单质Al靶13以及单质Cr靶11安装到型号为AS600DMTX的多弧离子镀与磁控溅射复合型镀膜设备中的真空镀膜室4，同时将步骤（3）处理后的模具作为待镀膜模具悬挂于真空镀膜室4内，关闭炉门，其中三种单质靶材的纯度均为99.9%；
（5）、将真空镀膜室4内采用机械泵和分子泵抽真空到10-4Pa，开始加热。采用热电偶测温，升温到200℃后，向真空镀膜室4内通入高纯度氩气（Ar），使炉内气压保持在0.5Pa，氩气纯度为99.999%。然后在待镀膜模具12上加-1000V电压，利用电离产生的氩离子对模具表面进行撞击，完成对模具表面的二次清理，二次清理过程维持50min；
（6）、完成步骤（5）后，将待镀膜模具上的电压调整至-100V，开始正式镀膜。此时向真空镀膜室4通入高纯度氩气（Ar）和高纯度氮气（N2），气流量为80L/min，通入的氮气和氩气体积比为5：1，保持真空镀膜室4内压力为0.5Pa，温度为200℃；
（7）、完成步骤（6）后，接通单质Ti靶电源，靶材电流设为5A，在模具表面沉积生成TiN薄膜，控制沉积过程40min，TiN薄膜厚度0.4微米；
（8）、完成步骤（7）后，接通单质Ti靶、单质Al靶的电源，并控制靶材电流均为5A，沉积时间3h，在上述TiN薄膜上重新沉积一层TiAlN薄膜，厚度为3.5微米；
（9）、完成步骤（8）后，接通单质Cr靶的电源并关闭单质Ti靶及单质Al靶的电源，控制Cr靶材电流为5A，沉积时间为1h，在所述TiAlN薄膜上重新沉积一层CrN薄膜，厚度为1微米；
（10）关闭Cr靶电源及高纯度氩气及氮气阀门，向真空镀膜室4内通入普通纯度氮气，并等待真空镀膜室4内温度下降；
（11）当真空镀膜室4内温度降到室温后，关闭所有电源，并在真空镀膜室4内压力与大气压力相同时，关闭普通氮气阀门，打开炉门，用夹子取出模具；
（12）、将模具放置于通风处，待模具降至室温后，在模具表面均匀的刷一层机油。
实施例2
对适用于普通铝型材的挤压模具的表面进行再制造强化处理，包括以下步骤：
（1）、将待处理模具表面进行气体渗氮处理，渗氮介质为NH3，氮化温度510℃，保温时间10h，等模具温度降至室温后，将模具取出；
（2）、将渗氮处理后的模具利用手持式抛光砂轮机进行表面抛光处理，去除模具渗氮表面“白亮层”的同时，对表面进行打磨抛光处理，使得模具表面呈镜面状态，粗糙度Ra≯0.40μm；
（3）、将经过打磨抛光处理的模具放入超声波清洗设备中，利用无水乙醇和丙酮的混合溶液对模具进行表面清洗，其中无水乙醇和丙酮的混合体积比为1：1，保证模具表面无油、无锈、无杂质，然后将经过清洗的模具取出，利用吹风机将模具表面残余的溶液吹干；
（4）、将单质Ti靶10、单质Al靶13以及单质Cr靶11安装到的多弧离子镀与磁控溅射复合型镀膜设备中的真空镀膜室4，同时将步骤（3）处理后的模具作为待镀膜模具悬挂于真空镀膜室4内，关闭炉门，其中三种单质靶材的纯度均为99.9%；
（5）、将真空镀膜室4内采用机械泵和分子泵抽真空到10-4Pa，开始加热。采用热电偶测温，升温到200℃后，向真空镀膜室4内通入高纯度氩气（Ar），使炉内气压保持在0.2Pa，氩气纯度为99.999%。然后在待镀膜模具12上加-900V电压，利用电离产生的氩离子对模具表面进行撞击，完成对模具表面的二次清理，二次清理过程维持30min；
（6）、完成步骤（5）后，将待镀膜模具上的电压调整至-100V，开始正式镀膜。此时向真空镀膜室4通入高纯度氩气（Ar）和高纯度氮气（N2），气流量为75L/min，通入的氮气和氩气体积比为1：1，保持真空镀膜室4内压力为0.2Pa，温度为150℃；
（7）、完成步骤（6）后，接通单质Ti靶电源，靶材电流设为3A，在模具表面沉积生成TiN薄膜，控制沉积过程20min，TiN薄膜厚度0.2微米；
（8）、完成步骤（7）后，接通单质Ti靶、单质Al靶的电源，并控制单质Ti靶材电流为3A、单质Al靶材电流为3A，沉积时间2h，在上述TiN薄膜上重新沉积一层TiAlN薄膜，厚度为2.5微米；
（9）、完成步骤（8）后，接通单质Cr靶的电源并关闭单质Ti靶、单质Al靶的电源，控制Cr靶材电流为3A，沉积时间为0.5h，在所述TiAlN薄膜上重新沉积一层CrN薄膜，厚度为0.8微米；
（10）、待步骤（9）完成后，关闭Cr靶电源及高纯度氩气及氮气阀门，通入普通纯度氮气，等待炉内温度下降；
（11）当真空镀膜室4内温度降到室温后，关闭所有电源，并在真空镀膜室4内压力与大气压力相同时，关闭普通氮气阀门，打开炉门，用夹子取出模具；
（12）、将模具放置于通风处，待模具降至室温后，在模具表面均匀的刷一层机油。
实施例3
对适用于普通铝合金型材的挤压模具的表面进行再制造强化处理，包括以下步骤：
（1）、将待处理模具表面进行气体渗氮处理，渗氮介质为NH3，氮化温度530℃，保温时间12h，等模具温度降至室温后，将模具取出；
（2）、将渗氮处理后的模具利用手持式抛光砂轮机进行表面抛光处理，去除模具渗氮表面“白亮层”的同时，对表面进行打磨抛光处理，使得模具表面呈镜面状态，粗糙度Ra≯0.40μm；
（3）、将经过打磨抛光处理的模具放入超声波清洗设备中，利用无水乙醇和丙酮的混合溶液对模具进行表面清洗，其中无水乙醇和丙酮的混合体积比为1.2：1，保证模具表面无油、无锈、无杂质，然后将经过清洗的模具取出，利用吹风机将模具表面残余的溶液吹干；
（4）、将单质Ti靶10、单质Al靶13以及单质Cr靶11安装到型号为AS600DMTX的多弧离子镀与磁控溅射复合型镀膜设备中的真空镀膜室4，同时将步骤（3）处理后的模具作为待镀膜模具悬挂于真空镀膜室4内，关闭炉门，其中三种单质靶材的纯度均为99.9%；
（5）、将真空镀膜室4内采用机械泵和分子泵抽真空到10-4Pa，开始加热。采用热电偶测温，升温到200℃后，向真空镀膜室4内通入高纯度氩气（Ar），使炉内气压保持在0.4Pa，氩气纯度为99.999%。然后在待镀膜模具12上加-1000V电压，利用电离产生的氩离子对模具表面进行撞击，完成对模具表面的二次清理，二次清理过程维持40min；
（6）、完成步骤（5）后，将待镀膜模具上的电压调整至-100V，开始正式镀膜。此时向真空镀膜室4通入高纯度氩气（Ar）和高纯度氮气（N2），气流量为78L/min，通入的氮气和氩气体积比为3：1，保持真空镀膜室4内压力为0.4Pa，温度为185℃；
（7）、完成步骤（6）后，接通单质Ti靶电源，靶材电流设为4A，在模具表面沉积生成TiN薄膜，控制沉积过程30min，TiN薄膜厚度0.3微米；
（8）、完成步骤（7）后，接通单质Ti靶、单质Al靶的电源，并控制单质Ti靶材电流为4A、单质Al靶材电流为5A，沉积时间2.5h，在上述TiN薄膜上重新沉积一层TiAlN薄膜，厚度为3微米；
（9）、完成步骤（8）后，接通单质Cr靶的电源并关闭单质Ti靶、及单质Al靶的电源，控制Cr靶材电流为4A，沉积时间为0.8h，在所述TiAlN薄膜上重新沉积一层CrN薄膜，厚度为0.9微米；
（10）、待步骤（9）完成后，关闭Cr靶电源及高纯度氩气及氮气阀门，通入普通纯度氮气，等待炉内温度下降；
（11）当真空镀膜室4内温度降到室温后，关闭所有电源，并在真空镀膜室4内压力与大气压力相同时，关闭普通氮气阀门，打开炉门，用夹子取出模具；
（12）、将模具放置于通风处，待模具降至室温后，在模具表面均匀的刷一层机油。
本发明所述各实施例强化处理后的挤压模具与现有常规调质工艺技术和常规渗氮工艺技术处理后的挤压模具相比，具有表面光洁、硬度高、耐磨损、薄膜层结合强度高、高温抗氧化性强等独特优势，下面作为对比给出基于现有两种工艺的对比例。
对比例1
采用常规调质工艺对挤压模具进行表面强化处理，包括以下步骤：
（1）将淬火处理炉加热到1020℃，升温速度为400℃/h；
（2）待炉内温度稳定在1020℃时，关闭电源，打开炉门，将加工好的挤压模具放入处理炉内，关闭炉门，接通电源；
（3）待炉内温度重新稳定在1020℃时，开始计时，保温20min；
（4）保温20min后，关闭电源，打开炉门，迅速将模具用夹子取出，放置于通风处，等模具自然降温到室温；
（5）将回火炉加热到580℃，升温速度为400℃/h；
（6）待炉内温度稳定在580℃时，关闭电源，打开炉门，将降到室温的模具放进回火炉内，关闭炉门，接通电源；
（7）待炉内温度重新稳定在580℃时，开始计时，保温时间5h；
（8）保温5h后，关闭电源，模具随炉冷却到室温；
（9）待模具冷却到室温时，取出模具，重新将回火炉加热到560℃，升温速度为400℃/h；
（10）待炉内温度稳定在560℃时，关闭电源，打开炉门，将降到室温的模具放进回火炉内，关闭炉门，接通电源，进行二次回火；
（11）待炉内温度重新稳定在560℃时，开始计时，保温时间5h；
（12）保温5h后，关闭电源，模具随炉冷却到室温；
（13）待模具降到室温后，取出模具，备用。
对比例2
采用常规渗氮工艺对挤压模具进行表面强化处理，包括以下步骤：
（1）将经过调整处理的挤压模具进行超声波清洗；
（2）将渗氮炉升温到550℃，升温速度400℃/h；
（3）待炉内温度稳定后，关闭电源，打开炉门，将模具放于炉内，关闭炉门，接通电源；
（4）待炉内温度再次稳定在550℃时，通入氨气，炉内气压及温度稳定后开始计时，渗氮时间12h；
（5）渗氮12h后，关闭电炉电源，继续通氨气，直到模具降温到室温；
（6）待模具降温到室温后，关闭氨气通道，打开炉门，取出模具，待用。
对经本发明各实施例处理后的挤压模具表面性能和上述对比例1和2处理后的挤压模具表面性能进行综合测试比较，如表1所示。
表1挤压模具表面强化处理性能检验结果
可见通过本发明所述表面强化方法处理后的挤压模具表面的显微硬度（HV）达到3000以上，摩擦系数处于0.3以下，抗高温氧化温度达到400℃以上，磨损量(mm3•mm-1)达到10-8量级，过载吨位数可达到6T以上，并且镀膜层与基体之间具有较强的结合力，这些性能远优于对比例1和2所述现有工艺处理后的挤压模具表面性能。因此本发明所述的表面强化处理方法与现有调质和渗氮技术综合相比具有显著的技术优势，如表2所示。
表2 本发明所述方法与现有两种工艺的综合对比
综上本发明所述挤压模具表面强化方法能够显著地提高挤压模具表面的硬度，增强挤压模具的耐磨性，并大大延长挤压模具的使用寿命，整个处理过程温度可低至200℃以下，对模具本身性能的破坏更小，整体成本更低，能够在各类挤压模具以及各类表面处理领域进行推广使用，市场前景广阔。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，尽管本发明以铝及铝合金型材的挤压模具为例，但是本发明创新提出TiN打底结合TiAlN和CrN薄膜的表面强化处理方法，经试验验证，能够同时适合于其他型材的挤压模具表面的强化处理，而且也能够适用于非挤压模具的高强度工件的表面处理，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。
Claims (10)
1.一种挤压模具的表面强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将挤压模具进行表面气体渗氮处理，渗氮介质为氨气NH3，氮化温度控制在510～550℃，渗氮时间控制在10-12小时，渗氮处理后冷却至室温；
步骤二、将经步骤一处理后的挤压模具的工作带表面进行打磨抛光，并控制抛光后表面的粗糙度Ra≯0.40μm；
步骤三、将经步骤二处理后的挤压模具在超声波清洗槽中进行表面清洗，清洗后处理干净表面残留液；
步骤四、将经步骤三处理后的挤压模具悬挂于沉积镀膜设备中的真空镀膜室内，并在所述真空镀膜室内安装Ti靶（10）、Cr靶（11）和Al靶（13）；
步骤五、将步骤四中所述的真空镀膜室（4）抽真空到10-4Pa以下，并控制真空镀膜室（4）内温度处于180-200℃，然后向真空镀膜室（4）内通入高纯度氩气，并使真空镀膜室（4）内气压保持在0.2-0.5Pa，同时在挤压模具上施加-800V至-1100V之间的负向电压，利用氩气电离产生的氩离子对挤压模具表面进行30至50分钟的轰击清理；
步骤六、完成步骤五后，将施加在挤压模具上的负向电压调整至-90V至-110V之间，向所述真空镀膜室（4）内同时通入高纯度氩气和高纯度氮气，控制气体流量处于75-80L/min，且通入的氮气和氩气体积比为5-1：1，并保持真空镀膜室（4）内气压处于0.2-0.5Pa、温度处于150-200℃；
步骤七、完成步骤六后，接通所述Ti靶（10）的电源，并控制Ti靶电流为3-5A， Ti靶和氮气发生电离形成的Ti离子和N离子在挤压模具（12）表面沉积形成TiN薄膜，沉积时间为20-40分钟，所形成的TiN薄膜的厚度为0.2-0.4微米；
步骤八、完成步骤七后，同时接通所述Ti靶（10）、Al靶（13）的电源，并控制各靶电流为3-5A，Ti靶、Al靶和氮气发生电离形成的Ti离子、Al离子和N离子在所述TiN薄膜上沉积形成TiAlN薄膜，沉积时间2-3小时，所形成的TiAlN薄膜的厚度为2.5-3.5微米；
步骤九、完成步骤八后，接通所述Cr靶（11）的电源并同时关闭所述Ti靶（10）和Al靶（13）的电源，控制Cr靶电流为3-5A，Cr靶和氮气发生电离形成的Cr离子和N离子在所述TiAlN薄膜上沉积形成CrN薄膜，沉积时间为0.5-1小时，所形成的CrN薄膜的厚度为0.8-1微米；
步骤十、待步骤九完成后，关闭所述Cr靶（11）的电源，向所述真空镀膜室（4）通入普通纯度氮气以平衡外界大气压，并在真空镀膜室（4）内温度降到室温后关闭所有电源，打开真空镀膜室（4）炉门，将挤压模具取出冷却，完成对挤压模具的表面强化处理。
2.根据权利要求1所述的表面强化方法，其特征在于，其中步骤二中采用手持式抛光砂轮机进行表面打磨抛光处理，其中步骤三中采用无水乙醇和丙酮的混合溶液进行挤压模具表面清洗，无水乙醇与丙酮的混合体积比为1-1.5：1。
3.根据权利要求1所述的表面强化方法，其特征在于，其中步骤四中所述的Ti靶（10）为纯度达到99.9%的单质Ti靶，所述的Cr靶（11）为纯度达到99.9%的单质Cr靶（11），所述的Al靶（13）为纯度达到99.9%的单质Al靶（13）。
4.根据权利要求1所述的表面强化方法，其特征在于，其中步骤四中所述的沉积镀膜设备为多弧离子镀与磁控溅射复合型镀膜设备，包括高纯度氮气罐（1）、高纯度氩气罐（2）、普通纯度氮气罐（3）、所述真空镀膜室（4）、压力检测仪（5）、温度检测仪（6）、控制柜（7）、分子泵（8）和机械泵（9），所述高纯度氮气罐（1）、高纯度氩气罐（2）和普通纯度氮气罐（3）通过管路连通于所述真空镀膜室（4），用于向所述真空镀膜室（4）内提供氮气和氩气，所述压力检测仪（5）、温度检测仪（6）和控制柜（7）设置于所述真空镀膜室（4）上，所述压力检测仪（5）和温度检测仪（6）分别用于检测真空镀膜室（4）内的气压和温度，所述控制柜（7）用于控制真空镀膜室（4）内的温度，所述分子泵（8）和机械泵（9）连通于所述真空镀膜室（4），用于对所述真空镀膜室（4）进行抽真空，所述Ti靶（10）、Cr靶（11）和Al靶（13）在真空镀膜室（4）内围绕所述挤压模具布置。
5.根据权利要求4所述的表面强化方法，其特征在于，其中所述高纯度氮气罐（1）向真空镀膜室（4）提供纯度为99.999%的高纯度氮气，所述高纯度氩气罐（2）向真空镀膜室（4）提供纯度为99.999%的高纯度氩气，所述普通纯度氮气罐（3）向真空镀膜室（4）提供纯度为99%的普通纯度氮气。
6.根据权利要求1所述的表面强化方法，其特征在于，其中所述步骤五中，所述真空镀膜室（4）内的温度为200℃，所述挤压模具上施加的负向电压为-900V；所述步骤六中挤压模具上施加的负向电压为-100V。
7.根据权利要求1所述的表面强化方法，其特征在于，其中所述步骤八中，通过所述Ti靶、Al靶的电流控制TiAlN薄膜中Ti、Al的含量，所述Ti靶、Al靶的电流均为5A，或者所述Ti靶的电流为4A、所述Al靶的电流为5A，或者所述Ti靶的电流为3A、所述Al靶的电流为3A。
8.根据权利要求1所述的表面强化方法，其特征在于，其中所述步骤十中，当挤压模具表面温度降到室温后，在模具表面涂上一层均匀的机油。
9.根据权利要求1-8任一项所述的表面强化方法，其特征在于，通过所述表面强化方法处理后的挤压模具表面的显微硬度HV达到3000以上、摩擦系数处于0.3以下、抗高温氧化温度达到400℃以上、以单位mm3•mm-1计的磨损量降底到10-8量级。
10.根据权利要求1-8任一项所述的表面强化方法，其特征在于，所述挤压模具为适用于铝及铝合金型材的H13热作模具钢制的挤压模具。
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