CN105080988B - 一种基于pcvd处理的铝合金空心管挤出模具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PCVD处理的铝合金空心管挤出模具，包括基体及经PCVD处理镀在基体预定位置的镀膜，镀膜为依次覆着的2～5层，每层的镀膜材料为各自独立的氮化钛、碳化钛、碳氮化钛、氧化铝、氮化硅钛中的一种。本发明的铝合金空心管挤出模具的使用寿命是经传统渗氮表面处理的铝合金空心管挤出模具的1～10倍，大大延长了挤出模具的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及等离子表面改性领域，尤其涉及一种基于PCVD处理的铝合金空心管挤出模具。
背景技术
微通道多孔管，特别是铝合金空心管是热交换器的主要零部件，是替代原有铜管的最佳产品，其散热效果好，成本低，产量高，广泛应用于汽车空调、家用空调、中央空调、冰箱换热器等。
微通道多孔管挤出模具是铝合金空心管成型的关键工艺装备。铝合金挤出模具是一种工作状态非常恶劣的模具，其主要表现为三个方面：(1)工作环境温度较高(450℃～500℃)并且长时间处于高温状态，普通的热作模具刚H13无法承受长时间的高温，长时间的高温会降低模具的硬度(HRC)；(2)工作压力大，一般卧式挤压模具在工作的状态下要达到170kg的压力，长时间工作会使模具变形，影响产品的形状、尺寸；(3)微通道多孔管模具上模的芯子非常细小，不能用硬质合金代替，否则容易断裂，而用热作模具钢H13又不耐磨，容易导致芯子磨损，造成产品孔径变小。
表面改性技术可以改善模具的服役性能。
其中，等离子体渗氮是较早用于改善挤压模具摩擦磨损性能的表面技术，但该处理方法改性的表面抗磨损系数低，并不能大幅度提高挤压模具的寿命。
离子镀膜在摩擦学领域的应用给表面强化技术带来了一场革命，它通过在金属表面复合一层陶瓷薄膜使其耐磨性和耐蚀性等发生根本改变。目前常用的离子镀膜方法为物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)。多孔管模具的形状十分复杂，PVD涂层技术很难渗透到复杂的芯子里面进行沉积，而且PVD涂层的厚度不能达到要求，PVD涂层的厚度一般只有2～3μm，不能真正达到耐磨的效果。CVD涂层技术最大的缺点是涂层工作时的温度较高，一般都在1050℃左右，而热作模具钢H13在1050℃已经是淬火温度，所以采用先涂层后热处理的方法进行，但是模具在精加工完成后在热处理的过程中容易产生变形，导致产品报废。
等离子气相沉积(PCVD)是离子镀膜的一种新技术。PCVD所使用的等离子体是由低压辉光放电所产生，这些等离子体的内能很大，该能量将会轻松的使沉淀物质粒子激发或者电离，从而代替了传统方法的外加热源。同时，当沉积过程至于等离子场中时，许多新的、复杂的反应渠道被打开，如电子参加的反应、离子参加的反应以及其他激发类物质参加的反应，甚至等离子体内部也存在交互作用，从而大大加快了PCVD反应的速率。此外，等离子体产生的辐射和电子、离子、光子等对衬底表面的激发作用(轰击、辐照)作用，同样也能促使化学反应的继续进行。同时，其能量也被生长中的薄膜吸收，改善薄膜的结构和性能。
PCVD技术在低温下不仅有较大的沉积速率，而且生成的镀层结构较为稳定，其镀层密度大，应力大。
目前，应用PCVD技术处理的高温耐磨镀层主要为单一的镀层。PCVD硬质膜多为陶瓷材料，其厚度通常只有几微米，而基体一般是金属或合金，二者的硬度、弹性模量及热膨胀系数相差较远，加之晶格类型也不尽相同，这样会使PCVD硬质膜中缺陷增多，残留应力增加，硬度和结合力下降。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于PCVD处理的铝合金空心管挤出模具，该挤出模具表面覆盖若干镀层，提高膜基体系的综合性能，如硬度、断裂韧度及界面结合力等，寿命大大提高。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于PCVD处理的铝合金空心管挤出模具，包括基体及经PCVD处理镀在基体预定位置的镀膜，镀膜为依次覆着的2～5层，每层的镀膜材料为各自独立的氮化钛(TiN)、碳化钛(TiC)、碳氮化钛(TiCN)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅钛(TiSiN)中的一种。
在挤出模具表面覆盖多层PCVD镀膜，提高膜基体系的硬度、断裂韧度及界面结合力，防止镀膜在压应力的作用下断裂或剥落，延长挤出模具的使用寿命。
作为优选，镀膜为依次覆着的4层，每层的镀膜材料为各自独立的氮化钛、碳化钛、碳氮化钛、氧化铝、氮化硅钛中的一种。
作为优选，镀膜为依次覆着的4层，由内至外依次为第一层、第二层、第三层、第四层，第一层的镀膜材料为氮化钛，第二层、第三层、第四层的镀膜材料为各自独立的碳化钛、碳氮化钛、氧化铝、氮化硅钛中的一种。最靠近基体的镀膜为第一层，向外依次为第二层、第三层、第四层。
作为优选，第一层的镀膜材料为氮化钛，第四层的镀膜材料为碳化钛、氧化铝、碳氮化钛中的一种，第二层、第三层的镀膜材料为各自独立的氮化硅钛、碳氮化钛、氧化铝中的一种。
氮化钛镀膜硬度不高但结合力强度较大，适合镀设在基体表面，增强镀层与基体之间的结合强度；而碳化钛镀膜硬度虽高，但其与基体的结合力较弱，不适于镀设在基体表面；氮化硅铝镀膜是多元复合膜层，其既具有接近碳化钛的高硬度耐磨性，又具有与氮化钛膜层相当的结合强度，大大改善了膜层的性能。
作为优选，第一层的镀膜材料为氮化钛，第二层的镀膜材料为氮化硅钛，第四层的镀膜材料为碳化钛，第三层的镀膜材料为碳氮化钛或氧化铝。
作为优选，第一层的镀膜材料为氮化钛，第二层的镀膜材料为氮化硅钛，第三层的镀膜材料为碳氮化钛，第四层的镀膜材料为碳化钛。
作为优选，所述镀膜所有层总厚度为5～20μm。进一步优选的，所述镀膜所有层总厚度为8～10μm。
作为优选，由内而外各层的厚度比为：0.1～0.3∶1∶0.1～0.5∶0.1～0.7。进一步优选的，由内而外各层的厚度比为：0.1∶1∶0.2∶0.3。
一种优选的技术方案为：
一种基于PCVD处理的铝合金空心管挤出模具，包括基体及经PCVD处理镀在基体预定位置的镀膜，镀膜为依次覆着的4层，每层的镀膜材料为各自独立的氮化钛、碳化钛、碳氮化钛、氧化铝、氮化硅钛中的一种；由内而外各层的厚度比为：0.1～0.3∶1∶0.1～0.5∶0.1～0.7。
作为优选，镀膜为依次覆着的4层，每层的镀膜材料为各自独立的氮化钛、碳化钛、碳氮化钛、氧化铝、氮化硅钛中的一种；由内而外各层的厚度比为：0.1∶1∶0.2∶0.3。
作为优选，镀膜为依次覆着的4层，由内至外依次为第一层、第二层、第三层、第四层，第一层的镀膜材料为氮化钛，第二层、第三层、第四层的镀膜材料为各自独立的碳化钛、碳氮化钛、氧化铝、氮化硅钛中的一种；由内而外各层的厚度比为：0.1∶1∶0.2∶0.3。
作为优选，第一层的镀膜材料为氮化钛，第四层的镀膜材料为碳化钛、氧化铝、碳氮化钛中的一种，第二层、第三层的镀膜材料为各自独立的氮化硅钛、碳氮化钛、氧化铝中的一种；由内而外各层的厚度比为：0.1∶1∶0.2∶0.3。
作为优选，第一层的镀膜材料为氮化钛，第二层的镀膜材料为氮化硅钛，第四层的镀膜材料为碳化钛，第三层的镀膜材料为碳氮化钛或氧化铝；由内而外各层的厚度比为：0.1∶1∶0.2∶0.3。
作为优选，第一层的镀膜材料为氮化钛，第二层的镀膜材料为氮化硅钛，第三层的镀膜材料为碳氮化钛，第四层的镀膜材料为碳化钛；由内而外各层的厚度比为：0.1∶1∶0.2∶0.3。
最优选的，第一层的镀膜材料为氮化钛，第二层的镀膜材料为氮化硅钛，第三层的镀膜材料为碳氮化钛，第四层的镀膜材料为碳化钛；由内而外各层的厚度比为：0.1∶1∶0.2∶0.3；所述镀膜所有层总厚度为8～10μm。
作为优选，所述基体的材料为热作模具刚H13，其硬度为HRC52～54。
作为优选，所述镀膜的硬度为Hv2000～3000。
上述铝合金空心管挤出模具的PCVD处理方法，包括：将铝合金空心管挤出模具经热处理后在预定位置通过PCVD进行镀膜。
作为优选，镀膜温度为500～600℃，镀膜时间为8～10小时。
作为优选，所述热处理为依次进行的淬火和回火，淬火温度为900～1200℃，回火温度为400～600℃。进一步优选的，淬火温度为1120℃，回火温度为550℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
在挤出模具表面覆盖多层PCVD镀膜，缩小镀膜与基体二者之间的硬度、弹性模量及热膨胀系数的差异，减小镀膜中的缺陷，提高膜基体系的硬度、断裂韧度及界面结合力，防止镀膜在压应力的作用下断裂或剥落，延长挤出模具的使用寿命。经传统渗氮表面处理的铝合金空心管挤出模具可生产空心管1～2吨，经经本发明的表面处理方法处理后的铝合金空心管挤出模具可生产空心管8～10吨，经本发明的表面处理方法处理后的铝合金空心管挤出模具的使用寿命是经传统渗氮表面处理的铝合金空心管挤出模具的4～10倍，大大延长了挤出模具的使用寿命。
具体实施方式
氮化钛(TiN)镀膜的工艺条件：脉冲电压700V，占空比1∶1，脉冲频率17KHz，温度520℃，气压200Pa，N2180ml/min，H2800～1000ml/min，Ar 70ml/min，TiCl4(载气H2)20～40ml/min；
碳化钛(TiC)镀膜的工艺条件：脉冲电压700V，占空比1∶1，脉冲频率17KHz，温度520℃，气压200Pa，CH4180ml/min，H2800～1000ml/min，Ar 70ml/min，TiCl4(载气H2)20～40ml/min；
碳氮化钛(TiCN)镀膜的工艺条件：脉冲电压700V，占空比1∶1，脉冲频率17KHz，温度520℃，气压200Pa，N230ml/min，CH4120ml/min，H2800～1000ml/min，Ar 70ml/min，TiCl4(载气H2)20～40ml/min；
氮化硅钛(TiSiN)镀膜的工艺条件：脉冲电压700V，占空比1∶1，脉冲频率17KHz，温度520℃，气压200Pa，N2180ml/min，H2800～1000ml/min，Ar 70ml/min，TiCl4、SiCl4(载气H2)20～40ml/min。
镀膜的厚度可根据需要实时监测控制。
实施例1
采用下列步骤对热作模具钢H13材料制成的铝合金空心管挤出模具进行表面处理：
(1)对挤出模具进行热处理：淬火温度为1120℃，回火温度为550℃(HRC＝52～54)，然后进行除油、剖光、脱水；
(2)采用PCVD依次进行TiN、TiC、TiCN、TiSiN镀膜，各层镀膜的厚度分别为0.5μm、5μm、1μm、1.5μm。
经上述表面处理的挤出模具，在其正常使用周期内，可生产铝合金空心管6吨，镀膜的硬度为Hv2900。
实施例2
采用下列步骤对热作模具钢H13材料制成的铝合金空心管挤出模具进行表面处理：
(1)对挤出模具进行热处理：淬火温度为1120℃，回火温度为550℃(HRC＝52～54)，然后进行除油、剖光、脱水；
(2)采用PCVD依次进行TiC、TiN、TiCN、TiSiN镀膜，各层镀膜的厚度分别为0.5μm、5μm、1μm、1.5μm。
经上述表面处理的挤出模具，在其正常使用周期内，可生产铝合金空心管5.3吨，镀膜的硬度为Hv2900。
实施例3
采用下列步骤对热作模具钢H13材料制成的铝合金空心管挤出模具进行表面处理：
(1)对挤出模具进行热处理：淬火温度为1120℃，回火温度为550℃(HRC＝52～54)，然后进行除油、剖光、脱水；
(2)采用PCVD依次进行TiN、Al2O3、TiCN、TiSiN镀膜，各层镀膜的厚度分别为0.5μm、5μm、1μm、1.5μm。
经上述表面处理的挤出模具，在其正常使用周期内，可生产铝合金空心管5.1吨，镀膜的硬度为Hv2800。
实施例4
采用下列步骤对热作模具钢H13材料制成的铝合金空心管挤出模具进行表面处理：
(1)对挤出模具进行热处理：淬火温度为1120℃，回火温度为550℃(HRC＝52～54)，然后进行除油、剖光、脱水；
(2)采用PCVD依次进行TiN、Al2O3、TiCN、TiC镀膜，各层镀膜的厚度分别为0.5μm、5μm、1μm、1.5μm。
经上述表面处理的挤出模具，在其正常使用周期内，可生产铝合金空心管6.6吨，镀膜的硬度为Hv2800。
实施例5
采用下列步骤对热作模具钢H13材料制成的铝合金空心管挤出模具进行表面处理：
(1)对挤出模具进行热处理：淬火温度为1120℃，回火温度为550℃(HRC＝52～54)，然后进行除油、剖光、脱水；
(2)采用PCVD依次进行TiN、TiCN、TiSiN、TiC镀膜，各层镀膜的厚度分别为0.5μm、5μm、1μm、1.5μm。
经上述表面处理的挤出模具，在其正常使用周期内，可生产铝合金空心管9.3吨，镀膜的硬度为Hv3000。
实施例6
采用下列步骤对热作模具钢H13材料制成的铝合金空心管挤出模具进行表面处理：
(1)对挤出模具进行热处理：淬火温度为1120℃，回火温度为550℃(HRC＝52～54)，然后进行除油、剖光、脱水；
(2)采用PCVD依次进行TiN、TiCN、TiSiN、TiC镀膜，各层镀膜的厚度分别为0.5μm、5μm、1μm、1.5μm。
经上述表面处理的挤出模具，在其正常使用周期内，可生产铝合金空心管9.5吨，镀膜的硬度为Hv3000。
实施例7
采用下列步骤对热作模具钢H13材料制成的铝合金空心管挤出模具进行表面处理：
(1)对挤出模具进行热处理：淬火温度为1120℃，回火温度为550℃(HRC＝52～54)，然后进行除油、剖光、脱水；
(2)采用PCVD依次进行TiN、TiCN、TiSiN、TiC镀膜，各层镀膜的厚度分别为0.6μm、6μm、1.2μm、1.8μm。
经上述表面处理的挤出模具，在其正常使用周期内，可生产铝合金空心管9.8吨，镀膜的硬度为Hv3000。
实施例8
采用下列步骤对热作模具钢H13材料制成的铝合金空心管挤出模具进行表面处理：
(1)对挤出模具进行热处理：淬火温度为1120℃，回火温度为550℃(HRC＝52～54)，然后进行除油、剖光、脱水；
(2)采用PCVD依次进行TiN、TiCN、TiSiN、TiC镀膜，各层镀膜的厚度分别为1μm、10μm、2μm、3μm。
经上述表面处理的挤出模具，在其正常使用周期内，可生产铝合金空心管8吨，镀膜的硬度为Hv3000。
对比例1
采用下列步骤对热作模具钢H13材料制成的铝合金空心管挤出模具进行表面处理：
(1)对挤出模具进行热处理：淬火温度为1120℃，回火温度为550℃(HRC＝52～54)，然后进行除油、剖光、脱水；
(2)采用PCVD依次进行TiN、TiC镀膜，各层镀膜的厚度分别为3μm、5μm。
经上述表面处理的挤出模具，在其正常使用周期内，可生产铝合金空心管4吨，镀膜的硬度为Hv3000。
对比例2
采用下列步骤对热作模具钢H13材料制成的铝合金空心管挤出模具进行表面处理：
(1)对挤出模具进行热处理：淬火温度为1120℃，回火温度为550℃(HRC＝52～54)，然后进行除油、剖光、脱水；
(2)采用PCVD依次进行TiN镀膜，镀膜的厚度为8μm。
经上述表面处理的挤出模具，在其正常使用周期内，可生产铝合金空心管3.5吨，镀膜的硬度为Hv2300。
Claims (4)
1.一种基于PCVD处理的铝合金空心管挤出模具，其特征在于，包括基体及经PCVD处理镀在基体预定位置的镀膜，镀膜为依次覆着的4层，由内至外依次为第一层、第二层、第三层、第四层，第一层的镀膜材料为氮化钛，第四层的镀膜材料为碳化钛、氧化铝、碳氮化钛中的一种，第二层、第三层的镀膜材料为各自独立的氮化硅钛、碳氮化钛、氧化铝中的一种；
所述镀膜所有层总厚度为8～10μm；由内而外各层的厚度比为：0.1～0.3:1:0.1～0.5:0.1～0.7；
PCVD处理方法，包括：将铝合金空心管挤出模具经热处理后在预定位置通过PCVD进行镀膜；
所述热处理为依次进行的淬火和回火，淬火温度为900～1200℃，回火温度为400～600℃；
镀膜温度为500～600℃，镀膜时间为8～10小时。
2.根据权利要求1所述的基于PCVD处理的铝合金空心管挤出模具，其特征在于，由内而外各层的厚度比为：0.1:1:0.2:0.3。
3.根据权利要求1所述的基于PCVD处理的铝合金空心管挤出模具，其特征在于，所述镀膜的硬度为Hv2000～3000。
4.根据权利要求1所述的基于PCVD处理的铝合金空心管挤出模具，其特征在于，所述基体的材料为热作模具钢H13，其硬度为HRC52～54。
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