CN105838852A - 铝合金压铸模具的表面氧化处理方法 - Google Patents

铝合金压铸模具的表面氧化处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了铝合金压铸模具的表面氧化处理方法，步骤如下：首先将模具钢进行真空淬火、三次回火处理，使其硬度在42‑54HRC之间；然后将模具钢表面进行清洗；再将模具钢装入离子氮化炉中进行氧化处理，其工艺参数如下：升温过程气体为Ar；升温过程Ar流量为200‑500ml/min；氧化温度520‑540℃；保温时间2‑4h；氧化气体为空气；空气流量为300‑600ml/min；电压650‑850V；炉压300‑500Pa。本发明将Ar应用到热作模具钢离子氧化升温过程，通过控制铝合金压铸模具钢氧化过程中空气流量、炉压，使模具钢表面获得均匀致密的氧化膜，从而提高铝挤压模具的热熔损性、抗粘着性等表面质量。

Description

铝合金压铸模具的表面氧化处理方法
技术领域
本发明涉及铝合金压铸模具的一种表面氧化处理方法，特别是涉及一种热作模具钢材料表面致密化处理方法，应用于金属表面热处理技术领域。
背景技术
随着社会的迅猛发展，现代工业的生产规模在不断扩大，对模具的需求量越来越来多，质量的要求也愈来愈高。
铝合金压铸模具在服役过程中反复地与高温状态的合金接触，在周期性的交变热应力作用下，模具材料尤其是表层的组织性能逐步发生演变，最终导致失效。热熔损是铝合金压铸模具很重要的原因。为了改善模具的使用性能，提高模具的寿命，引入了表面处理技术。
表面处理技术是主要是通过施加各种覆盖或者采用机械、物理、化学等方法来改变材料表面形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态，从而提高材料抵御环境作用的能力。与渗氮、渗硼等表面处理工艺相比，表面氧化处理对铝合金压铸模具热循环过程中的应力变化的影响较小，并且氧化工艺经济有效，对模具表面进行氧化时，模具尺寸限制较小，可以显著提高铝合金压铸模具的抗铝热熔损性能。前人工作多是在氧化性气氛下直接对材料进行氧化，使其表面生成一层具有保护作用的Fe3O4薄膜，该氧化过程贯穿于从升温到保温的所有阶段，氧化过程具有不可控性。
揭晓华等人运用静态等温氧化法研究了5CrNiMo压铸模具钢在440℃~680℃范围内的高温氧化特性，研究发现5CrNiMo压铸模具钢在460℃以下加热时，氧化速率较低；而在590℃以上加热时，由于出现FeO而使氧化速率剧增，并且有氧化膜开裂现象，但没有对氧气浓度对5CrNiMo压铸模具钢氧化膜的影响进行研究。闵永安等人运用蒸汽氧化处理的方法提高了H13压铸模具钢的动态抗热熔损性能，但几乎没有提高其静态抗热熔损性能。对于将低压（半真空）氧化应用于铝合金压铸模具上的研究还很少。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种铝合金压铸模具的表面氧化处理方法，创新氧化方式和工艺方法，将其应用到铝合金压铸模具上后，使模具表面获得致密的氧化膜，明显提高了铝压铸模具的抗铝热熔损、抗粘着性等表面质量。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种铝合金压铸模具的表面氧化处理方法，包括如下步骤：
a. 首先将铝合金压铸模具钢经过淬火、三次回火热处理，使经过热处理的铝合金压铸模具钢的硬度调整到42-54HRC的范围内；优选铝合金压铸模具钢为4Cr5Mo2V铝合金压铸模具钢（Dievar钢）、5CrNiMo、H13钢、5Mn15钢、4Cr3Mo3SiV钢、HD钢、Y10钢、MH3钢、3Cr2W8V钢或4Cr5Mo2SiV钢。
b. 将经过所述步骤a热处理的铝合金压铸模具钢表面进行清洗，用酒精去除铝合金压铸模具钢表面的灰尘、油污和其他污染物，得到具有洁净表面的铝合金压铸模具钢。
c. 将经过所述步骤b洁净处理的铝合金压铸模具钢装入离子氮化炉中进行氧化处理，制备具有均匀致密氧化膜的铝合金压铸模具钢，氧化处理的工艺参数如下：在离子氮化炉升温过程中炉内气体为惰性气体；升温过程控制惰性气体流量为200-500ml/min；氧化处理温度为520-540℃；氧化处理保温时间2-4h；氧化气体采用空气；控制空气流量为300-600ml/min；离子氮化炉的供电电压为650-850V；离子氮化炉的炉内气压为300-500Pa。在离子氮化炉升温过程中炉内气体优选采用Ar，使用Ar升温的热作模具钢表面氧化膜与现有技术直接用空气升温的热作模具钢相比，前者本发明制备的氧化膜更为均匀致密。作为本发明优选的技术方案，将经过所述步骤b洁净处理的铝合金压铸模具钢装入离子氮化炉中进行氧化处理，具体步骤为：首先将离子氮化炉抽真空至20Pa以下，然后以200-500ml/min的速率向离子氮化炉中通入惰性气体，使离子氮化炉内形成非氧化性的惰性气体保护气氛，离子氮化炉的升温过程经历打弧阶段，该阶段使铝合金压铸模具钢表面进一步净化；在离子氮化炉的升温过程中，使离子氮化炉的炉内气压维持在300-500Pa，当温度升至520-540℃时，使离子氮化炉内保持均温0.5-1h，使铝合金压铸模具钢的温度均匀后，即开始对铝合金压铸模具钢表面进行氧化处理，在铝合金压铸模具钢表面氧化处理过程中，首先将对离子氮化炉的惰性气体供应关闭，然后再以300-600ml/min速率向离子氮化炉中通入空气，对铝合金压铸模具钢表面进行氧化处理，氧化处理时间为2-4h；当氧化处理完成后，停止向离子氮化炉内通入空气，再将离子氮化炉内的气体抽出，直到将离子氮化炉内的压力降至20Pa以下，保证炉体内不能含有氧化性气氛，然后对离子氮化炉进行冷却至室温，然后向离子氮化炉内通入干燥的空气至通常大气压，再打开离子氮化炉的炉门，取出氧化处理后铝合金压铸模具钢，即得到具有均匀致密氧化膜的铝合金压铸模具钢。
作为上述方案的进一步优选的技术方案，本发明方法优选用于对铝合金压铸模具钢表面的局部进行氧化处理。
本发明将离子氮化炉应用于铝合金压铸模具氧化处理技术上，使用离子氮化炉运用打弧的方法清洁模具表面，实现了升温阶段不出现氧化的过程，氧化气体流量可控，模具温度均匀，保证了同一块模具的不同部位以及同一批模具不同模块同时氧化；并且可以实现局部氧化，提高氧化质量。
与常规氧化处理方法相比，本方法氧化可控性强，对模具尺寸改变很小，氧化处理后的铝合金压铸模具表面存在均匀致密的氧化膜，明显提高了铝合金压铸模具的抗铝热熔损性、抗粘着性等性能。
附图说明
图1为本发明实施例一Dievar钢真空氧化处理表面SEM形貌图。
图2为本发明实施例一Dievar钢真空氧化处理氧化层的XRD图。
图3为本发明实施例一Dievar钢真空氧化处理表层断面组织SEM形貌图。
具体实施方式
所有实施例中采用Dievar钢进行试验，下面结合实施例对本发明进行详细说明：
实施例 1
本发明的优选实施例详述如下：
在本实施例中，铝合金压铸模具钢采取Dievar钢进行表面氧化处理试验，参见图1和图2，一种铝合金压铸模具的表面氧化处理方法，包括如下步骤：
a. 对Dievar钢进行热处理，具体工艺为：首先Dievar钢在1030℃条件下进行淬火，然后淬火后的Dievar钢通过560℃、610℃、610℃三次回火热处理后，使经过热处理的Dievar钢的硬度调整到42～54HRC的范围内；
b. 将经过所述步骤a热处理的Dievar钢表面进行清洗，用酒精去除Dievar钢表面的灰尘、油污和其他污染物，得到具有洁净表面的Dievar钢；
c. 将经过所述步骤b洁净处理的Dievar钢装入辉光离子氮化炉中进行氧化处理，使同一块Dievar钢的不同部位以及同一批Dievar钢的不同模块同时被氧化，制备具有均匀致密氧化膜的Dievar钢，具体步骤为：首先将Dievar钢放置在离子氮化炉的热电偶上，将离子氮化炉抽真空至20Pa以下，然后以200-500ml/min的速率向离子氮化炉中通入Ar，使离子氮化炉内形成非氧化性的Ar保护气氛，离子氮化炉的升温过程经历打弧阶段，该阶段使Dievar钢表面进一步净化；在离子氮化炉的升温过程中，使离子氮化炉的炉内气压维持在400-500Pa，当温度升至530℃时，使离子氮化炉内保持均温0.5-1h，使Dievar钢的温度均匀后，即开始对Dievar钢表面进行氧化处理，在Dievar钢表面氧化处理过程中，首先将对离子氮化炉的Ar供应关闭，然后再以400-500ml/min速率向离子氮化炉中通入空气，对Dievar钢表面进行氧化处理，氧化处理时间为2h；当氧化处理完成后，停止向离子氮化炉内通入空气，再将离子氮化炉内的气体抽出，直到将离子氮化炉内的压力降至20Pa以下，保证炉体内不能含有氧化性气氛，结束氧化过程，然后打开炉体冷却水对离子氮化炉进行冷却至室温，然后向离子氮化炉内通入干燥的空气至通常大气压，再打开离子氮化炉的炉门，取出氧化处理后Dievar钢，即得到具有均匀致密氧化膜的Dievar钢。
实验测试分析：
对本实施例制备的具有均匀致密氧化膜的Dievar钢试样的氧化膜表面和氧化膜断面进行SEM微观形貌观察和XRD检测。通过SEM图可以发现，采用本实施例氧化处理后试样表面产生致密均匀的氧化膜，见图1和图3。通过对氧化试样进行XRD物相分析可以看出，在530℃对Dievar钢进行氧化实验，试样表面含有大量的Fe3O4相，而Fe2O3相的含量很少，这充分说明了本发明方法的有效性和优越性，见图2。
实施例一将Ar应用到热作模具钢离子氧化升温过程，通过控制铝合金压铸模具钢氧化过程中空气（O2）流量、炉压使模具钢获得洁净的表面和均匀的温度分布，通过控制氧化过程中空气流量，实现模具钢表面氧化层的可控性来提高表面氧化效果，使模具钢表面获得氧化膜，通过控制模具钢表面氧化膜的厚度和均匀性，实现氧化过程可控制，从而提高铝压铸模具的热熔损性、抗粘着性等表面质量。实施例一使用Ar升温制备的模具钢表面氧化膜与直接用空气升温的模具钢相比，前者的氧化膜更为均匀致密，且表层Fe3O4相含量很多。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，将经过所述步骤b洁净处理的Dievar钢装入辉光离子氮化炉中进行氧化处理，使Dievar钢的模块的设定的局部表面被氧化，在Dievar钢表面局部制备均匀致密氧化膜，用于对铝合金压铸模具钢表面的局部进行氧化处理，满足模具钢用户的使用要求，降低模具钢模块表面氧化的成本，适用于模具钢局部表面的修复处理，提高模具钢的整体寿命。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明铝合金压铸模具的表面氧化处理方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种铝合金压铸模具的表面氧化处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
a. 将铝合金压铸模具钢经过淬火、三次回火热处理，使经过热处理的铝合金压铸模具钢的硬度调整到42-54HRC的范围内；
b. 将经过所述步骤a热处理的铝合金压铸模具钢表面进行清洗，用酒精去除铝合金压铸模具钢表面的灰尘、油污和其他污染物，得到具有洁净表面的铝合金压铸模具钢；
c. 将经过所述步骤b洁净处理的铝合金压铸模具钢装入离子氮化炉中进行氧化处理，制备具有均匀致密氧化膜的铝合金压铸模具钢，氧化处理的工艺参数如下：在离子氮化炉升温过程中炉内气体为惰性气体；升温过程控制惰性气体流量为200-500ml/min；氧化处理温度为520-540℃；氧化处理保温时间2-4h；氧化气体采用空气；控制空气流量为300-600ml/min；离子氮化炉的供电电压为650-850V；离子氮化炉的炉内气压为300-500Pa。
2.根据权利要求1所述铝合金压铸模具的表面氧化处理方法，其特征在于：在所述步骤c中，在离子氮化炉升温过程中炉内气体为Ar。
3.根据权利要求1所述铝合金压铸模具的表面氧化处理方法，其特征在于：在所述步骤c中，将经过所述步骤b洁净处理的铝合金压铸模具钢装入离子氮化炉中进行氧化处理，具体步骤为：首先将离子氮化炉抽真空至20Pa以下，然后以200-500ml/min的速率向离子氮化炉中通入惰性气体，使离子氮化炉内形成非氧化性的惰性气体保护气氛，离子氮化炉的升温过程经历打弧阶段，该阶段使铝合金压铸模具钢表面进一步净化；在离子氮化炉的升温过程中，使离子氮化炉的炉内气压维持在300-500Pa，当温度升至520-540℃时，使离子氮化炉内保持均温0.5-1h，使铝合金压铸模具钢的温度均匀后，即开始对铝合金压铸模具钢表面进行氧化处理，在铝合金压铸模具钢表面氧化处理过程中，首先将对离子氮化炉的惰性气体供应关闭，然后再以300-600ml/min速率向离子氮化炉中通入空气，对铝合金压铸模具钢表面进行氧化处理，氧化处理时间为2-4h；当氧化处理完成后，停止向离子氮化炉内通入空气，再将离子氮化炉内的气体抽出，直到将离子氮化炉内的压力降至20Pa以下，然后对离子氮化炉进行冷却至室温，然后向离子氮化炉内通入干燥的空气至通常大气压，再打开离子氮化炉的炉门，取出氧化处理后铝合金压铸模具钢，即得到具有均匀致密氧化膜的铝合金压铸模具钢。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述铝合金压铸模具的表面氧化处理方法，其特征在于：用于对铝合金压铸模具的表面的局部进行氧化处理。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述铝合金压铸模具的表面氧化处理方法，其特征在于：在所述步骤a中，铝合金压铸模具钢为Dievar钢、5CrNiMo、H13钢、5Mn15钢、4Cr3Mo3SiV钢、HD钢、Y10钢、MH3钢、3Cr2W8V钢或4Cr5Mo2SiV钢。
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