CN107881449A - 氮化层修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氮化层修复方法，在所述方法中熔融金属被加压和固化，从而修复形成在用于形成铸件的模具的型腔表面上的氮化层。在该氮化层修复方法中，向型腔表面施加氮化源，并通过使用熔融金属对模具的型腔表面加热和加压来氮化型腔表面。

Description

氮化层修复方法

技术领域

本发明涉及氮化层修复方法，例如，修复形成在铸造模具的表面上的氮化层的方法。

背景技术

为了提高耐久性，在铸造模具的表面上形成氮化层。然而，当模具被反复用于铸造时，表面上的氮化物浓度降低，并发生热裂纹(热裂化)。为此，在离线模式下对模具的表面进行再氮化处理。

日本专利申请公开号2016-033251(JP 2016-033251 A)中披露了一种利用氨气根据氮化处理修复氮化层的方法。在JP 2016-033251 A中的方法中，含多种氧化物的投射剂被粘附到模具的表面，然后进行比形成基础的氮化层时所用使用较低氨气浓度的氮化处理。

发明内容

例如，当进行再氮化处理如使用氨气的氮化处理时，需要从压铸机拆下模具并在离线模式下进行处理。因此，铸造工艺不得不中断，生产率下降。

本发明提供了一种氮化层修复方法，通过该方法可以抑制生产率的下降。

在根据本发明的一个方面的氮化层修复方法中，熔融金属被加压和固化，从而修复形成在用于形成铸件的模具的型腔表面上的氮化层。该氮化层修复方法包括向型腔表面施加氮化源；和通过使用熔融金属对模具的型腔表面加热和加压来氮化型腔表面。在这样的配置中，可以防止生产率的下降。

在上面的方面中，氮化源可包含脲。

在上面的方面中，氮化源可与脱模剂一起被施加到型腔表面。

在上面的方面中，当在模具被连接到压铸机的同时进行多次压射时，氮化源可与脱模剂一起被施加到型腔表面至少一次，其中所述压射包括向型腔表面施加脱模剂、使模具合模以形成由型腔表面包围的型腔、向型腔中注入和填充熔融金属、对填充到型腔中的熔融金属加压并使之固化，以及打开被合模的模具并且移出经加压和固化的铸件。

在上面的方面中，当在进行压射之前开始模具的预热时，氮化源可被施加到型腔表面。

根据本发明，可以提供一种氮化层修复方法，通过该方法可以抑制生产率的下降。

附图说明

本发明的示例性实施方案的特征、优点以及技术和工业重要性将在下文结合附图进行描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的要素，且其中：

图1A为在根据一个实施方案的氮化层修复方法中向其施加氮源的模具的一个实例的截面视图；

图1B为图1A中部分A的放大截面视图；

图2A为在根据该实施方案的氮化层修复方法中填充有熔融金属的模具的一个实例的截面视图；

图2B为图2A中部分B的放大截面视图；

图3为示出了其中使用根据该实施方案的氮化层修复方法的一个示例性铸造工艺的流程图；

图4为示出了模具的截面中氮和碳浓度分布的实例的图，横轴表示距离表面的深度，而纵轴表示氮和碳浓度；

图5为示出了模具的截面中氮和碳浓度分布的实例的图，横轴表示距离表面的深度，而纵轴表示氮和碳浓度；

图6为示出了模具的截面中氮浓度分布的实例的图，横轴表示距离表面的深度，而纵轴表示氮浓度；和

图7为示出了模具的表面的硬度的实例的图，横轴表示距离表面的深度，而纵轴表示硬度。

具体实施方式

下面将结合附图来描述本发明的实施方案。然而，本发明不限于以下实施方案。另外，为了解释清楚，以下描述和附图将被适当简化。

将描述根据一个实施方案的氮化层修复方法。本实施方案为例如修复形成在用于铸造的模具的型腔表面上的氮化层的方法。首先将描述该氮化层修复方法中使用的模具的配置。图1A为在根据该实施方案的氮化层修复方法中向其施加氮源的模具的一个实例的截面视图。图1B为图1A中部分A的放大截面视图。

如图1A和1B中所示，模具10对熔融金属加压并使之固化以形成铸件。模具10为例如压铸法中使用的模具10。压铸法中使用的模具10包括例如多个部件以移出经铸造的铸件。模具10包括例如可移动模具10a和固定模具10b。模具10由预定的钢材料制成。例如，模具10可包含用于热模具的合金工具钢(SKD61基材)。SKD61基材是一种合金工具钢，其中向碳工具钢中添加了钨、钼、铬、钒等。这里，模具10不限于包括可移动模具10a和固定模具10b的模具。另外，模具10的材料不限于SKD61基材。

模具10包括型腔11。型腔11是形成在模具10内部的中空部分并且是填充有熔融金属20的部分。例如，当可移动模具10a和固定模具10b被合模时，在模具10内部形成型腔11。模具10的与型腔11接触的表面被称为型腔表面12。型腔11由模具10的型腔表面12包围。然后，熔融金属20被填充到由模具10的型腔表面12包围的型腔11中。

向模具10的型腔表面12施加氮化源13。例如，氮化源13以层的形式施加于模具10的型腔表面12上。氮化源13包含例如脲。例如，氮化源13为包含脲的脱模剂。当氮化源13包含在脱模剂中时，氮化源13被施加到模具10的型腔表面12。例如，包含脲的脱模剂被喷射到模具10的型腔表面12上。氮化源13可为包含脲的溶液。氮化源13可通过向模具10的型腔表面12喷射包含脲的溶液来施加。

氮化源13可在铸造工艺中定期施加到模具10的型腔表面12。例如，当约每周进行一次启动时，氮化源13可以作为包含氮化源13的启动剂施加到模具10的型腔表面12。另外，对于其中将熔融金属注入和填充到模具10中以形成铸件的每一次压射，可施加氮化源13。

当氮化源13被施加到模具10的型腔表面12时，可在模具10的型腔表面12上形成氮化层16。即，氮化源13可在模具10被用于铸造之前施加到其中事先形成有氮化层16的型腔表面12。另外，氮化源13可被施加到包含氮化层16的型腔表面12，所述氮化层16已因铸造用途而经历脱氮。此外，氮化源13可被施加到其中事先通过铸造形成的氮化层16已消失的型腔表面12。

在模具10的型腔表面12上形成氮化层16以抑制例如热裂纹。在形成氮化层16时，可以增大模具10的型腔表面12的硬度。氮化层16可包括例如氮复合层或可包括氮扩散到其中的层。氮化层16例如为比模具10的未氮化部分17具有更高氮浓度的部分，例如为包含0.5重量％或更多的氮的部分。例如，可从模具10的型腔表面12上的表面到50至90μm的深度形成氮化层16。未氮化部分17为不同于氮化层16的部分。

轴套14连接到模具10。轴套14具有圆筒形形状。轴套14具有连接到与模具10的型腔11连通的开口的一端。轴套14具有向其中插入刀片(chip)15的另一端。轴套14的一部分中设置有由熔融金属制成的供给端口14a。提供销18来移出铸件。

图2A为示出了在根据该实施方案的氮化层修复方法中填充有熔融金属的模具的一个实例的图。图2B为图2A中部分B的放大截面视图。

如图2A和2B中所示，熔融金属20从供给端口14a供给到圆筒形轴套14中，并由刀片15推入型腔11中。熔融金属20经过轴套14并被送往型腔11。

熔融金属20的温度取决于熔融金属20的金属的种类，例如为650℃。这里，熔融金属20的温度不限于此。在注入和填充、加压和固化、以及移出熔融金属20的过程中，已从熔融金属20接收热的模具10的温度为例如500℃。注入和填充、加压和固化、以及移出熔融金属20的过程所需的时间取决于产品的尺寸，例如为10至20秒。注入到型腔11中的熔融金属20的铸造压力为例如50MPa。熔融金属20的铸造压力不限于此。

在向其中填充熔融金属20的模具10的型腔表面12上，由于来自熔融金属20的热和加压，氮化源13的氮分子从模具10的型腔表面12移动到模具10的内部中。

当氮化层16在模具10被用于铸造之前事先形成时，以及当氮化层16已因铸造用途而变得脱氮时，新的氮化层形成在氮化层16正下方，氮化层16的厚度因氮化源13的施加及自熔融金属接收的热和加压而增加。

另一方面，当型腔表面12上的氮化层16已消失时，氮化层16形成在型腔表面12上。以此方式，新的氮化层形成在模具10的未氮化部分17的型腔表面12侧上的一部分上，例如，在氮化层16正下方或在型腔表面12上。

如上所述，在本实施方案中，氮化源13被施加到型腔表面12，并且在熔融金属20被加热和加压时模具10的型腔表面被氮化。相应地，模具10的型腔表面12上的氮化层16被修复。

接下来，将描述根据本实施方案的氮化层修复方法的流程。图3为示出了包括根据该实施方案的氮化层修复方法的一个示例性铸造工艺的流程图。

如图3中步骤S1中所示，首先确定是否需要模具维护。例如约每数千次压射进行一次模具维护。具体而言，对模具10进行拆卸、清洁、调节等。当确定需要模具维护(是)时，如步骤S2中所示，进行模具维护。当确定不需要模具维护(否)时，工艺前进到步骤S3。

接下来，如图3中步骤S3中所示，确定是否需要启动。约每周进行一次启动。另外，约每多次压射进行一次启动。以此方式，定期进行启动。具体而言，启动包括预热模具10、准备熔融金属20的原材料等。另外，可向模具10的型腔表面12施加启动剂。此外，可在启动剂中包含脲。氮化源13可通过施加包含脲的启动剂而被施加到模具10的型腔表面12。以此方式，氮化源13可被定期施加到模具10的型腔表面12。

当需要启动(是)时，如步骤S4中所示，进行启动。当不需要启动(否)时，工艺前进到步骤S5。这里，步骤S5至步骤S9的工艺被称为压射。压射指通过向模具10中注入和填充熔融金属20来形成铸件，并且具体而言包括脱模剂施加过程、合模过程、注入和填充过程、加压和固化过程及移出过程。

接下来，如图3中步骤S5中所示，向模具10的型腔表面12施加脱模剂。脱模剂可包含氮化源13。脱模剂可包含例如脲作为氮化源13。进行脱模剂的施加使得例如脱模剂被喷射到模具10的型腔表面12。可代替脱模剂或是与脱模剂一起，向模具10的表面施加脲水溶液。

接下来，如图3中步骤S6中所示，对模具10合模。进行模具10的合模使得模具10的可移动模具10a和固定模具10b合并形成由模具10的型腔表面12包围的型腔11。

接下来，如图3中步骤S7中所示，向模具10的型腔11中注入和填充熔融金属20。熔融金属20从供给端口14a供给到圆筒形轴套14中，然后由刀片15推入型腔11中。以此方式，熔融金属20经过轴套14并且被注入和填充到型腔11中。

接下来，如图3中步骤S8中所示，对填充到型腔11中的熔融金属20加压并使之固化。压力为例如50MPa。在此情况下，氮化源13的氮分子从模具10的型腔表面12移动到模具10中。然后，已移动到模具10中的氮分子修复模具10的型腔表面12上的氮化层。以此方式，在本实施方案中，模具10的型腔表面12上的氮化层16使用经加热和加压的熔融金属20得到修复。

接下来，如图3中步骤S9中所示，打开被合模的模具10并移出经加压和固化的铸件。例如，移动模具10的可移动模具10a并将铸件与固定模具10b分离。然后，铸件由销18向上推并从型腔11移出。以此方式，产生了其中熔融金属20被加压并固化的铸件。

接下来，如图3中步骤S10中所示，确定是否应重复压射。当确定不重复压射(否)时，铸造工艺结束。另一方面，当确定应重复压射(是)时，工艺返回到步骤S5，并进行下一压射。

当以进程内方式连续进行这样的压射时，在模具10被连接到压铸机的同时进行多次压射。当进行多次压射时，在至少一次压射的施加脱模剂的工艺中将氮化源13包含在脱模剂中。相应地，可以以进程内方式修复氮化层16。这里，将氮化源13包含在用于每一压射的脱模剂中。然后可施加氮化源13。相应地，可以防止氮化层16的劣化，例如，氮浓度的降低和脱氮。

图4为示出了模具的截面中氮和碳浓度分布的实例的图，横轴表示距离型腔表面上的表面的深度，而纵轴表示氮和碳浓度。在此图中，“N”和“C”指氮浓度和碳浓度。在此图中，“(之前)”和“(之后)”指向型腔表面12施加脲并于500℃下进行48小时加热(下文称为“脲施加和加热处理”)之前和之后的浓度。压力为800Pa。

如图4中所示，在脲施加和加热处理之前和之后，在所述图中所示范围内的深度中碳浓度(“C(之前)”和“C(之后)”)为0.5重量％或更低并且几乎不变化。

另一方面，在脲施加和加热处理之前，在距离表面30μm的深度内氮浓度(“N(之前)”)为1.5重量％或更高，在40μm的深度处为1重量％或更低，在50μm的深度处为0.5重量％或更低。

同时，在脲施加和加热处理之后，在距离表面70μm的深度内氮浓度(“N(之后)”)为1.5重量％或更高，在80μm的深度处为1重量％或更低，在90μm的深度处为0.5重量％或更低。以此方式，由于脲施加和加热处理，其中氮浓度为0.5重量％或更高的深度从50μm的深度扩展到90μm的深度。即，当形成氮化层16时，氮化层16变得比施加脲之前更厚。

图5为示出了模具的截面中氮和碳浓度分布的实例的图，横轴表示距离型腔表面上的表面的深度，而纵轴表示氮和碳浓度。在此图中，“N”和“C”指氮浓度和碳浓度。在此图中，“(之前)”和“(之后)”指向型腔表面12施加含脲的脱模剂并于500℃下进行48小时加热(下文称为“脱模剂施加和加热处理”)之前和之后的浓度。图5示出了当施加含脲的脱模剂代替如图4中脲的施加时获得的结果。

如图5中所示，在脱模剂施加和加热处理之前和之后，在图中所示范围内的深度中碳浓度(“C(之前)”和“C(之后)”)为0.5重量％或更低并且几乎不变化。

另一方面，在脱模剂施加和加热处理之前，在距离表面30μm的深度内氮浓度(“N(之前)”)为1.5重量％或更高，在40μm的深度处为1重量％或更低，在50μm的深度处为0.5重量％或更低。

同时，在脱模剂施加和加热处理之后，在距离表面70μm的深度内氮浓度(“N(之后)”)为1.5重量％或更高，在80μm的深度处为1重量％或更低，在90μm的深度处为0.5重量％或更低。以此方式，由于脱模剂施加和加热处理，其中氮浓度为0.5重量％或更高的深度从50μm的深度扩展到90μm的深度。即，当形成氮化层16时，氮化层16变得比施加脲之前更厚。

图6为示出了模具的截面中氮浓度分布的实例的图。横轴表示距离型腔表面上的表面的深度，而纵轴表示氮浓度。表述“使用前”和“20000次压射使用后”指模具被用于铸造之前的浓度和模具被用于20,000次铸造压射之后的浓度。

如图6中所示，在模具被用于铸造之前(下文称为“使用前”)，在距离表面30μm的深度内氮浓度为1.5重量％或更高，在40μm的深度处为1重量％或更低，在50μm的深度处为0.5重量％或更低。

另一方面，在模具被用于20000次铸造压射之后(下文称为“使用后”)，在20μm的深度处氮浓度为1重量％或更低，在30μm的深度处为0.5重量％或更低。

图7为示出了模具的型腔表面的硬度的实例的图，横轴表示距离型腔表面上的表面的深度，而纵轴表示硬度。如图7中所示，在模具被用于铸造之前(“使用前”)，在距离表面40μm的厚度内硬度高至900HV或更高。然后，在50μm的深度处硬度为700HV或更低。另一方面，在模具被用于20000次铸造压射之后(“20000次压射使用后”)，在距离表面40μm的厚度内硬度为700HV或更高。当深度比40μm更深时，硬度减至700HV或更低。

如上所述，其中使用后的氮浓度低于使用前的氮浓度并且在距离表面40μm至60μm的深度处氮浓度降低的现象与其中使用后的硬度低于使用前的硬度并且在距离表面40μm至60μm的深度处硬度降低的现象匹配。因此，氮浓度和硬度具有相关性，并且可通过增大氮浓度来提高硬度。

以此方式，当在模具10的型腔表面12上形成氮化层16时，型腔表面12的硬度可增大并且可以防止热裂纹的发生。

用于铸造的模具10的问题之一在于表面开裂(热裂化或热裂纹)。为了防止此类表面开裂的发生和提高耐久性，通常对型腔表面12进行氮化处理。然而，当模具10被连续地用于铸造时，型腔表面12中的氮浓度降低。相应地，很可能发生热裂纹。因此，进行再氮化处理以增加模具10的使用寿命。

在相关领域中，再氮化处理需要在离线模式下进行，其中将模具10从压铸机拆下。因此，铸造工艺不得不中断。结果，生产率下降。

另一方面，根据本实施方案的氮化层修复方法，可以在模具10被连接到压铸机的同时以进程内方式修复模具10的型腔表面12上的氮化层16。相应地，可以在防止生产率下降的同时修复氮化层16。

另外，在本实施方案的氮化层修复方法中，使用经加热和加压的熔融金属20。因此，可以以进程内方式修复氮化层16。在氮化源13中使用脲。因此，包含在溶液或脱模剂中的脲可被施加到型腔表面12。将氮化源13包含在脱模剂中。然后，将氮化源13施加到型腔表面12。以此方式，可以以进程内方式修复氮化层16。

可将氮化源13包含在用于每一压射的脱模剂中。然后可施加氮化源13。相应地，可以防止氮化层16的劣化，例如，氮浓度的降低和脱氮。

虽然上文已描述根据本发明的实施方案，但本发明不限于上文的配置，并且可进行修改而不偏离本发明的范围。

例如，上文所述使用包含脲的氮化源13的氮化处理方法不限于用于模具10的型腔表面12的氮化层修复方法，并且可用作用于模具10的表面的氮化处理方法和用于任意构件的氮化处理方法。

另外，本发明的范围包括以下氮化处理方法：

其中熔融金属20被加压和固化从而氮化用于形成铸件的模具10的表面的氮化处理方法。

其中向表面施加包含脲的氮化源13、对熔融金属20加热和加压、然后氮化模具10的表面的氮化处理方法。

其中熔融金属20被加压和固化从而氮化用于形成铸件的模具10的表面的氮化处理方法。

其中向表面施加包含脲的氮化源13的氮化层修复方法。

Claims (5)

1.一种氮化层修复方法，在所述方法中熔融金属被加压和固化从而修复形成在用于形成铸件的模具的型腔表面上的氮化层，其特征在于包括：

向所述型腔表面施加氮化源；和

通过使用所述熔融金属对所述模具的所述型腔表面加热和加压来氮化所述型腔表面。

2.根据权利要求1所述的氮化层修复方法，其特征在于所述氮化源包含脲。

3.根据权利要求1或2所述的氮化层修复方法，其特征在于所述氮化源与脱模剂一起被施加到所述型腔表面。

4.根据权利要求3所述的氮化层修复方法，其特征在于，当在所述模具被连接到压铸机的同时进行多次压射时，所述氮化源与所述脱模剂一起被施加到所述型腔表面至少一次，其中所述压射包括向所述型腔表面施加所述脱模剂、使所述模具合模以形成由所述型腔表面包围的型腔、向所述型腔中注入和填充所述熔融金属、对填充到所述型腔中的所述熔融金属加压并使之固化，以及打开被合模的所述模具并且移出经加压和固化的所述铸件。

5.根据权利要求4所述的氮化层修复方法，其特征在于，当在进行所述压射之前开始所述模具的预热时，所述氮化源被施加到所述型腔表面。