CN108044078A - 一种表面双层耐热层压铸模具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面双层耐热层压铸模具及其制备方法，属于涂层制备技术领域。包括模具基体和由下至上依次设置在模具基体表面的表面改性过渡层和表面附着层；该表面双层结构压铸模具主要通过以下几个步骤完成：模具预处理、模具表面层元素注入、沉积表面附着涂层和冷却。通过该表面双层耐热层结构的保护使得压铸模具耐磨，耐冲击性能增强，保护模具在加工制造过程中的开裂及产生热裂纹，防止热应变导致的模具损坏，同时兼具较高的强度和耐磨性，涂层本身的导热差且抗应变能力强，极大的提高了模具的寿命。

Description

一种表面双层耐热层压铸模具及其制备方法
技术领域
本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种表面双层耐热层压铸模具及其制备方法。
背景技术
压铸是一种利用高压将金属溶液强制压入金属模具内，并在压力下凝固形成铸件的一种精密铸造法。经铸造得到的金属具有低密度，高强度，成型性好，耐腐蚀等优点，采用压铸技术还能够提高材料的利用率，同时能以低成本，高速度和高精度压铸出形状复杂和表面质量好的零部件。压铸模具作为压铸生产的关键设备，其性能的优劣将直接影响铝合金压铸件的质量和成本。热作模具钢是目前应用较广的压铸模具材料。由于压铸模具在使用过程中容易受到腐蚀、冲刷、沾粘等损坏，而且由于在压铸生产中要经受频繁的冷热循环在压铸模具表面易形成疲劳裂纹。虽然目前可通过一定程度的合金成分的调整可在一定程度上提高热作模具钢压铸模具的性能，但其性能仍无法满足实际需要。
通过改善模具的设计和工序控制可以减少次品，极大提高了资源利用率，同时模具的寿命也可以为工业生产节约成本，提升竞争力，决定模具寿命的主要因素有模具材料的选取、模具加工及热处理、压铸生产过程的控制。虽然通过合金成分的调控可在一定程度上提高压铸模具的性能，但是其模具制造技术在防止模具裂纹、防止热应变、同时兼具较高的强度和耐磨性、抗应变能力上仍不理想，有待提高。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种表面双层耐热层压铸模具及其制备方法，能够解决现有的压铸模具抗热裂纹、抗热应变、耐磨性能的不理想及其在压铸生产中要经受频繁的冷热循环压铸模具表面易产生疲劳裂纹的技术问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种表面双层耐热层压铸模具，包括模具基体和由下至上依次设置在模具基体表面的表面改性过渡层和表面附着层；其中：
表面改性过渡层是基于元素加入改变模具基体材料原有微观结构形的表层区域，表面变形过渡层的厚度为0.05～300μm；所述元素为Mo、Cr、C、Si、N、Mn、W、Ta、Nb、Ni、Co和Ti中的一种或几种；
表面附着层是基于材料沉积在模具基体材料表面形成的陶瓷表面附着层，表面附着层的厚度为表面改性过度层厚度的0.05～3倍。
优选地，所述表面附着层为含有氧化铝、氧化锆、TiAlN、TiAlCN、SiC、碳化钛、氧化铬、TiNAlC、氮化钛、氧化钛、ZrB2和其他元素掺杂部分稳定或全稳定的氧化锆中的一种或多种的涂层。
本发明还公开了一种表面双层耐热层压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)在清洁处理过的模具基体表面进行改性处理，制备厚度为0.05～300μm的表面改性过渡层；
其中，改性处理是将一种或多种组合元素注入模具基体内腔表面改变表层微观结构形成表面改性过渡层，所述元素为Mo、Cr、C、Si、N、Mn、W、Ta、Nb、Ni、Co和Ti中的一种或几种；
2)去除模具表面氧化物，在制得的表面改性过渡层表面采用气相沉积法沉积一层表面附着层，表面附着层的厚度为表面改性过渡层厚度的0.05～3倍；
3)经冷却后，制得表面双层耐热层压铸模具。
优选地，清洁处理是采用溶剂超声波清洗或辉光放电清洁模具基体。
优选地，步骤1)中，将一种或多种组合元素注入模具基体内腔表面采用离子注入法，使用20N型多用途离子注入机，注入工艺参数为：耙室直径为1.2m，采用桶形弧放电离子源，束斑直径75cm，注入机加速电压20～200kV，注入量为3×1017/cm2，处理时间为20min～60min。
优选地，步骤2)中，气相沉积法为激光化学气相沉积法、金属有机化学气相沉积法或物理气相沉积法。
优选地，所述表面附着层为含有氧化铝、氧化锆、TiAlN、TiAlCN、SiC、碳化钛、氧化铬、TiNAlC、氮化钛、氧化钛、ZrB2和其他元素掺杂部分稳定或全稳定的氧化锆中的一种或多种的涂层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的表面双层耐热层压铸模具，由模具基体以及在模具基体表面制备表面改性过渡层和表面附着层构成，表面改性过渡层是基于元素加入改变了模具基体材料原有微观结构的表层区域，其厚度优选范围是0.05um-300um；表面附着层是基于材料沉积在基体材料表面形成的陶瓷表面附着层，其厚度为表面改性过渡层厚度的0.05-3倍。具耐磨，通过该表面双层耐热层结构的保护使得压铸模具耐磨，耐冲击性能增强，保护模具在加工制造过程中的开裂及产生热裂纹，防止热应变导致的模具损坏，同时兼具较高的强度和耐磨性，涂层本身的导热差且抗应变能力强，极大的提高了模具的寿命。
本发明公开的制备方法，包括：模具预处理、模具表面层元素注入、沉积表面附着涂层和冷却操作。表面附着层为含有氧化铝、氧化锆或其他元素掺杂部分稳定或全稳定的氧化锆、TiAlN、TiAlCN、SiC、碳化钛、氧化铬、TiNAlC、氮化钛、氧化钛、ZrB2中的一种或多种为主要成分的涂层，沉积表面附着层涂层可选用激光化学沉积、金属有机化学气相沉积或物理气相沉积。通过该表面双层耐热层结构的保护使得压铸模具耐磨，耐冲击性能增强，保护模具在加工制造过程中的开裂及产生热裂纹，防止热应变导致的模具损坏，同时兼具较高的强度和耐磨性，涂层本身的导热差且抗应变能力强，极大的提高了模具的寿命。该方法能够将模具寿命显著提高8-20倍，该制备方法操作简单，处理效率高。
附图说明
图1为本发明的表面双层耐热层压铸模具的结构示意图。
其中，1为模具基体；21为表面改性过渡层；22为表面附着层。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
参见图1，一种表面双层耐热层压铸模具，由模具基体1、表面改性过渡层21和表面附着层22构成。表面改性过渡层21是基于元素加入改变了模具基体材料原有微观结构的表层区域，其厚度是50um；表面附着层22是基于材料沉积在基体材料表面形成的陶瓷表面附着层，其厚度为60um。
通过离子注入Mo、Cr、Si三种元素，Mo优选(0.3～2)×1017cm-2，Cr为(3.0～4.5)×1017cm-2，其余为Si元素，表面附着层是TiAlN+ZrB2主要成分的涂层，其中，TiAlN的成分为重量百分比，20％为TiAlN，余量为ZrB2。
上述表面双层耐热层压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)使用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨去除模具表面氧化物，去除模具基体表面的氧化膜，并用丙酮溶液的超声波清洁基体表面，使表面干净备用，清洗时间为15min；
2)通过电流离子注入机注入准备好的Mo、Cr、Si，在5～10Pa的真空环境下注入元素，耙室直径1.2m，采用桶形形弧放电离子源，束斑直径75cm，注入机加速电压100kV，注入量为3×1017cm-2，注入时间为40min；
3)用砂纸去除模具表面氧化物，运用激光化学气相沉积方法在模具表面沉积TiAlN+ZrB2耐热附着层，气流流速为660cm/s，喷嘴形状尺寸1mm×2.5mm，激光功率为190W·mm-2，反应气体压力为8.0kPa，激光辐照时间为0.5～4s；
4)冷却至室温，制得表面双层耐热层压铸模具。
实施例2
一种表面双层耐热层压铸模具，由模具基体、表面改性过渡层和表面附着层构成。其中，表面改性过渡层是基于元素加入改变了模具基体材料原有微观结构的表层区域，其厚度是70um；表面附着层是基于材料沉积在基体材料表面形成的陶瓷表面附着层，其厚度为70um。通过离子注入Mo、Cr、Si三种元素，Mo优选(0.3～2)×1017cm-2，Cr为(3.0～4.5)×1017cm-2，其余为Si元素，表面附着层是TiAlN+ZrB2主要成分的涂层，其中TiAlN的成分为重量百分比，20％为TiAlN，余量为ZrB2。
上述表面双层耐热层压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)使用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨去除模具表面氧化物，去除模具基体表面的氧化膜，并用丙酮溶液的超声波清洁基体表面，使表面干净备用，清洗时间为20min；
2)通过电流离子注入机注入准备好的Mo、Cr、Si，在5～10Pa的真空环境下注入元素，耙室直径1.2m，采用桶形形弧放电离子源，束斑直径75cm，注入机加速电压80kV，注入量为3×1017cm-2，注入时间为45min；
3)用砂纸去除模具表面氧化物，运用激光化学气相沉积方法在模具表面沉积TiAlN+ZrB2耐热附着层，气流流速为660cm/s，喷嘴形状尺寸1mm×2.5mm，激光功率为200W·mm-2，反应气体压力为8.5kPa，激光辐照时间为2～4s；
4)冷却至室温，制得表面双层耐热层压铸模具。
实施例3
一种表面双层耐热层压铸模具，由模具基体、表面改性过渡层和表面附着层构成。其中，表面改性过渡层是基于元素加入改变了模具基体材料原有微观结构的表层区域，其厚度是50um；表面附着层是基于材料沉积在基体材料表面形成的陶瓷表面附着层，其厚度为60um。通过离子注入Ta，Nb，Ni三种元素，Ta为(0.3～2)×1017cm-2，Nb为(3.0～4.5)×1017cm-2，其余为Ni元素，表面附着层是TiAlN+氧化铝主要成分的涂层，其中TiAlN的成分为重量百分比，20％为TiAlN，余量为氧化铝。
上述表面双层耐热层压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)使用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨去除模具表面氧化物，去除模具基体表面的氧化膜，并用丙酮溶液的超声波清洁基体表面，使表面干净备用，清洗时间为15min；
2)通过电流离子注入机注入准备好的Ta，Nb，Ni，在5～10Pa的真空环境下注入元素，耙室直径1.2m，采用桶形形弧放电离子源，束斑直径75cm，注入机加速电压100kV，注入量为3×1017cm-2，注入时间为40min；
3)用砂纸去除模具表面氧化物，运用激光化学气相沉积方法在模具表面沉积TiAlN+氧化铝耐热附着层，气流流速为660cm/s，喷嘴形状尺寸1mm×2.5mm，激光功率为190W·mm-2，反应气体压力为8.0kPa，激光辐照时间为0.5～4s；
4)冷却至室温，制得表面双层耐热层压铸模具。
实施例4
一种表面双层耐热层压铸模具，由模具基体、表面改性过渡层和表面附着层构成。其中，表面改性过渡层是基于元素加入改变了模具基体材料原有微观结构的表层区域，其厚度是70um；表面附着层是基于材料沉积在基体材料表面形成的陶瓷表面附着层，其厚度为70um。通过离子注入Ta，Nb，Ni三种元素，Ta优选(0.3～2)×1017cm-2，Nb为(3.0～4.5)×1017cm-2，其余为Ni元素，表面附着层是TiAlN+氧化铝主要成分的涂层，其中TiAlN的成分为重量百分比，20％为TiAlN，余量为氧化铝。
上述表面双层耐热层压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)使用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨去除模具表面氧化物，去除模具基体表面的氧化膜，并用丙酮溶液的超声波清洁基体表面，使表面干净备用，清洗时间为20min；
2)通过电流离子注入机注入准备好的Ta，Nb，Ni，在5～10Pa的真空环境下注入元素，耙室直径1.2m，采用桶形形弧放电离子源，束斑直径75cm，注入机加速电压90kV，注入量为3×1017cm-2，45min；
3)用砂纸去除模具表面氧化物，运用激光化学气相沉积方法在模具表面沉积TiAlN+氧化铝耐热附着层，气流流速为660cm/s，喷嘴形状尺寸1mm×2.5mm，激光功率为200W·mm-2，反应气体压力为8.5kPa，激光辐照时间为2～4s；
4)冷却至室温，制得表面双层耐热层压铸模具。
综上所述，本发明公开的表面双层耐热层压铸模具，一个模具本体及其表面过渡层和表面附着层双层耐热层结构，表面过渡层是通过元素加入改变了模具基体材料原有微观结构的表层区域，通过加入Mo、Cr、C、Si、N、Mn、W、Ta、Nb、Ni、Co、Ti中的一种或多种元素得到表面改性过渡层；表面连附着层是通过沉积金属元素和非金属元素为主要构成成分的涂层而得到。
该表面双层耐热层压铸模具主要通过以下几个步骤完成：a模具预处理；b模具表面层元素注入；c沉积表面附着涂层；d冷却。表面附着层为含有氧化铝、氧化锆或其他元素掺杂部分稳定或全稳定的氧化锆、TiAlN、TiAlCN、SiC、碳化钛、氧化铬、TiNAlC、氮化钛、氧化钛、ZrB2中的一种或多种为主要成分的涂层，沉积表面附着层涂层可选用激光化学沉积、金属有机化学气相沉积或物理气相沉积。通过该表面双层耐热层结构的保护使得压铸模具耐磨，耐冲击性能增强，保护模具在加工制造过程中的开裂及产生热裂纹，防止热应变导致的模具损坏，同时兼具较高的强度和耐磨性，涂层本身的导热差且抗应变能力强，极大的提高了模具的寿命。

Claims (7)

1.一种表面双层耐热层压铸模具，其特征在于，包括模具基体(1)和由下至上依次设置在模具基体(1)表面的表面改性过渡层(21)和表面附着层(22)；其中：
表面改性过渡层(21)是基于元素加入改变模具基体材料原有微观结构形的表层区域，表面变形过渡层(21)的厚度为0.05～300μm；所述元素为Mo、Cr、C、Si、N、Mn、W、Ta、Nb、Ni、Co和Ti中的一种或几种；
表面附着层(22)是基于材料沉积在模具基体材料表面形成的陶瓷表面附着层，表面附着层(22)的厚度为表面改性过渡层(21)厚度的0.05～3倍。
2.根据权利要求1所述的表面双层耐热层压铸模具，其特征在于，所述表面附着层(22)为含有氧化铝、氧化锆、TiAlN、TiAlCN、SiC、碳化钛、氧化铬、TiNAlC、氮化钛、氧化钛、ZrB2和其他元素掺杂部分稳定或全稳定的氧化锆中的一种或多种的涂层。
3.一种表面双层耐热层压铸模具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在清洁处理过的模具基体(1)表面进行改性处理，制备厚度为0.05～300μm的表面改性过渡层(21)；
其中，改性处理是将一种或多种组合元素注入模具基体(1)内腔表面改变表层微观结构形成表面改性过渡层(21)，所述元素为Mo、Cr、C、Si、N、Mn、W、Ta、Nb、Ni、Co和Ti中的一种或几种；
2)去除模具表面氧化物，在制得的表面改性过渡层(21)表面采用气相沉积法沉积一层表面附着层(22)，表面附着层(22)的厚度为表面改性过渡层(21)厚度的0.05～3倍；
3)经冷却后，制得表面双层耐热层压铸模具。
4.根据权利要求3所述的表面双层耐热层压铸模具的制备方法，其特征在于，清洁处理是采用溶剂超声波清洗或辉光放电清洁模具基体(1)。
5.根据权利要求3所述的表面双层耐热层压铸模具的制备方法，其特征在于，步骤1)中，将一种或多种组合元素注入模具基体(1)内腔表面采用离子注入法，使用20N型多用途离子注入机，注入工艺参数为：耙室直径为1.2m，采用桶形弧放电离子源，束斑直径75cm，注入机加速电压20～200kV，注入量为3×1017/cm2，处理时间为20min～60min。
6.根据权利要求3所述的表面双层耐热层压铸模具的制备方法，其特征在于，步骤2)中，气相沉积法为激光化学气相沉积法、金属有机化学气相沉积法或物理气相沉积法。
7.根据权利要求3所述的表面双层耐热层压铸模具的制备方法，其特征在于，所述表面附着层(22)为含有氧化铝、氧化锆、TiAlN、TiAlCN、SiC、碳化钛、氧化铬、TiNAlC、氮化钛、氧化钛、ZrB2和其他元素掺杂部分稳定或全稳定的氧化锆中的一种或多种的涂层。
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