CN108103505A - 一种提高冷镦模具寿命的pvd/cvd/pcvd涂层处理方法 - Google Patents

一种提高冷镦模具寿命的pvd/cvd/pcvd涂层处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及模具的表面处理方法，公开了一种提高冷镦模具寿命的PVD/CVD/PCVD涂层处理方法。该处理方法包含以下步骤：1）清洗；2）烘干；3）模具升温；4）涂层：采用涂层设备在清洗烘干后的模具表面涂覆多层含Ti、Si、Al、Zr、Cr、B的硬质涂层；5）模具降温；6）淬火；7）抛光。本发明采用缓升温、分步降温和涂层后再淬火的工艺，在冷镦模具表面涂覆多层复合涂层，工艺简单，加工效率高，有利于实际生产应用，所得模具成本较低，具有使用性能高，硬度较高，涂层结合度高，模具使用寿命长，降低生产成本，提高产品竞争力，适宜做进一步推广应用。

Description

一种提高冷镦模具寿命的PVD/CVD/PCVD涂层处理方法
技术领域
本发明涉及模具的表面处理方法，尤其涉及一种提高冷镦模具寿命的PVD/CVD/PCVD涂层处理方法。
背景技术
冷镦模具一半采用合金工具钢加工、淬火、磨削后直接使用，由于它的硬度较小，在冷镦过程中，很快就会产生严重的粘结磨损，而使模具报废，成为生产中的一大难题，影响生产的顺利进行，为保证产品的质量，也就必须频繁更换模具，增加了生产成本。
申请号为200710119159.5的中国专利公开了一种提高冷镦模具寿命的工艺，对模具工作腔进行抛光后，再用PVD工艺涂一层氮化钛，使模具表层硬度从850Hv提高到了1950Hv，大大提高了模具寿命，但是涂层仅有一层，对寿命提高的效果有限。
申请号为201610432091.5的中国专利公开了一种模具用表面渗镀复合涂层工艺，采用等离子氮化和CrN+Al涂层相结合，同时将两种处理工艺的效果优化至最佳，可有效降低模具表面摩擦系数，延长模具使用寿命，降低生产成本。但是由于现有的复合涂层技术涂层温度较高，易使冷镦模具在涂层过程中产生退火、变形等不利因素，因此现有的复合涂层技术在冷镦模具上的应用有一定的局限性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种提高冷镦模具寿命的PVD/CVD/PCVD涂层处理方法，采用了缓升温、分步降温和涂层后再淬火的工艺，显著改善模具的表面硬度、耐磨性及耐高温性能。
本发明的具体技术方案为：所述处理方法包含以下步骤：
1）清洗；
2）烘干；
3）模具升温；
4）涂层：采用涂层设备在清洗烘干后的模具表面涂覆多层含Ti、Si、Al、Zr、Cr、B的硬质涂层；
5）模具降温；
6）淬火；
7）抛光。
本发明采用多种不同成分的涂层多层复合涂覆，能够有效解决单一涂层硬度、耐磨性、摩擦系数和耐高温性能之间的矛盾，使得模具能够同时具有良好硬度和耐磨性，硬度可达2500Hv以上，涂层与模具结合强度大于60N，与未涂层工件相比，使用寿命提高了3倍以上。进行适当的淬火和抛光，能够保证模具的硬度计表面光洁度。
作为优选，所述步骤1）中清洗为超声清洗。
作为优选，所述步骤3）中升温速率为2-4℃/min。
采用缓慢升温的方式延长模具的温度变化时间，可以避免模具短时间内温度变化过快导致的变形量大的问题。
作为优选，所述步骤3）中模具处于氢气和氮气的混合气氛中。
采用氢气和氮气作为保护气体，防止模具被氧化。
作为优选，所述步骤4）中涂层设备采用PVD、CVD或PCVD涂层设备中的一种。
作为优选，PVD涂层的沉积温度为200-600℃，沉积压力1×10-5-1×10-2Pa，涂层厚度2-8μm，涂层为TiN、TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、TiSiN、TiAlSiN、CrAlN、AlCrSiN涂层中的几种叠加。
作为优选，CVD涂层的沉积温度为800-1050℃，沉积压力5000-1×105Pa，涂层厚度3-20μm，涂层为TiN、TiC、HT-TiCN、MT-TiCN、Al2O3、TiBN涂层中的几种叠加。
作为优选，PCVD涂层的沉积温度为300-650℃，沉积压力200-5000Pa，涂层厚度2-8μm，涂层为TiN、TiC、TiCN、TiSiN、TiBN涂层中的几种叠加。
多种涂层的成分不同，功能也不同，将多种涂层结合在一起叠加涂覆，其功能互补，能够有效解决单一涂层硬度、耐磨性、摩擦系数和耐高温性能之间的矛盾。针对不同的涂层设备和涂覆工艺，所适用的涂层材料不同，本发明通过研究发现，在本发明的限定范围内，这些材料的涂层能够适用于相应的涂覆工艺，达到较好的涂层效果。
作为优选，所述步骤5）中模具先保持沉积压力不变，降温至沉积温度的一半，再恢复常压，降温至100℃以下。
由于模具和涂层降温后的收缩率不同，采用分步降温的方式能够避免温度快速变化导致的涂层脱落现象增大涂层与模具的结合强度。
作为优选，所述步骤5）中模具处于氢气和氩气的混合气氛中。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：本发明采用缓升温、分步降温和涂层后再淬火的工艺，在冷镦模具表面涂覆多层复合涂层，工艺简单，加工效率高，有利于实际生产应用，所得模具成本较低，具有使用性能高，硬度较高，涂层结合度高，模具使用寿命长，降低生产成本，提高产品竞争力，适宜做进一步推广应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
1）清洗：采用多功能全自动超声波清洗机对模具进行清洗，除去模具表面的油污与锈迹；
2）烘干：烘干后装入CVD涂层炉中待涂层，炉腔尺寸为Φ350×H1400mm；
3）模具升温：采用缓慢升温的方式由室温升至涂层所需温度900℃，用时4个半小时，升温过程中通入氢气（8000SCCM）和氮气（5000SCCM）作为保护气体，防止工件被氧化；
4）涂层：涂层结构为TiN+TiC+TiCN+TiC+TiCN+TiC+TiCN+TiN，总厚度为8μm，不同成分的涂层所需工艺参数如下：
①TiN：
沉积温度：900℃
沉积室压力：1.5×104Pa
沉积时间：120 min
各反应气体流量：主H2：11000SCCM，N2：8000SCCM
TiCl4加热温度：55℃
载气H2：7000SCCM
②TiC
沉积温度：1000℃
沉积室压力：1.5×104Pa
沉积时间：180min
各反应气体流量：主H2：9500SCCM，CH4：6000SCCM
TiCl4：加热温度：55℃
载气H2：5000 SCCM
③TiCN
沉积温度：1000℃
沉积室压力：1.5×104Pa
沉积时间：150 min
各反应气体流量：主H2：7500SCCM，CH4：3000SCCM
TiCl4加热温度：55℃
载气H2： 5000SCCM，N2：5000SCCM；
5）模具降温：当沉积工序结束后，就即可把加热炉从沉积室上移开，通入以下气体进行保护：主H2：5000SCCM，Ar：6500SCCM，沉积室压力：1.5×104Pa，冷却至700℃以下，停止通Ar，关闭真空泵，系统恢复常压。冷至150℃以下，即可打开沉积室，取出涂层好的模具；
6）淬火；
7）抛光。
该实施例的涂层的显微硬度为2750Hv，涂层与模具结合强度为70N，与未涂层的模具相比，使用寿命提高了3倍以上。
实施例2
1）清洗：采用多功能全自动超声波清洗机对模具进行清洗，除去模具表面的油污与锈迹；
2）烘干：烘干后装入PVD涂层炉中待涂层，炉腔尺寸为Φ350×H1400mm；
3）模具升温：采用缓慢升温的方式由室温升至涂层所需温度400℃，用时2个小时，升温过程中通入氢气（8000SCCM）和氮气（5000SCCM）作为保护气体，防止工件被氧化；
4）涂层：涂层结构为CrN+TiC+TiAlN+TiC+TiAlN+TiC+TiAlN+CrN，总厚度为6μm，不同成分的涂层所需工艺参数如下：
①CrN：
沉积温度：400℃
沉积室压力：1×10-3Pa
沉积时间：80 min
各反应气体流量：主H2：8000SCCM，N2：6000SCCM
TiCl4加热温度：45℃
载气H2：5000SCCM
②TiC
沉积温度：600℃
沉积室压力：1×10-3Pa
沉积时间：60min
各反应气体流量：主H2：7000SCCM，CH4：4000SCCM
TiCl4：加热温度：45℃
载气H2：4000 SCCM
③TiAlN
沉积温度：500℃
沉积室压力：1×10-3Pa
沉积时间：100 min
各反应气体流量：主H2：5000SCCM，CH4：2000SCCM
TiCl4加热温度：45℃
载气H2： 4000SCCM，N2：4000SCCM；
5）模具降温：当沉积工序结束后，就即可把加热炉从沉积室上移开，通入以下气体进行保护：主H2：4000SCCM，Ar：5000SCCM，沉积室压力：1×10-3Pa，冷却至200℃以下，停止通Ar，关闭真空泵，系统恢复常压。冷至100℃以下，即可打开沉积室，取出涂层好的模具；
6）淬火；
7）抛光。
该实施例的涂层的显微硬度为2550Hv，涂层与模具结合强度为78N，与未涂层的模具相比，使用寿命提高了3倍以上。
实施例3
1）清洗：采用多功能全自动超声波清洗机对模具进行清洗，除去模具表面的油污与锈迹；
2）烘干：烘干后装入PCVD涂层炉中待涂层，炉腔尺寸为Φ350×H1400mm；
3）模具升温：采用缓慢升温的方式由室温升至涂层所需温度600℃，用时3个小时，升温过程中通入氢气（8000SCCM）和氮气（5000SCCM）作为保护气体，防止工件被氧化；
4）涂层：涂层结构为TiN+TiC+TiSiN+TiC+TiSiN+TiC+TiSiN+TiN，总厚度为6μm，不同成分的涂层所需工艺参数如下：
①TiN：
沉积温度：600℃
沉积室压力：3000Pa
沉积时间：90 min
各反应气体流量：主H2：13000SCCM，N2：10000SCCM
TiCl4加热温度：65℃
载气H2：9000SCCM
②TiC
沉积温度：400℃
沉积室压力：3000Pa
沉积时间：110min
各反应气体流量：主H2：12000SCCM，CH4：8000SCCM
TiCl4：加热温度：65℃
载气H2：6000 SCCM
③TiSiN
沉积温度：500℃
沉积室压力：3000Pa
沉积时间：130 min
各反应气体流量：主H2：10000SCCM，CH4：4000SCCM
TiCl4加热温度：65℃
载气H2： 6000SCCM，N2：6000SCCM；
5）模具降温：当沉积工序结束后，就即可把加热炉从沉积室上移开，通入以下气体进行保护：主H2：8000SCCM，Ar：8000SCCM，沉积室压力：3000Pa，冷却至300℃以下，停止通Ar，关闭真空泵，系统恢复常压。冷至100℃以下，即可打开沉积室，取出涂层好的模具；
6）淬火；
7）抛光。
该实施例的涂层的显微硬度为2650Hv，涂层与模具结合强度为75N，与未涂层的模具相比，使用寿命提高了3倍以上。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高冷镦模具寿命的PVD/CVD/PCVD涂层处理方法，其特征在于：所述处理方法包含以下步骤：
1）清洗；
2）烘干；
3）模具升温；
4）涂层：采用涂层设备在清洗烘干后的模具表面涂覆多层含Ti、Si、Al、Zr、Cr、B的硬质涂层；
5）模具降温；
6）淬火；
7）抛光。
2.如权利要求1所述的提高冷镦模具寿命的PVD/CVD/PCVD涂层处理方法，其特征在于，所述步骤1）中清洗为超声清洗。
3.如权利要求1所述的提高冷镦模具寿命的PVD/CVD/PCVD涂层处理方法，其特征在于，所述步骤3）中升温速率为2-4℃/min。
4.如权利要求1或3所述的提高冷镦模具寿命的PVD/CVD/PCVD涂层处理方法，其特征在于，所述步骤3）中模具处于氢气和氮气的混合气氛中。
5.如权利要求1所述的提高冷镦模具寿命的PVD/CVD/PCVD涂层处理方法，其特征在于，所述步骤4）中涂层设备采用PVD、CVD或PCVD涂层设备中的一种。
6.如权利要求1或5所述的提高冷镦模具寿命的PVD/CVD/PCVD涂层处理方法，其特征在于，PVD涂层的沉积温度为200-600℃，沉积压力1×10-5-1×10-2Pa，涂层厚度2-8μm，涂层为TiN、TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、TiSiN、TiAlSiN、CrAlN、AlCrSiN涂层中的几种叠加。
7.如权利要求1或5所述的提高冷镦模具寿命的PVD/CVD/PCVD涂层处理方法，其特征在于，CVD涂层的沉积温度为800-1050℃，沉积压力5000-1×105Pa，涂层厚度3-20μm，涂层为TiN、TiC、HT-TiCN、MT-TiCN、Al2O3、TiBN涂层中的几种叠加。
8.如权利要求1或5所述的提高冷镦模具寿命的PVD/CVD/PCVD涂层处理方法，其特征在于，PCVD涂层的沉积温度为300-650℃，沉积压力200-5000Pa，涂层厚度2-8μm，涂层为TiN、TiC、TiCN、TiSiN、TiBN涂层中的几种叠加。
9.如权利要求1所述的提高冷镦模具寿命的PVD/CVD/PCVD涂层处理方法，其特征在于，所述步骤5）中模具先保持沉积压力不变，降温至沉积温度的一半，再恢复常压，降温至100℃以下。
10.如权利要求1所述的提高冷镦模具寿命的PVD/CVD/PCVD涂层处理方法，其特征在于，所述步骤5）中模具处于氢气和氩气的混合气氛中。
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