CN109943871B - 压铸模具的表面涂层及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压铸模具的表面涂层及制备方法，其特征在于涂层为复合涂层，由模具钢基体至外依次为过渡结合层、电镀层以及陶瓷保护层；对模具钢基体进行电镀，形成电镀层；对电镀层进行电弧冲击，致使电镀层和与模具钢基体元素互扩散，发生冶金结合，形成过渡结合层；陶瓷保护层为压铸过程中所述的电镀层的外表面金属元素在原位氧化所形成。本发明解决了电镀技术涂层与模具钢基体的结合力不好的问题，可实现模具电镀技术涂层产业化，有效延长模具的使用寿命，降低模具表面强化成本，克服复杂结构模具表面强化处理技术难题，实现可观的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种模具表面强化技术，尤其涉及一种压铸模具的表面涂层及制备方法。
背景技术
模具是工业之母，对于我国制造业由大变强具有重要的推动作用，而压铸技术作为铸造技术的重要组成，因其高效率、高质量的特点受到了越来越多铝合金汽车零部件制造业的青睐，如铝压铸汽车支架、铝压铸缸体等。在压铸过程中，模具表面长期经受周期性熔融铝液的热冲击、铝液压力以及脱模剂的冲刷作用。其中熔融铝液的热冲击对于模具表面损伤最为严重：第一，高温金属液体与模具材料之间发生冶金学的成分反应；第二，急速升温与冷却下模具产生巨大的热应力，这些热应力和压铸过程中周期性的挤压与脱模带来的复杂交变应力使得模具表面产生累计损伤，形成热裂纹；第三，熔融金属液的热冲击带来模具表面磨损。
减少模具磨损以及热疲劳，延长模具的使用寿命是现阶段模具产业制造发展亟需解决的关键问题，其将解决必要的生产需求，带来可观的经济效益。要减少模具磨损以及热疲劳就需增强模具的热硬性，提高模具的抗疲劳能力。为此，模具材料从最初的3Cr 系列钢升级到如今的H13系列钢材，但寿命提高的同时，模具的制作成本也大幅度提升。
依据模具损伤的主要形态与原因，想要提升模具的使用寿命，需要着重关注模具在高温下的耐磨耐蚀性能。通过模具表面强化技术对模具的工作表面进行改性，从而获得具有高硬度、优异耐温性能的模具，并且模具表面强化技术不改变模具基体的力学性能，因此被认为是延长模具使用寿命的最为有效手段之一。
模具表面强化技术主要包含化学处理以及表面涂层两类：化学处理常用的有渗碳、渗氮、渗硼；表面涂层主要包含电火花沉积、PVD、CVD以及TD处理。其中化学处理，特别是渗硼技术、表面硼化物、碳化硼，表面硬度高，高温下稳定性优，具有优良的耐热、耐蚀、耐磨性能。但由于化学处理温度高于金属相变点，导致基体发生热处理而使组织性能发生改变，化学处理技术在模具表面强化技术中的使用受到限制。另外CVD 制备这一表面涂层也存在类似问题而被限制使用。
PVD处理技术以及电火花表沉积技术成为延长模具使用寿命的主要模具表面强化技术。这两类涂层具有很好的结合力，且成分可精确调节，特别是PVD处理技术，如氮化物陶瓷，因其显著的优点被广泛地研究和应用。其沉积过程中离子分布均匀，涂层厚度均匀，具有十分优良的热稳定性以及较高的硬度，甚至通过复合技术可以进一步解决压铸过程中的热粘接问题，能够满足压铸过程中的性能要求。例如专利 CN201721577634.9《一种具有PVD涂层的注塑模具》中采用PVD处理技术对模具表面进行涂层强化提升模具寿命。但是该技术存在弊端，即涂层厚度不够，沉积成本较高，不能进行深孔加工，这些问题在一定程度限制PVD处理技术在模具表面强化技术上的使用。
与以上几个技术相比，电镀技术涂层具有成分多变可控、厚度均匀、成本低、适用于复杂结构模具的特点，但因其与模具基体的结合力不好，在现阶段不被模具表面强化的领域应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种与模具基体的结合力良好的，耐磨、耐温的压铸模具的表面涂层，进一步地提供一种工艺简单、成本低廉的压铸模具的表面涂层的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：压铸模具的表面涂层，该涂层为复合涂层，其特征在于包括依次附着在模具钢基体以外的过渡结合层、电镀层以及陶瓷保护层，所述的电镀层为电镀制备形成，所述的过渡结合层为对所述的电镀层进行电弧冲击致使所述的电镀层和与所述的模具钢基体发生冶金结合而形成，所述的陶瓷保护层为压铸过程中所述的电镀层的外表面金属元素在原位氧化所形成。
本发明的进一步优化方案是：所述的压铸模具的表面涂层，其特征在于所述的过渡结合层为Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层，所述的电镀层为Cr-Ni合金电镀层，所述的陶瓷保护层为Cr2O3陶瓷保护层。
本发明的进一步优化方案是：所述的压铸模具的表面涂层，其特征在于所述的模具钢基体材料为3Cr或H13系列钢。
本发明的进一步优化方案是：所述的压铸模具的表面涂层，其特征在于所述的电镀层Cr含量为20-40at.％。
本发明的进一步优化方案是：所述的压铸模具的表面涂层，其特征在于所述的电镀层的厚度大于30μm。
所述的压铸模具的表面涂层的制备方法，其特征在于包括如下具体步骤：
步骤一：将模具的模具钢基体表面进行机械加工并抛光，之后采用蒸馏水清洗，然后除油、酸洗，再用蒸馏水进行超声波清洗并干燥；
步骤二：将步骤一所得的模具置于镀液当中，设定沉积温度，在模具钢基体表面电镀上电镀层；
步骤三：对步骤二所得的模具的电镀层进行表面清洗；
步骤四：对步骤三所得的模具的电镀层进行表面电弧冲击，致使所述的电镀层和与所述的模具钢基体发生冶金结合而形成过渡结合层；
步骤五：使用步骤四所得的模具，压铸过程中，压铸使用的金属液体接触涂层的表面，电镀层外层在原位氧化所形成陶瓷保护层。
本发明的进一步优化方案是：所述的压铸模具的表面涂层的制备方法，其特征在于所述的镀液为柠檬酸铵、尿素、Cr3.6H2O、NiSO4.6H2O、NH4Br、H3BO3、抗坏血酸、十二烷基硫酸钠和去离子水，镀液pH值为3-4.5。
本发明的进一步优化方案是：所述的压铸模具的表面涂层的制备方法，其特征在于所述的沉积温度为30-60℃。
本发明的进一步优化方案是：所述的压铸模具的表面涂层的制备方法，其特征在于所述的电弧冲击的工艺条件为：电弧电极为钨极，脉冲电流为40-120A，占空比50-80％，工作保护气体为氩气，电弧与表面间距为0.2-1.0mm。
本发明的进一步优化方案是：所述的压铸模具的表面涂层的制备方法，其特征在于步骤一中模具钢基体表面进行机械加工并抛光后表面粗糙度不大于0.5。
与现有技术相比，本发明采用了利用电弧冲击电镀层，致使电极与模具之间形成放电现象，促使模具钢基体表面快速升温，电弧所作用处涂层与模具钢基体结合处快速重熔，两者元素互扩散，从而形成冶金结合，在电镀层和模具钢基体之间形成过渡结合层。解决了电镀技术涂层与模具钢基体的结合力不好的问题。本发明工艺简单，涂层厚度均匀，而且电镀技术和电弧技术受模具结构复杂程度限制小，可适用于复杂结构模具的表面处理。本发明中的陶瓷保护层为压铸过程中电镀层中金属元素原位氧化生成，该陶瓷保护层与电镀层的相容性良好，界面结合强度高，使复合涂层的稳定性、耐高温性能、耐腐蚀性能进一步提升。本发明的各涂层界面结合强度高，复合涂层的稳定性优良，整体性能比单一涂层性能更优，可实现模具电镀技术涂层产业化，有效延长模具的使用寿命，降低模具表面强化成本，克服复杂结构模具表面强化处理技术难题，实现可观的经济效益。
附图说明
以下将结合附图和优选实施例来对本发明进行进一步详细描述，但是本领域的技术人员将领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为对本发明范围的限制。此外，除非特别指出，附图仅示意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并可能包含夸张性显示，并且附图也并非一定按比例绘制。
图1为压铸模具的表面涂层结构示意图即本发明实施例一、二中模具用于压铸后表面涂层的结构示意图；
图2为本发明实施例一、二中模具电镀后其表面涂层的结构示意图；
图3为本发明实施例一、二中模具电弧冲击后表面涂层的结构示意图。
具体实施方式
以下将参考附图来详细描述本发明的优选实施例。本领域中的技术人员将领会的是，这些描述仅为描述性的、示例性的，并且不应被解释为限定了本发明的保护范围。
实施例一：
本实施例中，模具钢基体采用商用模具钢H13材料，如图1所示，对压铸模具表面涂层进行截面观察，由模具钢基体1至外依次为Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层2、Cr-Ni合金电镀层3、Cr2O3陶瓷保护层5。
Cr-Ni合金电镀层3为电镀制备形成，Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层2为对Cr-Ni合金电镀层3进行电弧冲击致使Cr-Ni合金电镀层3和与模具钢基体1的表面之间发生冶金结合而形成，Cr2O3陶瓷保护层5为压铸过程中Cr-Ni合金电镀层3的外表面Cr元素在原位氧化所形成。
压铸模具的表面涂层的制备方法如下：
步骤一、将商用模具钢H13钢材加工成为模具，作为模具钢基体，用金刚石砂纸将其表面逐级磨制到800#，再对其表面进行机械抛光，使模具钢基体的表面粗糙度不大于0.5，抛光后的模具钢基体采用蒸馏水清洗，然后除油、酸洗，处理表面氧化层，进一步用蒸馏水进行超声清洗并干燥。
在模具的制造过程中，合金钢的表面易于被加工粉尘、油污污染，同时其表面在空气作用下容易氧化甚至锈蚀，因此在电镀之前，对模具进行清洗，除油、除污和酸洗，能够去除表面的污染，增强涂层与模具钢基体的结合能力，同时保证模具表面的元素成分纯净。
步骤二、将步骤一所得的模具钢基体放入镀液中进行电镀，沉积温度为35℃；所用镀液成分为：柠檬酸铵、尿素、Cr3.6H2O、NiSO4.6H2O、NH4Br、H3BO3、抗坏血酸、十二烷基硫酸钠和去离子水，所用镀液PH值为3.0。电镀完成后在模具钢基体表面沉积有厚度为40μm的Cr-Ni合金电镀层，Cr含量为25at.％。
本实施例中采用的是二元Cr-Ni涂层，其中Ni具有很好的沉积效率，电阻和应力较低，但Ni硬度差，耐磨性能不佳，不适于用于磨损表面。而Cr具备高硬度、耐高温的特点，Cr-Ni合金化，使所述的涂层兼顾Ni和Cr特性。
本实施例中采用的pH值为3.0的镀液，合适pH值的镀液一方面保证了涂层的质量同时兼顾涂层的沉积速率；当pH值太小时，氢离子浓度高，使得涂层析氢反应剧烈，涂层的应力增大，导致涂层产生裂纹，因此增大pH值有助于降低涂层应力，另外，pH 值增大之后，涂层析氢反应减弱，电流的密度增大，金属沉积电能增加，沉积速率增大，同时pH值范围决定了Ni、Cr元素的含量。
基于涂层的沉积速率以及涂层的表面粗糙度考虑，本实施例中，Cr-Ni电镀层的沉积的温度为35℃。电镀的温度主要影响镀液里离子的扩散速度以及析氢反应程度。镀液的温度升高，促进镀液中离子的扩散、迁移，镀液极化减弱，提升涂层的沉积速率；但升高温度使氢的析出过电位降低，析氢反应加剧，阻碍合金共沉积过程，降低速率；另外镀液的温度升高，促进了离子的扩散，使得涂层内部的晶粒生长传质加快，单位时间内传质总量增多，因而会使得涂层表面的颗粒的粒径增大；反之，如果电镀的温度过低，涂层的沉积速度过慢，生产效率过低，不适于工业应用。因而要选择合适的温度，兼顾涂层的表面质量与生产的经济性要求。
步骤三、将步骤二所得的模具进行表面清洗。
步骤四、对步骤三所得的模具的表面逐一进行电弧冲击，电弧电极为钨极，脉冲电流为60A，占空比60％，工作保护气体为氩气，电弧与表面间距为0.5mm；致使的电镀层和与模具钢基体发生冶金结合而形成Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层。
电弧冲击技术通过电极与模具之间形成放电现象，能够实现表层区域快速升温，电弧所作用处涂层与模具钢基体结合处快速重熔，两者元素互扩散，在模具钢基体内部形成富Ni、Cr区域，而在界面靠近涂层一侧形成富Fe区域，Ni、Cr、Fe元素可发生固溶，使得电镀层与模具钢基体形成冶金结合，大幅提升涂层与模具钢基体之间的结合力。此外，电镀层的电弧冲击使得电镀层快速重熔再结晶，在原Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层上形成重熔细晶区，因为快速升降温，结晶层更为致密且晶粒更加细化，从而涂层的硬度进一步提升，孔隙率降低。因此，将电镀与电弧冲击技术结合，能够制备厚度均匀，成分可控，耐高温与耐磨损的模具表面保护涂层，提高模具的使用寿命。
本实施例中，电弧冲击采用脉冲电流，确保加热过程的能量不会太大，防止能量过大带来的应力剧增，同时脉冲的特点可以防止涂层因为剧烈电弧持续作用带来的大面积温升，使模具钢基体热影响区较小，保留模具钢基体原有的良好韧性与冲击性能，同时也保证涂层不会发生破裂与剥落。此外，电弧冲击在氩气保护作用下进行，利用电弧冲击在氩气保护作用下进行，保证涂层不发生严重氧化，实现保护涂层的硬度提升和耐磨性能增强。
此外，Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层的厚度取决于脉冲电流强度与占空比，本实施例中Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层的厚度为20μm。
步骤五、使用步骤四所得的模具压铸铝压铸件，压铸温度为700℃，使铝液接触模具钢基体的表面，使金属液频繁接触模具钢基体的表面，电镀层的外表面的Cr元素氧化，在原位氧化所形成致密的Cr2O3陶瓷保护层，该氧化物保护层，具有结构致密、耐高温，高硬度以及耐腐蚀特点。原位合成形成使其与电镀层的相容性良好，界面结合强度高，从而使复合涂层的稳定性、耐高温性能、耐腐蚀性能提升。Cr2O3陶瓷保护层取决于压铸时铝液温度，本实施例中Cr2O3陶瓷保护层厚度为1.2μm。
对上述各主要步骤所得的涂层的截面进行观察：
(一)如图2所示，步骤二结束后，商用模具钢基体1表面形成Cr-Ni合金电镀层3。
(二)如图3所示，步骤四结束后，商用模具钢基体1表面与Cr-Ni合金电镀层3 之间形成Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层2，在Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层2上形成重熔细晶区4。
(三)如图1所示，步骤五后，Cr-Ni合金电镀层3的表面原位合成Cr2O3陶瓷保护层5，涂层由商用模具钢基体1至外依次为Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层2、Cr-Ni合金电镀层3、Cr2O3陶瓷保护层5。
实施例二：
本实施例中，模具钢基体采用商用模具钢3Cr2W8V材料。如图1所示，对压铸模具表面涂层进行截面观察，由模具钢基体1至外依次为Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层2、 Cr-Ni合金电镀层3、Cr2O3陶瓷保护层5。
Cr-Ni合金电镀层3为电镀制备形成，Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层2为对Cr-Ni合金电镀层3进行电弧冲击致使Cr-Ni合金电镀层3和与模具钢基体1的表面之间发生冶金结合而形成，Cr2O3陶瓷保护层5为压铸过程中Cr-Ni合金电镀层3的外表面Cr元素在原位氧化所形成。
压铸模具的表面涂层的制备方法如下：
步骤一、将商用模具钢3Cr2W8V钢材加工成为模具，作为模具钢基体，用金刚石砂纸将其表面逐级磨制到1200#，再对其表面进行机械抛光，使模具钢基体的表面粗糙度不大于0.5，抛光后的模具钢基体采用蒸馏水清洗，然后除油、酸洗，处理表面氧化层，进一步用蒸馏水进行超声清洗并干燥。
步骤二、将步骤一所得的模具钢基体放入镀液中进行电镀，沉积温度为40℃；所用镀液成分为：柠檬酸铵、尿素、Cr3.6H2O、NiSO4.6H2O、NH4Br、H3BO3、抗坏血酸、十二烷基硫酸钠和去离子水，所用镀液PH值为4.0。电镀完成后在模具钢基体表面沉积有厚度为50μm的Cr-Ni合金电镀层，Cr含量为30at.％。
步骤三、将步骤二所得的模具进行表面清洗。
步骤四、对步骤三所得的模具的表面逐一进行电弧冲击，电弧电极为钨极，脉冲电流为80A，占空比60％，工作保护气体为氩气，电弧与表面间距为0.5mm；致使的电镀层和与模具钢基体发生冶金结合而形成Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层。
本实施例中Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层的厚度为10μm。
步骤五、使用步骤四所得的模具压铸铝压铸件，压铸温度为680℃，使铝液接触模具钢基体的表面，使金属液频繁接触模具钢基体的表面，电镀层的外表面的Cr元素氧化，在原位氧化所形成致密的Cr2O3陶瓷保护层。Cr2O3陶瓷保护层取决于压铸时铝液温度，本实施例中Cr2O3陶瓷保护层厚度为0.8μm。
对上述各主要步骤所得的涂层的截面进行观察：
(一)如图2所示，步骤二结束后，商用模具钢基体1表面形成Cr-Ni合金电镀层3。
(二)如图3所示，步骤四结束后，商用模具钢基体1表面与Cr-Ni合金电镀层3 之间形成Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层2，在Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层2上形成重熔细晶区4。
(三)如图1所示，步骤五后，Cr-Ni合金电镀层3的表面原位合成Cr2O3陶瓷保护层5，涂层由商用模具钢基体1至外依次为Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层2、Cr-Ni合金电镀层3、Cr2O3陶瓷保护层5。
以上对本发明所提供的压铸模具的表面涂层及制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.压铸模具的表面涂层，该涂层为复合涂层，其特征在于包括依次附着在模具钢基体以外的过渡结合层、电镀层以及陶瓷保护层，所述的电镀层为电镀制备形成，所述的过渡结合层为对所述的电镀层进行电弧冲击致使所述的电镀层和与所述的模具钢基体发生冶金结合而形成，所述的陶瓷保护层为压铸过程中所述的电镀层的外表面金属元素在原位氧化所形成；所述的过渡结合层为Fe-Ni-Cr合金的过渡结合层，所述的电镀层为Cr-Ni合金电镀层，所述的陶瓷保护层为Cr2O3陶瓷保护层；所述的模具钢基体材料为3Cr或H13系列钢；所述的电镀层的Cr含量为20-40at.％；所述的电镀层的厚度大于30μm。
2.如权利要求1所述的压铸模具的表面涂层的制备方法，其特征在于包括如下具体步骤：
步骤一：将模具的模具钢基体表面进行机械加工并抛光，之后采用蒸馏水清洗，然后除油、酸洗，再用蒸馏水进行超声波清洗并干燥；
步骤二：将步骤一所得的模具置于镀液当中，设定沉积温度，在模具钢基体表面电镀上电镀层；
步骤三：对步骤二所得的模具的电镀层进行表面清洗；
步骤四：对步骤三所得的模具的电镀层进行表面电弧冲击，致使所述的电镀层和与所述的模具钢基体发生冶金结合而形成过渡结合层；
步骤五：使用步骤四所得的模具，压铸过程中，压铸使用的金属液体接触涂层的表面，电镀层的外表面金属元素在原位氧化所形成陶瓷保护层。
3.根据权利要求2所述的压铸模具的表面涂层的制备方法，其特征在于所述的沉积温度为30-60℃。
4.根据权利要求2所述的压铸模具的表面涂层的制备方法，其特征在于所述的电弧冲击的工艺条件为：电弧电极为钨极，脉冲电流为40-120A，占空比50-80％，工作保护气体为氩气，电弧与表面间距为0.2-1.0mm。
5.如权利要求4所述的压铸模具的表面涂层的制备方法，其特征在于步骤一中模具钢基体表面进行机械加工并抛光后表面粗糙度不大于0.5。
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