CN110904413A - 铝合金型材热挤压模具表面超硬涂层加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金型材热挤压模具表面超硬涂层加工方法，该方法将模具表面喷砂及清洗处理后，放入电弧离子镀设备内，矩形CrAl靶安置在炉体左内壁上，按原子百分比计，矩形CrAl靶中Cr 70at.％和Al 30at.％；圆形CrAlB靶安置在炉体右内壁上，按原子百分比计，圆形CrAlB靶中Cr 70at.％、Al 20at.％和B 10at.％，采用高纯N₂作为反应气体，使其离化并与Cr、Al、B元素结合，在模具表面沉积形成CrAlNB超硬涂层。本发明采用了绿色环保的真空电弧离子镀膜工艺，制备了一种新型耐磨损、抗氧化的多元超硬涂层，并首次应用于铝合金型材热挤压模具表面强化，解决了此类模具长期以来采用传统气体氮化表面处理效果不佳的技术难题。

Description

铝合金型材热挤压模具表面超硬涂层加工方法

技术领域

本发明属于真空气相沉积制备超硬涂层技术领域，具体涉及一种铝合金型材热挤压模具表面超硬涂层加工方法。

背景技术

铝合金型材加工是将铝合金铸锭在400-500℃温度下，通过热挤压模具以0.5-100mm/min的挤压速度加工成各种尺寸和规格的成型工艺。热挤压成型技术作为一种先进的铝合金精密成形工艺，适应了现代制造业中产品复杂化、精密化、轻量化、节能化、绿色化的要求，应用领域不断拓宽。随着挤压设备和工艺水平不断提高，铝合金型材产品的应用范围也不断扩大，特别是在建筑、装饰、电子通讯，以及高铁、汽车等领域的应用越来越广。

铝合金型材成型质量影响因数多，但热挤压模具是最为关键因素，如使用不当，铝合金型材表面会有划伤、变色、气孔，甚至弯曲变形等缺陷；模具表面也经常会出现粘膜、磨损以及热疲劳破坏等。不仅模具维修周次增加，使用寿命也大幅下降。所以，长期以来研究者一直非常关注热挤压模具设计、材料选择及热处理工艺优化研究等。但起今为止，现有技术还难以满足挤压模具使用的长寿命要求，迫切需要开发提高模具寿命的新技术。

研究发现，热挤压模具使用过程中的失效主要来源于模具表面的磨损、变形和热疲劳破坏等。传统的方法是采用气体渗氮工艺提高模具的表面耐磨性能和使用寿命，虽然工业界一直使用表面渗氮强化工艺，但模具使用效果仍然不能满足生产要求，只能定期停机维护模具，重复进行氮化处理或更换新模具。真空气相沉积超硬涂层技术是比气体渗氮更先进的表面强化工艺，自二十世纪八十年代开始已在金属切削刀具领域得到广泛应用，其涂层类型包括，二元的TiN、TiC、CrN涂层，三元的TiCN、TiSiN、TiAlN、CrAlN涂层，以及多元的TiAlSiN、CrAlSiN涂层，或者多元多层的超硬涂层等，它们具有高硬度、耐磨损、抗氧化及抗腐蚀等优异性能。根据刀具使用要求，可以涂覆不同类型的超硬涂层，均能取得较好应用效果。然而，模具表面超硬涂层处理技术发展一直很缓慢，尤其是热挤压模具工作环境复杂，涂层技术研发难度较大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种铝合金型材热挤压模具表面超硬涂层加工方法，克服合金型材热挤压模具表面的粘膜、磨损以及热疲劳失效难题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种铝合金型材热挤压模具表面超硬涂层加工方法，该方法的沉积方式为真空电弧离子镀沉积方法，采用N₂作为反应气体，使用CrAl靶和CrAlB靶在铝合金型材热挤压模具表面依次沉积CrAl底层和CrAlNB涂层。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，该方法将模具表面喷砂及清洗预处理后，进行等离子体刻蚀；

通过矩形CrAl靶的弧电源电流控制矩形CrAl靶的蒸发率，在模具表面制备CrAl底层；按原子百分比计，所述矩形CrAl靶中Cr 70at.％和Al 30at.％；

通过调整CrAlB靶的电源电流控制圆形CrAlB靶的蒸发率；按原子百分比计，所述圆形CrAlB靶中Cr 70at.％、Al 20at.％和B10at.％，采用N₂作为反应气体，使其离化并与Cr、Al、B元素结合，在模具的CrAl底层上沉积形成CrAlNB涂层。

具体的，该方法的工艺条件为：

(1)等离子体刻蚀：

将预处理后的模具装入电弧离子镀膜设备的真空室，抽真空并加热到500℃，保温120分钟，镀膜前，通入30ml/min的Ar到真空室，当真空室气压达到5Pa时，开偏压至-1000V对真空室的模具表面进行轰击刻蚀和除气处理，持续100分钟；

(2)CrAl底层制备：

模具刻蚀和除气完成后，调节Ar流量到50ml/min，将真空室气压调至0.5Pa，打开矩形CrAl靶电弧电源，弧电流150A，调整偏压到-300V，持续15分钟，在模具表面制备CrAl底层；

(3)CrAlNB涂层制备：

CrAl底层制备完成后，将偏压调整为-120V，将Ar流量关闭；打开N₂开关，调整N₂流量使真空室气压为2.0Pa，将矩形CrAl靶关闭，将圆形CrAlB靶打开，电流为140A，在CrAl底层上制备CrAlNB涂层，持续240分钟，沉积形成厚度为6-7μm的CrAlNB涂层。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明的铝合金型材热挤压模具表面超硬涂层的加工方法，采用了绿色环保的真空电弧离子镀膜工艺，制备了一种新型耐磨损、抗氧化的多元超硬涂层，并首次应用于铝合金型材热挤压模具表面强化，解决了此类模具长期以来采用传统气体氮化表面处理效果不佳的技术难题。

附图说明

图1为电弧离子镀膜设备结构示意图。

图中的标记分别表示：1、电源偏压，2、转台架，3、真空室，4、转架杆，5、矩形CrAl靶，6、永磁体，7、8、9分别是圆形CrAlB靶，10、加热器，11、泵组。

具体实施方式

真空气相沉积多元CrAlNB超硬涂层是近年来刚刚诞生的一种新型超硬涂层材料，它的主要性能是膜层硬度HV3500，摩擦系数0.25，抗氧化温度1000℃，而且膜层表面光滑致密。从理论分析看，多元CrAlNB超硬涂层应该能有效解决铝合金型材热挤压模具表面的粘膜、磨损以及热疲劳失效难题，从而提高模具的使用寿命。本发明提供一种铝合金型材热挤压模具表面超硬涂层加工方法，该方法将模具表面喷砂及清洗处理后放入电弧离子镀设备内进行CrAlNB涂层加工，其中，矩形CrAl靶用于制备底层，矩形靶安置在炉体左内壁上，通过矩形靶电弧电源的电流控制CrAl靶的蒸发率，在模具表面制备CrAl底层；圆形CrAlB靶用于制备CrAlNB超硬涂层，圆形CrAlB靶共三个，以均布的方式安置在炉体右内壁上，通过圆形CrAlB靶电弧电源的电流控制CrAlB靶的蒸发率；采用高纯N₂作为反应气体，使其离化并与Cr、Al、B元素结合，在CrAl底层上沉积形成CrAlNB超硬涂层。

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1：

本实施例采用真空电弧离子镀沉积超硬涂层的工艺方法，给出一种在H13材料制作的铝合金型材热挤压模具表面加工CrAlNB超硬涂层的工艺方法。需要说明的是，本发明的方法加工的超硬涂层，可以在任何类似于H13材料制作的任何类型热挤压模具上进行，并不限于该实施例。该方法将模具表面喷砂及清洗处理后，放入电弧离子镀设备内，矩形CrAl靶安置在炉体左内壁上，其中Cr、Al元素的原子成分比例为Cr/Al＝70/30，即按原子百分比计，矩形CrAl靶中：Cr 70at.％和Al 30at.％；圆形CrAlB靶安置在炉体右内壁上，其中Cr、Al、B元素的原子成分比例为Cr/Al/B＝70/20/10，即按原子百分比计，圆形CrAlB靶中Cr70at.％、Al 20at.％和B10at.％，采用高纯N₂作为反应气体，使其离化并与Cr、Al、B元素结合，在模具表面沉积形成CrAlNB超硬涂层。

本实施例的具体工艺过程是：

1)将经1100℃淬火+550℃三次回火后硬度为HRC＝50的H13材料制作的热挤压模具(模具尺寸：Φ150×60mm)，经表面除油、喷砂后进行超声波清洗液清洗后，烘箱内100℃、3小时烘干。

2)将预处理好的模具放入电弧离子镀膜设备中。电弧离子镀膜设备如图1所示，电弧离子镀膜设备至少包括外加电源偏压1、转台架2、真空室3、转架杆4、矩形靶5、永磁体6、圆形靶(7、8、9)，加热器10、泵组11。模具固定于转架杆4上，转架杆4可以随转台架2转动。

3)采用840×140×10mm的矩形CrAl靶5制备CrAl底层，通过矩形靶5的弧电源电流控制CrAl靶5的蒸发率，在模具表面制备一层CrAl底层；采用直径尺寸为160mm的圆形CrAlB靶(7、8、9)制备CrAlNB涂层，如图1所示，三个圆形CrAlB靶以均布的方式安置在炉体右内壁上，并通过调整CrAlB靶的电源电流，控制CrAlB靶的蒸发率，采用高纯N₂作为反应气体，使其离化并与Cr、Al、B元素结合，在模具的CrAl底层上沉积形成CrAlNB涂层。

4)涂层优化工艺条件为：

(1)等离子体刻蚀

将预处理后的模具装入电弧离子镀膜真空室，抽真空并加热到500℃，保温120分钟，镀膜前，通入30ml/min的Ar到真空室，当真空室气压达到5Pa时，开偏压至-1000V对真空室的样品表面进行轰击刻蚀和除气处理，持续100分钟。

(2)CrAl底层制备

模具刻蚀和除气完成后，调节Ar流量到50ml/min，将真空室气压调至0.5Pa，打开矩形CrAl靶电弧电源，弧电流150A，调整偏压到-300V，持续15分钟，在模具表面制备CrAl底层。

(3)CrAlNB涂层制备

CrAl底层制备完成后，将偏压调整为-120V，将Ar流量关闭。打开N₂开关，调整N₂流量使真空室气压为2.0Pa，将矩形CrAl靶关闭，将圆形CrAlB靶打开，电流为140A，在CrAl底层上制备CrAlNB涂层，持续240分钟，沉积形成厚度为6-7μm的CrAlNB涂层。

将经过本实施例处理的热挤压模具，用于6063铝合金铸锭(Al-Mg-Si系)的挤压成型。对比测试结果表明：没有经过涂层涂覆的模具，当挤压2-3吨铝合金铸锭后，模具表面局部会出现粘模、磨损等破坏，而且挤压出的铝合金型材表面光洁度较差，需要停机维护模具并进行氮化处理；使用本实施例加工涂层后，模具可一次性挤压10-12吨铝合金铸锭，不但模具使用寿命提高3倍以上，而且挤压出的铝合金型材表面光洁度显著改善，期间也不用停机对模具进行维护和氮化处理，生产成本降低30％以上，生产效率也大幅提高。表明本实施例设计开发的新型多元CrAlNB超硬涂层在铝合金型材热挤压模具表面强化上有良好效果和广泛应用前景。

Claims (3)

1.一种铝合金型材热挤压模具表面超硬涂层加工方法，其特征在于，该方法的沉积方式为真空电弧离子镀沉积方法，采用N₂作为反应气体，使用CrAl靶和CrAlB靶在铝合金型材热挤压模具表面依次沉积CrAl底层和CrAlNB涂层。

2.一种铝合金型材热挤压模具表面超硬涂层加工方法，其特征在于，该方法将模具表面喷砂及清洗预处理后，进行等离子体刻蚀；

通过矩形CrAl靶的弧电源电流控制矩形CrAl靶的蒸发率，在模具表面制备CrAl底层；按原子百分比计，所述矩形CrAl靶中Cr 70at.％和Al 30at.％；

通过调整CrAlB靶的电源电流控制圆形CrAlB靶的蒸发率；按原子百分比计，所述圆形CrAlB靶中Cr 70at.％、Al 20at.％和B10at.％，采用N₂作为反应气体，使其离化并与Cr、Al、B元素结合，在模具的CrAl底层上沉积形成CrAlNB涂层。

3.如权利要求2所述的铝合金型材热挤压模具表面超硬涂层加工方法，其特征在于，该方法的工艺条件为：

(1)等离子体刻蚀：

将预处理后的模具装入电弧离子镀膜设备的真空室，抽真空并加热到500℃，保温120分钟，镀膜前，通入30ml/min的Ar到真空室，当真空室气压达到5Pa时，开偏压至-1000V对真空室的模具表面进行轰击刻蚀和除气处理，持续100分钟；

(2)CrAl底层制备：

模具刻蚀和除气完成后，调节Ar流量到50ml/min，将真空室气压调至0.5Pa，打开矩形CrAl靶电弧电源，弧电流150A，调整偏压到-300V，持续15分钟，在模具表面制备CrAl底层；

(3)CrAlNB涂层制备：

CrAl底层制备完成后，将偏压调整为-120V，将Ar流量关闭；打开N₂开关，调整N₂流量使真空室气压为2.0Pa，将矩形CrAl靶关闭，将圆形CrAlB靶打开，电流为140A，在CrAl底层上制备CrAlNB涂层，持续240分钟，沉积形成厚度为6-7μm的CrAlNB涂层。

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