专利名称：冷锻模型面硬质覆膜强化处理方法
技术领域：
本发明涉及一种冷锻模型面表面硬化处理方法。
背景技术：
冷锻模(冷辗扩模、冷摆辗模及冷镦模等)与一般锻模比较，形状和尺寸精度要求很高。由于模具型腔基本按照成品尺寸设计制造，尺寸狭窄，过渡陡然，在使用过程中，型腔表面(型面)承受剧烈的冲击载荷和很高的拉压应力，磨损严重，开裂、崩角现象普遍。冷锻模常采用高碳高铬钢或高速钢制造，材料合金含量很高，组织中的碳化物粗大、网状且分布不均匀。热处理工艺对细化碳化物和奥氏体晶粒有一定作用，能够使冷锻模具有高强韧性，而型面硬度则难以满足使用要求，模具的耐磨损性能不足。冷锻模具的失效大多从形腔表面开始，模具型面强度及硬度直接影响模具使用寿命。表面工程技术能够使模具型面具有高强度及高硬度，从而提高了耐磨损性能。
表面工程应用于冷锻模型面处理的主要工艺方法有热扩渗、表面淬火、表面形变强化、热喷涂以及高能束表面改性技术等，但目前应用上述方法仍存在硬度不足、力学性能不均匀、与基材的界面结合不稳定、结合强度低及耐磨损性能不高等缺点。
发明内容
针对高碳高铬钢、高速钢冷锻模的常规热处理存在型面硬度不高、耐磨损性差的缺陷，本发明的目的在于提供一种冷锻模使用寿命长的冷锻模型面硬质覆膜强化处理方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是冷锻模型面硬质覆膜强化处理方法，其特征是在冷锻模具型面进行物理气相沉积离子镀膜制备TiN或TiC超硬质覆膜，包括如下步骤1)、镀前处理；2)、装件将清洗干净的冷锻模具放入镀膜室；3)、抽真空；4)、烘烤冷锻模具及镀料钛加热，加热至350-550℃；5)、离子轰击及沉积充入氩气后，引弧放电，再充入氮气或者CH4或C2H2，使蒸发原子部分电离成离子，同时产生大量高能中性粒子沉积于模具型面形成TiN或TiC硬质覆膜；6)、冷却镀膜后的冷锻模具冷却室温；7)、取件将冷却后的冷锻模具取出，即得成品。
所述的冷锻模型面TiN或TiC超硬质覆膜厚度为3-5μm。
冷锻模型面采用离子镀膜制备TiN或TiC超硬质覆膜，具有以下优点(1)膜层与基材(冷锻模型面)结合力高，界面附着力强。高能量的离子能够打入基材，而且在与基材表面原子撞击时，还放出热，使膜层与基材间形成显微合金层，提高了结合强度。
(2)离子镀工艺绕射性好，均镀能力强。惰性气体原子在放电时撞击蒸气镀膜粒子，使之分散，提高其均镀能力。
(3)膜层高强高硬、致密，沉积速率快，镀前清洗工序简单、环保。
本发明采用在冷锻模具型面进行物理气相沉积离子镀膜的方法制备TiN或TiC超硬质覆膜，解决了冷辗扩、冷摆辗及冷镦等冷锻模因硬度不足、耐磨性较差的问题，使其在使用过程中在保持较高强度和韧性的同时，也具有很高的型面硬度及耐磨损性；模具心部通过热处理可以获得高强韧性，能够承受冲击载荷。由于对型面进行硬质覆膜强化处理使冷锻模材料的力学性能具有梯度，因而能够满足冷锻模使用要求，提高了使用寿命。本发明所提出的冷锻模型面离子镀制备TiN或TiC超硬质覆膜方法，本发明的产品与未覆膜冷锻模相比较，冷锻模的使用寿命提高3-5倍。
图1是本发明的基本工艺流程图具体实施方式
实施例1冷锻模型面硬质覆膜强化处理方法(空心阴极离子镀TiN膜)，其基本工艺流程如图1所示。具体步骤如下1)、镀前处理包括预处理和工件清洗。预处理是对冷锻模具型面进行磨抛加工，其型面粗糙度不大于0.5μm；工件清洗是对冷锻模具进行除污、除尘、除锈处理。
包括镀膜室清理和工件夹具的清洗、蒸发源安装及镀件装卡。真空室清理与工件夹具用吸尘器吸除粉尘，再用丙酮、无水乙醇擦洗。
2)、装件蒸发源的安装时应戴脱脂手套，蒸发源与电极应接触良好。装夹蒸发材料。工件装卡，一般要使用干净工具。手拿时，应戴脱脂手套。安装的镀件装卡要牢固。
3)、抽真空镀膜室抽真空时，扩散泵如果未加热，在第一次抽真空时，首先打开冷水阀，然后关闭管道阀，启动机械泵，打开真空室预抽阀，抽至6.7Pa以上的真空度。之后关闭预抽阀，开管道阀，将扩散泵前级的真空度抽至6.7Pa，接通扩散泵加热电源至扩散泵加热时间，再打开高阀，用扩散泵将真空室抽至基础真空度(本底真空度)。
4)、烘烤工件(即冷锻模具)加热至350-550℃。
5)、离子轰击及沉积冷锻模具加热后，接通空心阴极电子枪主电源、电子束聚焦电源，通过空心阴极钽管通入氩气，接通电子枪引燃电源。点燃空心阴极电子枪后，切断引燃电源，逐渐减少氩气通入量。控制真空度在1×10-1-4×10-2Pa，调整空心阴极电子枪功率至5-10kW(根据型面面积和形状复杂程度调整)。接通工件负偏压电源，电压控制在50-100V，通入氮气，氮气分压为1.6×10-1-8×10-2Pa，进行TiN沉积，时间60min。沉积结束后，切断空心阴极电子枪电源、聚焦电源、工件负偏压电源和烘烤加热电源，停止通氩气、氮气。
6)、冷却镀膜后的冷锻模具冷却室温。
7)、取件将冷却后的冷锻模具取出，即得成品。
TiN膜具有很高的硬度(HV2100以上)，耐磨性及耐蚀性很好，颜色金黄。
实施例2冷锻模型面硬质覆膜强化处理方法(活性反应离子镀TiN膜)，具体步骤如下1)、镀前处理包括预处理和工件清洗。预处理是对冷锻模具型面进行磨抛加工，其型面粗糙度不大于0.5μm；工件清洗是对冷锻模具进行除污、除尘、除锈处理。
包括镀膜室清理和工件夹具的清洗、蒸发源安装及镀件装卡。真空室清理与工件夹具用吸尘器吸除粉尘，再用丙酮、无水乙醇擦洗。
2)、装件蒸发源的安装时应戴脱脂手套，蒸发源与电极应接触良好。装夹蒸发材料。工件装卡，一般要使用干净工具。手拿时，应戴脱脂手套。安装的镀件装卡要牢固。
3)、抽真空镀膜室抽真空时，扩散泵如果未加热，在第一次抽真空时，首先打开冷水阀，然后关闭管道阀，启动机械泵，打开真空室预抽阀，抽至6.7Pa以上的真空度。之后关闭预抽阀，开管道阀，将扩散泵前级的真空度抽至6.7Pa，接通扩散泵加热电源至扩散泵加热时间，再打开高阀，用扩散泵将真空室抽至基础真空度(本底真空度)。
4)、烘烤工件(即冷锻模具)加热至350-500℃。
5)、离子轰击及沉积冷锻模具加热后，镀膜室充氩气4-4.7Pa，工件通1-5kV负偏压，使工件产生辉光放电，用氩离子轰击溅射以清洗工件15min。切断负偏压电源，关闭氩气，接通e型电子枪的灯丝高压和磁偏转电源，调整聚焦磁场和电子枪功率，将电子束打在坩埚中的钛块上，使钛蒸发并通入氮气，维持真空度在1×10-1-8×10-2Pa之间。接通探极电源，电压控制在95-105V左右。打开挡板，探极出现电流。调整、稳定电流，开始沉积TiN，沉积时间70min后，关闭挡板，关闭氮气，然后切断电子枪、探极和烘烤加热电源。
6)、冷却镀膜后的冷锻模具冷却室温。
7)、取件将冷却后的冷锻模具取出，即得成品。
实施例3冷锻模型面硬质覆膜强化处理方法(活性反应离子镀TiC膜)，与实施例2基本相同，沉积TiC膜的工艺程序与沉积TiN相同，只是通入反应的气体为CH4或C2H2。反应气体分压(4-7)×10-2Pa，工件温度350-500℃。
其离子轰击及沉积步骤为冷锻模具及镀料钛加热后，镀膜室充氩气4-4.7Pa，工件通2-5kV负偏压，使工件产生辉光放电，用氩离子轰击溅射以清洗工件15min。切断负偏压电源，关闭氩气，接通e型电子枪的灯丝高压和磁偏转电源，调整聚焦磁场和电子枪功率，将电子束打在坩埚中的钛块上，使钛蒸发并通入CH4或C2H2，维持镀膜室真空度在1×10-1-8×10-2Pa之间，CH4或C2H2气体分压(4-7)×10-2Pa。接通探极电源，电压控制在95-105V左右。打开挡板，探极出现电流。调整、稳定电流，开始沉积TiC，沉积时间80min后，关闭挡板，关闭CH4或C2H2，然后切断电子枪、探极和烘烤加热电源。
TiC膜的硬度更高(HV2800以上)，有极好的耐磨性，颜色为黑色或黑灰色。
实施例4冷锻模型面硬质覆膜强化处理方法(空心阴极离子镀TiC膜)，与实施例1基本相同，沉积TiC膜的工艺程序与沉积TiN相同，但反应气体使用CH4或C2H2。反应气体分压为(1-4)×10-2Pa，工件温度为350-500℃。
其离子轰击及沉积步骤为冷锻模具及镀料钛加热后，接通空心阴极电子枪主电源、电子束聚焦电源，通过空心阴极钽管通入氩气，接通电子枪引燃电源。点燃空心阴极电子枪后，切断引燃电源，逐渐减少氩气通入量。控制真空度在1×10-1-4×10-2Pa，调整空心阴极电子枪功率至5-10kW(根据型面面积和形状复杂程度调整)。接通工件负偏压电源，电压控制在50-100V，通入CH4或C2H2，CH4或C2H2气体分压为(1-4)×10-2Pa，进行TiN沉积，时间80min。沉积结束后，切断空心阴极电子枪电源、聚焦电源、工件负偏压电源和烘烤加热电源，停止通氩气、CH4或C2H2。
权利要求
1.冷锻模型面硬质覆膜强化处理方法，其特征是在冷锻模具型面进行物理气相沉积离子镀膜制备TiN或TiC超硬质覆膜，包括如下步骤1)、镀前处理；2)、装件将清洗干净的冷锻模具放入镀膜室；3)、抽真空；4)、烘烤冷锻模具及镀料钛加热，加热至350-550℃；5)、离子轰击及沉积充入氩气后，引弧放电，再充入氮气或者CH4或C2H2，使蒸发原子部分电离成离子，同时产生大量高能中性粒子沉积于模具型面形成TiN或TiC硬质覆膜；6)、冷却镀膜后的冷锻模具冷却室温；7)、取件将冷却后的冷锻模具取出，即得成品。
2.根据权利要求1所述的冷锻模型面硬质覆膜强化处理方法，其特征是所述的离子轰击及沉积为采用空心阴极离子镀TiN膜冷锻模具及镀料钛加热后，接通空心阴极电子枪主电源、电子束聚焦电源，通过空心阴极钽管通入氩气，接通电子枪引燃电源；点燃空心阴极电子枪后，切断引燃电源，逐渐减少氩气通入量；控制真空度在1×10-1-4×10-2Pa，调整空心阴极电子枪功率至5-10kW；接通工件负偏压电源，电压为50-100V，通入氮气，氮气分压为1.6×10-1-8×10-2Pa，进行TiN沉积，时间60min；沉积结束后，切断空心阴极电子枪电源、聚焦电源、工件负偏压电源和烘烤加热电源，停止通入氩气、氮气。
3.根据权利要求1所述的冷锻模型面硬质覆膜强化处理方法，其特征是所述的离子轰击及沉积为采用活性反应离子镀TiN膜冷锻模具及镀料钛加热后，镀膜室充氩气4-4.7Pa，工件通1-5kV负偏压，使工件产生辉光放电，用氩离子轰击溅射以清洗工件15min；切断负偏压电源，关闭氩气，接通e型电子枪的灯丝高压和磁偏转电源，调整聚焦磁场和电子枪功率，将电子束打在坩埚中的钛块上，使钛蒸发并通入氮气，维持真空度在1×10-1-8×10-2Pa之间；接通探极电源，电压控制在95-105V左右；打开挡板，探极出现电流；调整、稳定电流，开始沉积TiN，沉积时间70min后，关闭挡板，关闭氮气，然后切断电子枪、探极和烘烤加热电源。
4.根据权利要求1所述的冷锻模型面硬质覆膜强化处理方法，其特征是所述的离子轰击及沉积为采用活性反应离子镀TiC膜冷锻模具及镀料钛加热后，镀膜室充氩气4-4.7Pa，工件通2-5kV负偏压，使工件产生辉光放电，用氩离子轰击溅射以清洗工件15min；切断负偏压电源，关闭氩气，接通e型电子枪的灯丝高压和磁偏转电源，调整聚焦磁场和电子枪功率，将电子束打在坩埚中的钛块上，使钛蒸发并通入CH4或C2H2，维持镀膜室真空度在1×10-1-8×10-2Pa之间，CH4或C2H2气体分压4×10-2Pa-7×10-2Pa；接通探极电源，电压控制在95-105V左右；打开挡板，探极出现电流；调整、稳定电流，开始沉积TiC，沉积时间80min后，关闭挡板，关闭CH4或C2H2，然后切断电子枪、探极和烘烤加热电源。
5.根据权利要求1所述的冷锻模型面硬质覆膜强化处理方法，其特征是所述的离子轰击及沉积为采用空心阴极离子镀TiC膜冷锻模具及镀料钛加热后，接通空心阴极电子枪主电源、电子束聚焦电源，通过空心阴极钽管通入氩气，接通电子枪引燃电源；点燃空心阴极电子枪后，切断引燃电源，逐渐减少氩气通入量；控制真空度在1×10-1-4×10-2Pa，调整空心阴极电子枪功率至5-10kW；接通工件负偏压电源，电压控制在50-100V，通入CH4或C2H2，CH4或C2H2气体分压为1×10-2Pa-4×10-2Pa，进行TiN沉积，时间80min；沉积结束后，切断空心阴极电子枪电源、聚焦电源、工件负偏压电源和烘烤加热电源，停止通入氩气、CH4或C2H2。
6.根据权利要求1所述的冷锻模型面硬质覆膜强化处理方法，其特征是所述的冷锻模型面TiN或TiC超硬质覆膜厚度为3-5μm。
全文摘要
本发明涉及一种冷锻模型面处理方法。冷锻模型面硬质覆膜强化处理方法，其特征是在冷锻模具型面进行物理气相沉积离子镀膜制备TiN或TiC超硬质覆膜，包括如下步骤1)、镀前处理；2)、装件将清洗干净的冷锻模具放入镀膜室；3)、抽真空；4)、烘烤冷锻模具及镀料钛加热，加热至350－550℃；5)、离子轰击及沉积充入氩气后，引弧放电，再充入氮气或者CH
文档编号C23C14/06GK1651597SQ20051001821
公开日2005年8月10日 申请日期2005年1月28日 优先权日2005年1月28日
发明者华林, 余际星, 赵玉民, 毛华杰 申请人:武汉理工大学