专利名称：一种具有自润滑涂层的铁素体不锈钢冲压模具的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种金属模具的制备方法，更具体的说，涉及一种具有自润滑涂层的铁素体不锈钢冲压模具的制备方法。
背景技术：
模具广泛应用于冲压成型加工。对于冲压成型的模具一般需要具有以下性能(1)高温环境下，具有很好的钢性、耐机械冲击强度及高的硬度。(2)在反复以及快速加热冷却的热冲击下， 模具不产生裂纹或变形。(3)高温条件下，模具成型表面与成型金属不发生化学反应。(4)模具在高温条件下不会发生高温氧化现象。(5)加工性能好，易加工成高精度以及高表面光洁度的表面。传统的用于浇注高熔点金属或玻璃等物质的模具大多采用不锈钢或者镍基耐热合金钢作为模具材料，但是这种模具容易发生高温氧化，在反复的热循环作用下，材料的内部晶相结构发生改变，并且表面质量也变差，从而容易导致模具失效。为了解决上述问题，硬质的金属氧化物陶瓷颗粒以及超硬的合金被用于制造模具。但是由于所述的材料硬度非常高，很难加工成所需的特定形状。所以以超硬合金或者耐高温合金为模具基体，在其表面形成耐磨、耐高温腐蚀或具有其它特殊性能的涂层的复合结构模具成为行业发展的新方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有自润滑功能的铁素体不锈钢冲压模具的制备方法，该方法可以用来可提高铁素体不锈钢冲压模具的起模性能以及显著延长该模具的使用
寿命O为了实现上述目的，本发明首先提供了一种具有自润滑功能的铁素体不锈钢冲压模具的制备方法，其包括以下步骤(1)提供一种铁素体不锈钢冲压模具作为基底，对基底待处理的表面进行前处理；(2)施加一层中间过渡层，所述的中间层为FeCrAlY涂层；(3)施加一层阻挡层，所述的阻挡层为TiN或者TaN涂层；(4)施加具有自润滑功能的表面涂层，所述的自润滑功能的表面涂层包含BN。其中，在步骤(1)中所述的前处理步骤包括去除基底表面的油污和氧化层的步骤，其可以使用现有技术中公知的前处理工艺，例如使用碱洗、酸洗等，优选使用等离子蚀刻方法蚀刻掉表面的氧化层。其中，在步骤(2)中可以使用涂刷或者喷涂的方法形成FeCrAlY涂层，然后在保护气氛下退火形成中间过渡层。所述的喷涂方法可以选自火焰喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂、冷喷涂等方法；所述的FeCrAlY涂层中，Fe的质量分数为75_83. 5wt%,Cr的质量分数为8-15wt%，Al的质量分数为2. 5-7. 5衬％和余量的Y。其中所述的保护气氛退火是指真空退火或惰性气体退火或者还原气氛退火，所述的保护性气体可以选自由 N2, Ar、H2或者它们的任意组合所组成的组中。中间层的厚度为5um-100um，优选其厚度为 5um_20umo
其中，在步骤(3)中，可以使用涂刷、喷涂、热浸、固渗的方法形成阻挡层，阻挡层的厚度为10um-50um，优选其厚度为10um-25um。优选使用固渗的方法形成阻挡层，即首先在步骤(2)处理的表面通过粉末固体或者液体渗钛或钽，然后在含氮气氛中退火，形成TiN 或者TaN涂层。其中，在步骤(4)中，自润滑功能的表面涂层通过喷涂含氮化硼以及硼的粉末形成，其中所述的粉末中，含氮化硼45-78wt%，含硼22-55wt%。喷涂时，其工艺参数为工作电压25-40V ；喷涂距离为100-250mm ；空气压力为0. 5-0. 9MPa。自润滑涂层的厚度为 500um-5mm,优选其厚度为2mm-5mm0使用中间层可以防止基底层在高温浇铸过程发生高温氧化现象，另外也加强了基底与涂层之间的粘结强度，使用阻挡层防止了内部的金属层(基底层和FeCrAlY合金层) 经过扩散作用，其中的金属原子扩散至表面的自润滑功能涂层中，损害自润滑功能涂层的自润滑功能。通过本发明的方法制备的铁素体不锈钢冲压模具，具有FeCrAlY中间层、TiN或者 TaN阻挡层和含有硼的氮化硼涂层，由于基底与涂层之间彼此相邻设置且原子结构大致相近，因此，相邻的涂层不会因为原子缺陷等问题，产生内应力并造成涂层之间粘结性差的问题，通过本发明的涂层结构设计，中间层及阻挡层可以增加含有硼的氮化硼涂层与基底的之间的铁素体不锈钢冲压模具之间的粘结力。并且，本发明的自润滑涂层中，除了作为硬质相的氮化硼之外，还有特定数量的硼，可以降低表面涂层的内部应力及其摩擦系数。因此， 采用本申请所述结构的模具，可增加模具的使用寿命及其使用性能。
具体实施例方式以下将通过具体实施例对本发明的技术方案做出进一步的说明。申请人需要强调的是，以下实施例仅仅是为了详细说明发明的内容的需要，而不能认为是对本发明的限制。 本发明要求保护的范围，以权利要求书所限定的技术方案为准。实施例1步骤1提供一种铁素体不锈钢冲压模具作为基底，所述的铁素体不锈钢冲压模具使用的是一种铁素体不锈钢，其组成和含量为Cr :16wt%, Ti :0. 15wt%, Si 0. 5wt %, C 0. OlOwtNb :0. 5wt%,Cu 2. 5wt%;Al :1.余量的Fe以及不可避免的杂质。首先使用常规碱洗的手段去除基底表面的油污，然后使用等离子蚀刻的方法，蚀刻掉基底表面的氧化物，露出新鲜的基底合金层。步骤2涂刷由Fe、Cr、Al、Y粉末组成的金属粉末涂料，然后在真空气氛下，于600度退火 Ih形成FeCrAlY涂层；所述的FeCrAlY涂层中，Fe的质量分数为78. 5wt%，Cr的质量分数为10wt%，Al的质量分数为6. 2衬％和余量的Y。中间层的厚度为10um。
步骤3使用固渗的方法形成Ti层，然后在氮气气氛中，于300度退火处理25分钟形成 TiN阻挡层，阻挡层的厚度为10um。步骤4自润滑功能的表面涂层通过 喷涂含氮化硼以及硼的粉末形成，其中所述的粉末中，含氮化硼72wt%，含硼28wt%。喷涂时，其工艺参数为工作电压30V;喷涂距离为 150mm ；空气压力为O. 8MPa。自润滑涂层的厚度为2mm。实施例2步骤1提供一种铁素体不锈钢冲压模具作为基底，所述的铁素体不锈钢冲压模具使用的是一种铁素体不锈钢，其组成和含量为Cr :17wt%, Ti :0. IOwt Si 0. 80wt %, Nb 0. 60wt%,Cu 2. Owt% ；Al 0. 8衬％和余量的Ni以及不可避免的杂质。首先使用常规碱洗的手段去除基底表面的油污，然后使用等离子蚀刻的方法，蚀刻掉基底表面的氧化物，露出新鲜的基底合金层。步骤2喷涂由Fe、Cr、Al、Y粉末组成的金属粉末形成喷涂层，然后在真空气氛下，于500 度退火Ih形成FeCrAlY涂层；所述的FeCrAlY涂层中，Fe的质量分数为82. 5wt%, Cr的质量分数为12wt%，Al的质量分数为5. 5衬％和余量的Y。中间层的厚度为10um。步骤3使用固渗的方法形成Ta层，然后在氮气气氛中，于450度退火处理30分钟形成 TaN阻挡层，阻挡层的厚度为10um。步骤4自润滑功能的表面涂层通过喷涂含氮化硼以及硼的粉末形成，其中所述的粉末中，含氮化硼68wt%，含硼32wt%。喷涂时，其工艺参数为工作电压30V;喷涂距离为 180mm ；空气压力为O. 7MPa。自润滑涂层的厚度为3mm。实施例3步骤1提供一种铁素体不锈钢冲压模具作为基底，所述的铁素体不锈钢冲压模具使用的是一种铁素体不锈钢，其组成和含量为Cr :18wt%, Ti :0. 12wt%, Si 0. 75wt%、或C 0. 005wt%,Nb :0. 45wt%,Cu :1. 5wt% ；Al 0.余量的 Fe 以及不可避免的杂质。首先使用常规碱洗的手段去除基底表面的油污，然后使用等离子蚀刻的方法，蚀刻掉基底表面的氧化物，露出新鲜的基底合金层。步骤2电弧喷涂由Fe、Cr、Al、Y粉末组成的金属粉末涂料，然后在惰性气体气氛下，于 500度退火Ih形成FeCrAlY涂层；所述的FeCrAlY涂层中，Fe的质量分数为83. 5wt%,Cr 的质量分数为12wt%，Al的质量分数为3. 2衬％和余量的Y。中间层的厚度为20um。步骤3使用固渗的方法形成Ta层，然后在氮气气氛中，于450度退火处理30分钟形成 TaN阻挡层，阻挡层的厚度为20um。
步骤4自润滑功能的表面涂层通过喷涂含氮化硼以及硼的粉末形成，其中所述的粉末中，含氮化硼63wt%，含硼37wt%。喷涂时，其工艺参数为工作电压30V;喷涂距离为 180mm ；空气压力为0. 7MPa。自润滑涂层的厚度为5mm。在不背离本发明精神及其实质的情 况下，本领域的普通技术人员当可根据本发明的发明内容做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种具有自润滑功能的铁素体不锈钢冲压模具的制备方法，其包括以下步骤(1)提供一种铁素体不锈钢冲压模具作为基底，对基底待处理的表面进行前处理；(2)施加一层中间过渡层，所述的中间层为FeCrAlY涂层；(3)施加一层阻挡层，所述的阻挡层为TiN或者TaN涂层；(4)施加具有自润滑功能的表面涂层，所述的自润滑功能的表面涂层包含BN。
2.权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的FeCrAlY涂层中，Fe的质量分数为 75-83. 5wt%,Cr的质量分数为8_15wt%，Al的质量分数为2. 5-7. 5衬％和余量的Y。
3.权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述的前处理步骤包括去除基底表面的油污和去除氧化层的步骤。
4.权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于使用涂刷或者喷涂的方法形成 FeCrAlY涂层，然后在保护气氛下退火。
5.权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述的喷涂方法选自火焰喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂、冷喷涂中的任意一种。
6.权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述的保护气氛指真空、惰性气体或者还原气氛，相应的保护性气体选自由N2、Ar、H2或者它们的任意组合所组成的组中。
7.权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于使用涂刷、喷涂、热浸或固渗的方法形成阻挡层。
8.权利要求7所述的制备方法，其特征在于使用固渗的方法形成阻挡层，首先通过粉末固体或者液体渗钛或钽，然后在含氮气氛中退火，形成TiN或者TaN涂层。
9.权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于自润滑功能的表面涂层通过喷涂含氮化硼以及硼的粉末形成。
10.权利要求9所述的制备方法，其特征在于其中所述的粉末中，含氮化硼 45-78wt%，含硼22-55wt%。
全文摘要
本发明提供了，涉及一种具有自润滑涂层的铁素体不锈钢冲压模具的制备方法，其包括以下步骤提供一种铁素体不锈钢冲压模具作为基底，对基底待处理的表面进行前处理；施加一层中间过渡层，所述的中间层为FeCrAlY涂层；施加一层阻挡层，所述的阻挡层为TiN或者TaN涂层；施加具有自润滑功能的表面涂层，所述的自润滑功能的表面涂层包含BN。采用本申请所述结构的模具，可增加模具的使用寿命及其使用性能。
文档编号C23C24/04GK102330047SQ20111016161
公开日2012年1月25日 申请日期2011年6月16日 优先权日2011年6月16日
发明者郑霞 申请人:昆山市瑞捷精密模具有限公司