CN114875355B - 一种模具表面复合防护涂层的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属表面强化改性技术领域，尤其涉及一种模具表面复合防护涂层的制备工艺；本发明先对模具进行清洗及干燥处理，然后将清洗处理后的模具埋入由混合熔液中进行保温渗透处理，所得含镧有机物能有效地提高钨粉料的渗透性能及渗透速度；其与硼酸钠、氯化钠、氯化钾及氧化钇相互协同不仅能够有效地降低渗钨所需温度，还能有效地改善金属钨的渗透效率及渗透质量；再将处理后的模具置于气氛炉中对其进行除杂净化，而后对其进行熔渗处理，在其表面形成具有优良的耐磨性能及抗氧化性的复合涂层；最后对模具进行钽涂层沉积，改善模具硬度及韧性的同时，也减少了模具发生开裂的几率、改善模具的抗疲劳性能，提高其质量。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面强化改性技术领域，尤其涉及一种模具表面复合防护涂层的制备工艺。
背景技术
模具是制造业基本的工艺装备，模具生产出来的产品精度高、效率快、一致性好，而且能耗低，模具在制造业各个领域广泛应用，比如汽车、能源、机械、航空航天、国防工业等。不作任何处理的模具在应用时，很快就会出现崩裂、失效的情况，因此现在基本上都会对模具进行表面处理，主要有三大类：一是在模具表面进行渗层从而优化其性能；二是通过高能束表面处理来进行改善；三是表面涂层。其中渗层目前比较典型的有有离子渗氮、碳氮共渗等方法，以此来提升模具表面的韧性、强度以及耐磨性。
但是模具渗氮处理会使其产生催生相，其硬度以及强度提升的同时，模具也会发生开裂等情况，缩短了其使用寿命。而且渗氮处理后的模具本身的硬度及韧性也相对较差，需待进一步地改善。
发明内容
针对背景技术中所提出的技术问题，本发明提供了一种模具表面复合防护涂层的制备工艺，处理后的模具不仅具有优良的耐磨性能及抗氧化性能；也改善模具硬度及韧性，同时还减少了模具发生开裂的几率、改善模具的抗疲劳性能，提高了其品质。
技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种模具表面复合防护涂层的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、模具表面内部涂层的制备；
I、选取材质为H13，即4Cr5MoSiV1的模具，依次用清水、清洗液、无水乙醇对其表面进行清洗，然后将模具放入超声清洗设备中超声清洗30～40min，待清洗完毕后将模具取出，并用热风吹干；
II、将复配助渗剂在450～600℃的温度下脱水处理70～100min，并在870～980℃的温度下使之熔化；然后向复配助渗剂中加入适量的含钨粉料、还原剂及活化剂；混合均匀后，将模具埋入所得混合熔液中保温处理3～6h，待渗钨工序完毕后将模具取出，并将之浸泡在温度为50～60℃、浓度为4～7％的氢氧化钠溶液中20～40min，然后用清水对模具表面清洗干净并对之进行干燥处理；
III、将干燥后的模具置于气氛炉中，在流速为100～450mL/min的氨气气氛下，以8～12℃/min的速度将炉温升至900～1300℃，并在此温度下保温处理10～25h；待炉温冷却至室温后将模具取出，用超声波对其清洗5～10min后再对其进行烘干处理；
IV、将步骤III处理后的模具埋入改性剂中，然后将之一同转入加热炉，并在氮气氛的保护下以10～15℃/min的升温速度将炉温升至800～1400℃，并在此温度下保温处理8～24h；待保温处理结束后，将炉温自然冷却至室温；随后将模具取出并依次用去离子水及无水乙醇对其进行清洗，并用热风对其进行干燥处理；
步骤二、模具表面外部涂层的制备；
将步骤一处理后的模具置于真空室中，并向真空室中通入适量的氩气使室内的压强保持在0.2～0.6Pa的范围内；然后开启电源，并选用纯度高于99.96％的高纯钽靶作为靶材，对模具进行钽涂层沉积；待沉积结束后，关闭脉冲偏压电源和电弧源，停止氩气输入，关闭高真空阀门，待模具温度自然冷却至80℃以下，启动放气阀，打开真空室取出模具，即完成了对模具的处理。
更进一步地，所述步骤II中复配助渗剂由重量份分别为75～90份的硼酸钠、6～10份的氯化钠、4～8份的氯化钾、5～8份的氧化钇及8～15份的助渗剂复配制成。
更进一步地，所述助渗剂的制备方法为：
在惰性气体的保护下，按1.0～1.3mol/L的固液比将适量的氯化镧投入适量1，4-环氧丁烷中，然后边搅拌边向所得混合物中加入摩尔量为氯化镧2.5～3.5倍的有机钠盐，并在室温下搅拌反应25～30h；待反应完毕后，所得的生成物组分依次经离心分离及浓缩处理后得到助渗剂粗产品，然后再分别用乙氧基乙烷、正己烷对助渗剂粗产品清洗2～3次，后经真空浓缩处理后，即得助渗剂成品。
更进一步地，所述有机钠盐的制备方法包括以下步骤：
i、按1∶2～4的体积比，向反应设备中加入适量的环戊二烯及1，4-环氧丁烷，然后向反应设备中加入与环戊二烯等摩尔量的金属钠；在冰水浴状态下，边搅拌边向反应设备中加入与金属钠等摩尔量的溴代环戊烷，冰浴状态下搅拌反应50～70min；待反应完毕后，对生成物组分进行离心分离，所得滤液先经常压蒸馏回收1，4-环氧丁烷，然后在1.0～1.4kPa、63～66℃的条件下减压蒸馏并收集所得馏份；
ii、将步骤i所得馏分与1，4-环氧丁烷按照1∶4～6的体积比混合后，在干燥氮气的气氛下投入质量为1，4-环氧丁烷6～10％的金属钠，并在20～30℃的温度下反应20～30h，最终所得的固体物质即为有机钠盐成品。
更进一步地，所述步骤II中的钨粉料选用氧化钨、钨粉或钨铁粉，且其用量为复配助渗剂的8～16％。
更进一步地，所述步骤II中的还原剂选用铝粉、硅粉及钛粉中的任意一种，且其用量为复配助渗剂的5～9％。
更进一步地，所述步骤II中的活化剂选用氟化钠、氟化钾中的任意一种，且其用量为复配助渗剂的3～6％。
更进一步地，所述步骤IV中所用改性剂的制备方法为：将重量份为20～55的硅粉、3～7份的氟化钾及45～90份的氧化铝混合后球磨至混合原料的粒径为1～3μ m，然后在真空环境下，将其干燥处理后即得改性剂成品。
更进一步地，所述钽涂层沉积过程中，电弧源电流强度为180～250A，脉冲负偏压为250～360V，占空比为75～90％，沉积时间为30～60min。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明先对模具进行清洗及干燥处理，然后将清洗处理后的模具埋入由复配助渗剂、钨粉料、还原剂及活化剂组成的混合熔液中进行保温渗透处理。其中，本发明中以氯化镧及有机钠盐作为原料，两者在1，4-环氧丁烷中发生化学反应，最终制备出含镧有机物。所得含镧有机物能有效地提高钨粉料的渗透性能及渗透速度。其与硼酸钠、氯化钠、氯化钾及氧化钇相互协同不仅能够有效地降低渗钨所需温度，而且还能有效地改善金属钨的渗透效率及渗透质量。然后再将处理后的模具置于气氛炉中对其进行除杂净化，然后将净化后的模具埋入改性剂中，改性剂中的硅粉、氟化钾及氧化铝在高温条件下作用于模具的表面，形成具有优良的耐磨性能及抗氧化性的复合涂层，有效地改善了模具的品质。
2、将含有内部涂层的模具置于真空室中，并以高纯钽靶作为靶材，对模具进行钽涂层沉积，从而在模具的外表面沉积一层均匀且平整致密的钽涂层。有效地改善了模具的硬度及韧性，减少了模具发生开裂的几率，延长了模具的使用寿命，节约模具修磨次数，节约了生产成本。另外，其还能有效地改善模具的抗疲劳性能，提高其质量。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
一种模具表面复合防护涂层的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、模具表面内部涂层的制备；
I、选取材质为H13，即4Cr5MoSiV1的模具，依次用清水、清洗液、无水乙醇对其表面进行清洗，然后将模具放入超声清洗设备中超声清洗30min，待清洗完毕后将模具取出，并用热风吹干；
II、将复配助渗剂在450℃的温度下脱水处理70min，并在870℃的温度下使之熔化；然后向复配助渗剂中加入适量的含钨粉料、还原剂及活化剂；混合均匀后，将模具埋入所得混合熔液中保温处理3h，待渗钨工序完毕后将模具取出，并将之浸泡在温度为50℃、浓度为4％的氢氧化钠溶液中20min，然后用清水对模具表面清洗干净并对之进行干燥处理；
III、将干燥后的模具置于气氛炉中，在流速为100mL/min的氨气气氛下，以8℃/min的速度将炉温升至900℃，并在此温度下保温处理10h；待炉温冷却至室温后将模具取出，用超声波对其清洗5min后再对其进行烘干处理；
IV、将步骤III处理后的模具埋入改性剂中，然后将之一同转入加热炉，并在氮气氛的保护下以10℃/min的升温速度将炉温升至800℃，并在此温度下保温处理8h；待保温处理结束后，将炉温自然冷却至室温；随后将模具取出并依次用去离子水及无水乙醇对其进行清洗，并用热风对其进行干燥处理；
步骤二、模具表面外部涂层的制备；
将步骤一处理后的模具置于真空室中，并向真空室中通入适量的氩气使室内的压强保持在0.2Pa的范围内；然后开启电源，并选用纯度高于99.96％的高纯钽靶作为靶材，对模具进行钽涂层沉积；待沉积结束后，关闭脉冲偏压电源和电弧源，停止氩气输入，关闭高真空阀门，待模具温度自然冷却至80℃以下，启动放气阀，打开真空室取出模具，即完成了对模具的处理。
步骤II中复配助渗剂由重量份分别为75份的硼酸钠、6份的氯化钠、4份的氯化钾、5份的氧化钇及8份的助渗剂复配制成。
助渗剂的制备方法为：在惰性气体的保护下，按1.0mol/L的固液比将适量的氯化镧投入适量1，4-环氧丁烷中，然后边搅拌边向所得混合物中加入摩尔量为氯化镧2.5倍的有机钠盐，并在室温下搅拌反应25h；待反应完毕后，所得的生成物组分依次经离心分离及浓缩处理后得到助渗剂粗产品，然后再分别用乙氧基乙烷、正己烷对助渗剂粗产品清洗2次，后经真空浓缩处理后，即得助渗剂成品。
有机钠盐的制备方法包括以下步骤：
i、按1∶2的体积比，向反应设备中加入适量的环戊二烯及1，4-环氧丁烷，然后向反应设备中加入与环戊二烯等摩尔量的金属钠；在冰水浴状态下，边搅拌边向反应设备中加入与金属钠等摩尔量的溴代环戊烷，冰浴状态下搅拌反应50min；待反应完毕后，对生成物组分进行离心分离，所得滤液先经常压蒸馏回收1，4-环氧丁烷，然后在1.0kPa、63℃的条件下减压蒸馏并收集所得馏份；
ii、将步骤i所得馏分与1，4-环氧丁烷按照1∶4的体积比混合后，在干燥氮气的气氛下投入质量为1，4-环氧丁烷6％的金属钠，并在20℃的温度下反应20h，最终所得的固体物质即为有机钠盐成品。
步骤II中的钨粉料选用氧化钨粉，且其用量为复配助渗剂的8％。
步骤II中的还原剂选用铝粉，且其用量为复配助渗剂的5％。
步骤II中的活化剂选用氟化钠，且其用量为复配助渗剂的3％。
步骤IV中所用改性剂的制备方法为：将重量份为20的硅粉、3份的氟化钾及45份的氧化铝混合后球磨至混合原料的粒径为1μm，然后在真空环境下，将其干燥处理后即得改性剂成品。
钽涂层沉积过程中，电弧源电流强度为180A，脉冲负偏压为250V，占空比为75％，沉积时间为30min。
实施例2
本实施例与实施例1相比，区别在于：复配助渗剂中各组分的具体配比不同，具体为：75～90份的硼酸钠、6～10份的氯化钠、4～8份的氯化钾、5～8份的氧化钇及8～15份的助渗剂。
实施例3
本实施例与实施例1相比，区别在于：复配助渗剂中各组分的具体配比不同，具体为：75～90份的硼酸钠、6～10份的氯化钠、4～8份的氯化钾、5～8份的氧化钇及8～15份的助渗剂。
对比例1：仅采用传统工艺对模具进行渗氮处理(渗氮工艺采用专利申请号为CN201611231273.2的专利文件)；
对比例2：与实施例1不同之处在于：未对模具进行渗钨处理；
对比例3：与实施例1不同之处在于：未将模具埋入改性剂中进行熔渗处理；
对比例4：与实施例1不同之处在于：未对模具表面进行钽涂层沉积；
对比例5：与实施例1不同之处在于：渗钨过程中未使用助渗剂；
性能测试
分别将本发明中实施例1～3及对比例1～5提供的模具产品记作实验例1～3、对比例1～5，并分别对各组模具产品进行如下性能检测，并将所得数据记录于表1及表2：
表1：
表2：
注：1、耐磨性能测试：采用MG2000高温摩擦磨损试验机测试模具产品外层保护层的耐磨性能；其中，测试环境的温度分别为25℃及200℃，载荷20N，速度0.4m/s，滑行距离300m。
2、对各模具产品试样进行疲劳实验的条件为：应力比R＝0.2，跨距L＝1.0m，频率f＝317次/min，试验载荷Pmin/Pmax＝94kN/470kN。
通过对比及分析表1及表2中的相关数据可知，本发明处理后的模具不仅具有优良的耐磨性能及抗氧化性能；也改善模具硬度及韧性，同时还减少了模具发生开裂的几率、改善模具的抗疲劳性能，提高了其品质。由此可知，本发明所提供模具表面处理工艺具有更广阔的市场前景，更适宜推广。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种模具表面复合防护涂层的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、模具表面内部涂层的制备；
I、选取材质为H13，即4Cr5MoSiV1的模具，依次用清水、清洗液、无水乙醇对其表面进行清洗，然后将模具放入超声清洗设备中超声清洗30～40min，待清洗完毕后将模具取出，并用热风吹干；
II、将复配助渗剂在450～600℃的温度下脱水处理70～100min，并在870～980℃的温度下使之熔化；然后向复配助渗剂中加入复配助渗剂8～16％含钨粉料、复配助渗剂5～9％的还原剂及复配助渗剂3～6％的活化剂；混合均匀后，将模具埋入所得混合熔液中保温处理3～6h，待渗钨工序完毕后将模具取出，并将之浸泡在温度为50～60℃、浓度为4～7％的氢氧化钠溶液中20～40min，然后用清水对模具表面清洗干净并对之进行干燥处理；
III、将干燥后的模具置于气氛炉中，在流速为100～450mL/min的氨气气氛下，以8～12℃/min的速度将炉温升至900～1300℃，并在此温度下保温处理10～25h；待炉温冷却至室温后将模具取出，用超声波对其清洗5～10min后再对其进行烘干处理；
IV、将步骤III处理后的模具埋入改性剂中，然后将之一同转入加热炉，并在氮气氛的保护下以10～15℃/min的升温速度将炉温升至800～1400℃，并在此温度下保温处理8～24h；待保温处理结束后，将炉温自然冷却至室温；随后将模具取出并依次用去离子水及无水乙醇对其进行清洗，并用热风对其进行干燥处理；
步骤二、模具表面外部涂层的制备；
将步骤一处理后的模具置于真空室中，并向真空室中通入适量的氩气使室内的压强保持在0.2～0.6Pa的范围内；然后开启电源，并选用纯度高于99.96％的高纯钽靶作为靶材，对模具进行钽涂层沉积；待沉积结束后，关闭脉冲偏压电源和电弧源，停止氩气输入，关闭高真空阀门，待模具温度自然冷却至80℃以下，启动放气阀，打开真空室取出模具，即完成了对模具的处理；
所述步骤II中复配助渗剂由重量份分别为75～90份的硼酸钠、6～10份的氯化钠、4～8份的氯化钾、5～8份的氧化钇及8～15份的助渗剂复配制成；
所述助渗剂的制备方法为：
在惰性气体的保护下，按1.0～1.3mol/L的固液比将适量的氯化镧投入适量1，4-环氧丁烷中，然后边搅拌边向所得混合物中加入摩尔量为氯化镧2.5～3.5倍的有机钠盐，并在室温下搅拌反应25～30h；待反应完毕后，所得的生成物组分依次经离心分离及浓缩处理后得到助渗剂粗产品，然后再分别用乙氧基乙烷、正己烷对助渗剂粗产品清洗2～3次，后经真空浓缩处理后，即得助渗剂成品；
所述有机钠盐的制备方法包括以下步骤：
i、按1∶2～4的体积比，向反应设备中加入适量的环戊二烯及1，4-环氧丁烷，然后向反应设备中加入与环戊二烯等摩尔量的金属钠；在冰水浴状态下，边搅拌边向反应设备中加入与金属钠等摩尔量的溴代环戊烷，冰浴状态下搅拌反应50～70min；待反应完毕后，对生成物组分进行离心分离，所得滤液先经常压蒸馏回收1，4-环氧丁烷，然后在1.0～1.4kPa、63～66℃的条件下减压蒸馏并收集所得馏份；
ii、将步骤i所得馏分与1，4-环氧丁烷按照1∶4～6的体积比混合后，在干燥氮气的气氛下投入质量为1，4-环氧丁烷6～10％的金属钠，并在20～30℃的温度下反应20～30h，最终所得的固体物质即为有机钠盐成品；
所述步骤IV中所用改性剂的制备方法为：将重量份为20～55份的硅粉、3～7份的氟化钾及45～90份的氧化铝混合后球磨至混合原料的粒径为1～3μm，然后在真空环境下，将其干燥处理后即得改性剂成品。
2.根据权利要求1所述的一种模具表面复合防护涂层的制备工艺，其特征在于：所述步骤II中的钨粉料选用氧化钨、钨粉或钨铁粉。
3.根据权利要求1所述的一种模具表面复合防护涂层的制备工艺，其特征在于：所述步骤II中的还原剂选用铝粉、硅粉及钛粉中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种模具表面复合防护涂层的制备工艺，其特征在于：所述步骤II中的活化剂选用氟化钠、氟化钾中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种模具表面复合防护涂层的制备工艺，其特征在于：所述钽涂层沉积过程中，电弧源电流强度为180～250A，脉冲负偏压为250～360V，占空比为75～90％，沉积时间为30～60min。
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