一種鋁擠壓模具及其表面強韌化處理工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋁擠壓模具及其表面強韌化處理工藝，目的是改善鋁擠壓模具表面強韌化性能。本發(fā)明采用“先滲N、后O-S-N多元共滲”的兩段法工藝，使得到的共滲層中強化層、擴散層厚度均比等溫法有不同程度的增加，確保共滲層與基體的結(jié)合性能更好，共滲層硬度梯度更為平緩，推遲滲層剝落時間，有效提高模具壽命；此外，在兩段法工藝的基礎(chǔ)上，本發(fā)明采用Ce/La稀土化合物催滲以及NH4Cl粉末進行潔凈共滲處理，使擴散層的厚度和強度均得到有效提升，同時可得到含有Fe1－xS、Fe3O4相的減摩復(fù)相層，以及含有Fe2－3N、γ′-Fe4N等高硬度、強韌性相的強化層，使本發(fā)明的共滲層滿足摩擦學(xué)要求的理想耐磨層條件。
【專利說明】一種鋁擠壓模具及其表面強韌化處理工藝【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及模具【技術(shù)領(lǐng)域】，具體說是一種鋁擠壓模具及其表面強韌化處理工藝?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]國內(nèi)外相關(guān)研究已表明，對鋁擠壓模具采用表面強韌化處理工藝是改善其使用性能、延長使用壽命最有效的方法之一，采用傳統(tǒng)的氣體氮化處理工藝，不僅其氮化處理工藝周期長，且氮化層質(zhì)脆，在擠壓過程中易剝落而造成鋁合金型材表面劃傷、壁厚尺寸超差等缺陷，為此，國內(nèi)外相關(guān)研究已先后開發(fā)出物理氣相沉積(PVD涂層)法、離子氮化、多元離子復(fù)合法、O-S-N多元共滲軟氮化法等表面強韌化處理新工藝。
[0003]目前我國鋁擠壓模具表面強韌化處理技術(shù)還比較落后，與國外先進水平相比尚有較大差距。由于近年來我國鋁型材在建筑領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，已不斷拓展在工業(yè)領(lǐng)域的推廣使用，而工業(yè)鋁合金型材斷面規(guī)格大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等，對鋁擠壓模具表面強韌化性能提出了更高要求，急待進一步提高鋁擠壓模具表面強韌化處理工藝技術(shù)水平，因此，該方面的技術(shù)研究已引起相關(guān)業(yè)界的重視，正在加大投入開展鋁擠壓模具強韌化處理工藝技術(shù)研究。
[0004]對比分析了目前國內(nèi)外應(yīng)用的氣體氮化、液體氮化和通氨滴醇氣體軟氮化處理工藝研究成果發(fā)現(xiàn)，上述工藝均不同程度存在著滲層脆而疏松、硬度分布梯度陡而與基體結(jié)合性能差等方面的不足，其中離子氮化處理可以解決表面硬度和韌性的相對矛盾，但對于型孔比較復(fù)雜及窄孔模具是難以奏效的；物理氣相沉積(PVD涂層)法和化學(xué)氣相沉積(CVD涂層)法屬于高溫處理工藝，其處理溫度都大于750°C，而鋁擠壓模具回火溫度通常在580°C左右，采用PVD法或CVD法會嚴重破壞鋁擠壓模具的心部組織和性能，不適合做為鋁擠壓模具表面強韌化處 理工藝使用。因此，研究采用0-S-N、S-C-N、S-N-B等多元共滲處理工藝，已成了國內(nèi)外相關(guān)業(yè)界提高鋁擠壓模具表面強韌化性能的主要研究方向。但現(xiàn)有的多元共滲處理工藝多存在著擴散層的厚度和固溶強化不夠，以及易出現(xiàn)脈狀晶等顯微組織缺陷、共滲層硬度梯度分布陡等問題，使得其共滲強化層在擠壓生產(chǎn)過程中易剝落，導(dǎo)致擠壓模具報廢等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能顯著改善鋁擠壓模具表面強韌化性能的鋁擠壓模具表面強韌化處理工藝，并進而提供了一種表面強韌化性能好的鋁擠壓模具。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種鋁擠壓模具表面強韌化處理工藝，包括以下步驟:
[0008]步驟1、將待處理的鋁擠壓模具置于530~560°C加熱保溫條件下，通氨氣處理3~4小時，氨氣流量為0.10~0.30m3/h，氨分解率控制在22~30%，處理過程中采用金屬表面潔凈活化劑對鋁擠壓模具工作帶表面進行處理；[0009]步驟2、將步驟I得到的鋁擠壓模具繼續(xù)置于560~590°C加熱保溫條件下，通氨氣和滴注混合液處理3~4小時，氨氣流量為0.10~0.30m3/h，氨分解率控制在28~36%，所述混合液由10~18重量份的硫脲、8~15重量份的Ce/La稀土化合物和500體積份的無水乙醇混合而成，所述重量份:體積份=g: ml，處理過程中采用金屬表面潔凈活化劑對鋁擠壓模具工作帶表面進行處理；
[0010]其中，所述金屬表面潔凈活化劑由0.8~1.3體積份的NH4Cl和6體積份的石英砂混合而成。
[0011]本發(fā)明所述鋁擠壓模具，經(jīng)上述表面強韌化處理后其工作帶表面有共滲層，所述共滲層從外到內(nèi)依次包括減摩復(fù)相層、強化層和擴散層，所述減摩復(fù)相層含有Fei — xS和Fe3O4相，所述強化層含有Fe2 — 3N和-Fe4N相，所述強化層的厚度為10~13 μ m,所述擴散層為氮在α-Fe中的固溶強化區(qū)，所述擴散層的厚度為150~180μπι。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0013]1、采用“先滲N、后O-S-N多元 共滲”的兩段法工藝，使其得到的共滲層中強化層(白亮層)、擴散層厚度均比等溫法有了不同程度的增加，確保共滲層與基體的結(jié)合性能更好，從而獲得較為理想的滲層厚度及顯微硬度，所得到的共滲層硬度梯度比等溫法平緩，推遲了滲層剝落時間，從而有效提高模具壽命；
[0014]2、在兩段法工藝的基礎(chǔ)上，本發(fā)明采用Ce/La稀土化合物催滲以及NH4Cl粉末進行潔凈共滲處理，提高了擴散層中的氮濃度，使擴散層的厚度和強度均得到有效提升，同時可得到含有Fe1-XS、Fe3O4相的減摩復(fù)相層，以及含有Fe2_3N、Y ' -Fe4N等高硬度、強韌性相的強化層(白亮層)，使本發(fā)明得到的共滲層能較好地滿足摩擦學(xué)要求的理想耐磨層條件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1所示為本發(fā)明實施例的工藝示意圖。
[0016]圖2所示為本發(fā)明實施例的共滲層金相顯微組織圖。
[0017]圖3所示為本發(fā)明實施例的共滲層的X射線衍射圖譜。
[0018]圖4所示為本發(fā)明實施例的共滲層顯微硬度分布曲線。
[0019]圖5所示為斷面型號為Y5329的模具斷面示意圖。
[0020]圖6所示為斷面型號為Y5336的模具斷面示意圖。
[0021]圖7所示為斷面型號為L8601的模具斷面示意圖。
[0022]圖8所示為斷面型號為L8603的模具斷面示意圖。
[0023]圖9所示為斷面型號為L8607的模具斷面示意圖。
[0024]圖10所示為斷面型號為YS5054的模具斷面示意圖。
【具體實施方式】
[0025]為詳細說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合實施方式并配合附圖詳予說明。
[0026]本發(fā)明最關(guān)鍵的構(gòu)思在于:采用“先滲N、后O-S-N多元共滲”的兩段法工藝，并在兩段法工藝的基礎(chǔ)上，采用Ce/La稀土化合物催滲以及NH4Cl粉末進行潔凈共滲處理。[0027]具體的，本發(fā)明的鋁擠壓模具表面強韌化處理工藝，包括以下步驟:
[0028]步驟1、將待處理的鋁擠壓模具置于530~560°C加熱保溫條件下，通氨氣處理3~4小時，氨氣流量為0.10~0.30m3/h，氨分解率控制在22~30%，處理過程中采用金屬表面潔凈活化劑對鋁擠壓模具工作帶表面進行處理；
[0029]步驟2、將步驟I得到的鋁擠壓模具繼續(xù)置于560~590°C加熱保溫條件下，通氨氣和滴注混合液處理3~4小時，氨氣流量為0.10~0.30m3/h，氨分解率控制在28~36%，所述混合液由10~18重量份的硫脲、8~15重量份的Ce/La稀土化合物和500體積份的無水乙醇混合而成，所述重量份:體積份=g: ml，處理過程中采用金屬表面潔凈活化劑對鋁擠壓模具工作帶表面進行處理；
[0030]其中，所述金屬表面潔凈活化劑由0.8~1.3體積份的NH4Cl和6體積份的石英砂混合而成。
[0031]本發(fā)明的技術(shù)原理如下:
[0032]1、前期只滲N(即步驟I)，以增大模具工作帶表面活性氮原子的濃度梯度，強化氮原子不斷由表面向內(nèi)部的擴散，從而可增加擴散層的厚度和強度；后期再進行O-S-N多元共滲(即步驟2)，以獲得表層為Fe1 — xS、Fe304的潤滑薄層，可作為減摩復(fù)相層，有效阻止鋁金屬與模具工作帶表面間的“咬合”，減少模具工作帶的摩擦力，降低其摩擦磨損，避免或減少其滲層剝落；次表層為致密的Fe2_3N、Fe4N(Y'相)氮化物，具有強韌性兼?zhèn)涞挠不瘜?白亮層)，并有合理厚度的擴散層，確保共滲層與基體的結(jié)合性能更好，從而獲得較為理想的滲層厚度及顯微硬度。
[0033]2、采用由NH4Cl和石英砂混合制成的金屬表面潔凈活化劑，使模具工作帶表面在后續(xù)的加熱過程中，可去除模具表面的鈍化膜，使工件表面活性化和潔凈化，促進了氮原子的擴散滲入，提高了擴散層中的氮濃度，也就是溶解了更多的氮原子使其微觀應(yīng)力顯著增高，使得作為過渡層的擴散層強度獲得有效提升。
[0034]3、采用Ce/La稀土化合物催化多元共滲處理工藝，一是活性很強的稀土原子通過活化工件表面和吸附作用，削弱了共滲劑的分子鍵力，可加速滲劑分解，二是大尺寸的稀土原子的滲入，使得周圍鐵原子晶格畸變，產(chǎn)生空位、位錯等缺陷，從而形成擴散“通道”，增加其擴散系數(shù)，促進其它共滲原子向基體內(nèi)部的滲入擴散，進一步提高了滲層的強度、硬度和耐磨性，也使?jié)B層硬度梯度更趨于平緩，盡可能滿足摩擦學(xué)要求的理想摩擦層硬度梯度分布。
[0035]從上述描述可知，本發(fā)明的有益效果在于:提高了共滲層與基體的結(jié)合性能，使共滲層厚度及顯微硬度更為理想，共滲層硬度梯度分布更為平緩，共滲層不易剝落，模具使用壽命大大提聞。
[0036]進一步的，在步驟I中，所述鋁擠壓模具先經(jīng)過清洗、干燥、于530~560°C下預(yù)熱I~2小時后再通氨氣處理。
[0037]進一步的，在步驟 2中，所述混合液的滴加速度為20~60d/min。
[0038]進一步的，所述步驟I和步驟2在井式熱處理爐內(nèi)進行，所述鋁擠壓模具置于模具共滲熱處理專用框里，所述模具共滲熱處理專用框的底層置放有所述金屬表面潔凈活化劑。
[0039]進一步的，在步驟2反應(yīng)完成后，采用通氮氣爐冷的方式對鋁擠壓模具進行冷卻。[0040]實施例
[0041]以鋁型材熱擠模H13鋼GCr5M0SiV1)為例，請參照圖1所示，本實施例的鋁擠壓模具表面強韌化處理工藝如下:
[0042](I)將待處理的鋁擠壓模具清洗干凈、晾干后，間隔擺放在模具共滲熱處理專用框里，并在其框底層置放規(guī)定量的金屬表面潔凈活化劑(由NH4Cl與石英砂按照體積比為0.8~1.3: 6的比例均勻混合)，使模具工作帶表面在后續(xù)的加熱過程中，可去除ACr5MoSiV1鋼擠壓模具表面的鈍化膜Cr2O3，潔凈活化模具表面，以利于N、S、O原子被其表層吸收和滲入。
[0043](2)在井式熱處理爐加熱升溫到第一階段工藝溫度T1 (530~560°C )時，將上述備好模具的專用框吊放到爐內(nèi)，如圖1所示進行第一階段的通氨滲氮處理h (3~4小時)時間，用浮子流量計監(jiān)測其氨氣流量介于0.10~0.30m3/h，用玻璃分解率測定計監(jiān)控其氨分解率介于22~30%，以提高模具表面層的氮原子含量，增加其擴散層厚度及其氮的固溶強化效果，使后續(xù)形成的強化層與基體間擁有合理厚度的過渡層，能夠構(gòu)建更加平緩的硬度梯度分布。 [0044](3)當(dāng)?shù)谝浑A段的 通氨滲氮處理完成時，將井式熱處理爐加熱升溫到第二階段工藝溫度T2 (560~590°C )，進行第二階段的N、S、O共滲處理，處理時間為t2(3~4小時)。處理過程中，采用通入氨氣和滴加混合液的方式，用浮子流量計監(jiān)控氨氣流量為0.10~
0.30m3/h，用玻璃分解率測定計監(jiān)控氨分解率介于28~36%，按照500ml的無水乙醇溶入10~18g硫脲、8~15gCe/La稀土化合物配制混合液,用三通滴管控制混合液的滴加速度為 20 ~60d/min。
[0045](4)當(dāng)?shù)诙A段共滲處理完成時，采用通氮氣爐冷的方式將模具冷卻至室溫。
[0046]檢測分析:
[0047]一、金相顯微組織分析和X射線衍射分析
[0048]將上述實施例得到的鋁擠壓模具采用金相顯微鏡觀測其共滲層組織，獲得的金相顯微組織如圖2所示；將上述實施例得到的鋁擠壓模具采用X射線衍射儀分析其共滲層顯微組織的相結(jié)構(gòu)組成，獲得的X射線衍射圖譜如圖3所示。
[0049]圖3中，①表示Fe2 — 3N,②表示Fe4N( Y 1相)，③表示Fe3O4,④表示α -Fe,⑤表示
Fei 一 JiS0
[0050]由圖2和圖3所示可知，本發(fā)明得到的共滲層，從外到內(nèi)包括三層。其中最外層為減摩復(fù)相層，減摩復(fù)相層中含有Fei _ XS、Fe3O4相，而等溫法的滲層只有Fe2O3相，比基體質(zhì)軟的Fe1 — XS、Fe3O4膜層可起潤滑作用，有效阻止鋁金屬與模具工作帶表面間的“咬合”，減少模具工作帶的摩擦力，降低其摩擦磨損，避免或減少其滲層剝落；中間的白亮層為強化層，強化層的厚度為10~13 μ m,強化層中含有致密的Fe2 — 3N、Fe4N( Y，相)氮化物，因此強韌性兼?zhèn)?，而等溫法得到的強化層厚度僅為2~7μπι ;最內(nèi)層緊靠白亮層易受腐蝕的區(qū)域即為擴散層，是氮在α -Fe中的固溶強化區(qū)，所述擴散層的厚度為150~180 μ m，而等溫法得到的擴散層厚度僅為120~150 μ m。
[0051]從上述分析可知，本發(fā)明得到的共滲層中不僅具備起潤滑作用的減摩復(fù)相層，而且強化層(白亮層)、擴散層厚度均比等溫法有了不同程度的增加，確保共滲層與基體的結(jié)合性能更好，從而獲得較為理想的滲層厚度及顯微硬度，推遲滲層剝落時間，有效提高模具壽命。
[0052]二、共滲層顯微硬度分布檢測
[0053]將上述實施例得到的鋁擠壓模具采用顯微硬度計檢測其共滲層不同部位的維氏硬度值，繪制其硬度梯度分布曲線如圖4所示。
[0054]由圖4所示可知，本發(fā)明所得到的共滲層硬度梯度分布趨于平緩，可滿足摩擦學(xué)要求的理想摩擦層硬度梯度分布，滿足鋁擠壓模具在高溫、高壓、高摩擦的使用要求，推遲滲層剝落時間，有效提聞|旲具壽命。
[0055]三、鋁合金擠壓通過量檢測
[0056]采用不同斷面型號的模具按照上述實施例所述的工藝進行表面強韌化處理，跟蹤考察其鋁合金擠壓通過量，結(jié)果如下表1所示。
[0057]表1、模具擠壓通過量統(tǒng)計表(單位:噸)
[0058]
【權(quán)利要求】
1.一種鋁擠壓模具表面強韌化處理工藝，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、將待處理的鋁擠壓模具置于530~560°C加熱保溫條件下，通氨氣處理3~4小時，氨氣流量為0.10~0.30m3/h，氨分解率控制在22~30%，處理過程中采用金屬表面潔凈活化劑對鋁擠壓模具工作帶表面進行處理； 步驟2、將步驟I得到的鋁擠壓模具繼續(xù)置于560~590°C加熱保溫條件下，通氨氣和滴注混合液處理3~4小時，氨氣流量為0.10~0.30m3/h，氨分解率控制在28~36%，所述混合液由10~18重量份的硫脲、8~15重量份的Ce/La稀土化合物和500體積份的無水乙醇混合而成，所述重量份:體積份=g: ml，處理過程中采用金屬表面潔凈活化劑對鋁擠壓模具工作帶表面進行處理； 其中，所述金屬表面潔凈活化劑由0.8~1.3體積份的NH4Cl和6體積份的石英砂混合而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁擠壓模具表面強韌化處理工藝，其特征在于:在步驟I中，所述鋁擠壓模具先經(jīng)過清洗、干燥、于530~560°C下預(yù)熱I~2小時后再通氨氣處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁擠壓模具表面強韌化處理工藝，其特征在于:在步驟2中，所述混合液的滴加速度為20~60d/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁擠壓模具表面強韌化處理工藝，其特征在于:所述步驟I和步驟2在井式熱處理爐內(nèi)進行，所述鋁擠壓模具置于模具共滲熱處理專用框里，所述模具共滲熱處理專用框的底層置放有所述金屬表面潔凈活化劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁擠壓模具表面強韌化處理工藝，其特征在于:在步驟2反應(yīng)完成后，采用通氮氣爐冷的方式對鋁擠壓模具進行冷卻。
6.一種鋁擠壓模具，其特征在于:所述鋁擠壓模具的工作帶表面設(shè)有共滲層，所述共滲層從外到內(nèi)依次包括減摩復(fù)相層、強化層和擴散層，所述減摩復(fù)相層含有Fe1 _XS和Fe3O4相，所述強化層含有Fe2 _3N和Y ' 460相，所述強化層的厚度為10~13μπι，所述擴散層為氮在α-Fe中的固溶強化區(qū)，所述擴散層的厚度為150~180 μ m。
【文檔編號】C23C8/62GK103981482SQ201410185432
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】林光磊, 徐捷雄, 許劍銀, 雷登進 申請人:福建省南平鋁業(yè)有限公司