專(zhuān)利名稱(chēng)：鋼制模具的復(fù)合表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼制模具的復(fù)合表面處理方法，具體講，涉及鋼制模具的氣體軟氮化與金屬離子注入或金屬和碳雙離子注入的復(fù)合表面處理方法。
目前，鋼制模具的表面處理方法主要是采用單一的化學(xué)熱處理，如滲入C、N等；或氣相沉積法；或N離子注入法。其中所述的化學(xué)熱處理一般為氣體軟氮化，即碳氮低溫共滲，用碳的滲入來(lái)加速氮的滲入，該方法在金屬擠壓加工用的模具中廣泛被采用。
金屬離子注入方法是八十年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的材料表面改性技術(shù)，其主要特點(diǎn)是注入元素的濃度可以大大超過(guò)平衡固溶度，根據(jù)注入元素的不同，可改善材料表面的耐磨、減摩、耐蝕、抗氧化、抗疲勞等多種性能，可以在近室溫、低溫或高溫下進(jìn)行注入，不改變被處理件的外觀尺寸精度和表面光潔度離子注入表面優(yōu)化層與基體之間沒(méi)有明顯的界面，不存在剝落問(wèn)題。如中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)CN1087131A中即公開(kāi)了一種金屬等離子體源離子注入方法及裝置。
但是，當(dāng)被塑性成形的合金強(qiáng)度高，而且要求產(chǎn)品表面光潔度好，則上述單一的化學(xué)熱處理，如滲C、N等，或N離子注入方法所處理的模具的耐磨性不能充分滿(mǎn)足要求，工作帶表面容易出現(xiàn)明顯劃痕，使產(chǎn)品不合格，因而生產(chǎn)過(guò)程中需要頻繁地更換模具，增加了消耗，提高了成本。
本發(fā)明的目的是提供一種鋼制模具的復(fù)合表面處理方法，該方法使處理后的模具具有非常好的耐磨性、尺寸精度和表面光潔度，且具有進(jìn)一步提高的壽命。
本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)，即本發(fā)明的技術(shù)方案是采用氣體軟氮化與金屬離子注入的復(fù)合表面處理方法，或者采用氣體軟氮化與金屬和碳雙離子注入的復(fù)合表面處理方法，對(duì)鋼制表面進(jìn)行復(fù)合處理。
本發(fā)明的鋼制模具的復(fù)合表面處理方法包括首先將鋼制模具進(jìn)行氣體軟氮化處理，然后再進(jìn)行金屬離子注入，其中的氣體軟氮化處理參數(shù)溫度530-570℃，時(shí)間2-4小時(shí)，金屬離子注入?yún)?shù)真空度2-3×10-3帕，注入金屬元素選自Ti、Ta、Hf、W等金屬元素，注入劑量5×1016-3×1018離子/cm2，注入能量80-400keV。
本發(fā)明的另一種鋼制模具的復(fù)合表面處理方法包括首先將鋼制模具進(jìn)行氣體軟氮化處理，然后再進(jìn)行金屬和碳雙離子注入，其中的氣體軟氮化處理參數(shù)為溫度530-570℃，時(shí)間2-4小時(shí)，金屬和碳雙離子注入?yún)?shù)真空度2-3×10-3帕，注入金屬元素選自Ti、Ta、Hf、W等金屬元素，注入劑量金屬和碳離子注入劑量均為5×1016-3×1018離子/cm2，注入能量金屬元素80-400keV，碳元素50-200keV。
本發(fā)明鋼制模具的復(fù)合表面處理方法將氣體軟氮化與金屬離子注入或金屬和碳雙離子注入結(jié)合起來(lái)，得到了比單一軟氮化處理或單一金屬離子注入方法優(yōu)越得多的技術(shù)效果。
本發(fā)明鋼制模具的氣體軟氮化與金屬離子注入的復(fù)合表面處理方法使鋼制模具表面具有二部分改性層；近表面為軟氮化＋離子注入改性層，其下部為軟氮化改性層，金屬離子注入后形成的近表面層為金屬的碳化物、氮化物或碳氮化物，產(chǎn)生非晶態(tài)，使模具表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，使模具表面改性層的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從而改變了其性能，使模具的耐磨性、減摩性得到顯著的提高，提高了模具壽命。
本發(fā)明的軟氮化與金屬和碳雙離子注入處理方法，使復(fù)合表面處理的鋼制模具表面也具有上述兩部份改性層，也具有耐磨性顯著提高的技術(shù)效果，另外，由于金屬離子注入同時(shí)又注入了碳原子，更有利于非晶態(tài)的產(chǎn)生，使模具表面具有了更優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，降低了模具表面的摩擦系數(shù)，因而顯著提高了工件的光潔度等表面性能，提高了模具壽命。
本發(fā)明的鋼制模具復(fù)合表面處理方法使處理后的模具壽命較僅氣體軟氮化處理的模具壽命提高20-40倍，且使模具加工工件時(shí)降低擠壓力10-30％。
另外，本發(fā)明的方法使處理后的模具不改變?cè)械某叽缇群捅砻婀鉂嵍取?br> 本發(fā)明的鋼制模具復(fù)合表面處理方法在工業(yè)上方便易行，工藝易于控制，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。
下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步地說(shuō)明本發(fā)明的鋼制模具復(fù)合表面處理方法。
實(shí)施例1冷沖模具的氣體軟氮化與金屬離子注入的復(fù)合表面處理方法。
首先將材質(zhì)為Cr4W2MoV的冷沖模具進(jìn)行氣體軟氮化，在常規(guī)化學(xué)熱處理爐中即可進(jìn)行，氣體軟氮化的處理溫度為540℃，處理時(shí)間為3小時(shí)，所用氣體氣氛為常規(guī)氣體軟氮化氣氛，模具進(jìn)行氣體軟氮化之后，進(jìn)行金屬Ti離子注入，注入?yún)?shù)為真空度為2-3×10-3帕，金屬Ti離子注入劑量為3×1017離子/cm2，注入能量100kev。
對(duì)如上處理后的冷沖模具進(jìn)行性能檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)如上處理后模具的表面硬度較僅進(jìn)行氣體軟氮化后提高了1.5倍，使用壽命提高了20倍。
實(shí)施例2熱擠壓模具的氣體軟氮化與金屬和碳雙離子注入的復(fù)合表面處理方法。
首先將材質(zhì)為H13鋼的熱擠壓模具進(jìn)行氣體軟氮化，處理溫度為560℃，處理時(shí)間為4小時(shí)，之后進(jìn)行金屬Ti和碳雙離子注入，注入?yún)?shù)為真空度2×10-3帕，Ti注入劑量4×1017離子/cm2，碳離子注入劑量為4×1017離子/cm2，注入劑量金屬Ti離子150kev，碳離子80kev。
用經(jīng)上述處理的熱擠壓模具擠壓鋁合金材，以測(cè)量其使用壽命。該處理的熱擠壓模具可擠壓合格鋁合金材2-3噸，而僅經(jīng)氣體軟氮化的同樣熱擠壓模具僅能擠壓合格鋁合金材100公斤左右，因而可看出，經(jīng)本發(fā)明方法處理的熱擠壓模具的壽命提高了20-30倍。另外，經(jīng)本發(fā)明處理的熱擠壓模具的擠壓力與同樣結(jié)構(gòu)的僅經(jīng)氣體軟氮化處理模具降低10-20％。
實(shí)施例3熱沖模具的氣體軟氮化與金屬和碳雙離子注入的復(fù)合表面處理方法。
將材質(zhì)為3Cr2W8V的熱沖模具首先進(jìn)行氣體軟氮化，處理溫度為570℃，處理時(shí)間為2小時(shí)，之后進(jìn)行金屬Ta和碳雙離子注入，注入?yún)?shù)為真空度3×10-3帕，注入劑量2×1018離子/cm2，注入能量金屬Ta離子350kev，碳離子180kev。
測(cè)量復(fù)合表面處理后熱沖模具的摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)從0.7降至0.1，因而可知，經(jīng)本發(fā)明處理后的熱沖模具的自潤(rùn)滑性能大大提高了。
由上述實(shí)施例及其性能測(cè)試結(jié)果可看出，經(jīng)本發(fā)明的復(fù)合表面處理后的鋼制模具(冷作和熱作模具)的耐磨性、自潤(rùn)滑性等各種性能均得到提高，因而大大提高了模具的使用壽命和產(chǎn)品的合格率，提高了生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。
需進(jìn)一步指出的是，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員都會(huì)知道，本發(fā)明的復(fù)合表面處理方法并不僅限于鋼制模具的表面處理，同樣可以用于各種工具鋼的表面處理。
權(quán)利要求
1.一種鋼制模具的復(fù)合表面處理方法，其特征在于該方法包括首先將鋼制模具進(jìn)行氣體軟氮化處理，然后再進(jìn)行金屬離子注入，其中所述注入金屬元素選自Ti、Ta、Hf、W等。
2.權(quán)利要求1的鋼制模具的復(fù)合表面處理方法，其中的氣體軟氮化處理參數(shù)為溫度530-570℃，時(shí)間2-4小時(shí)。
3.權(quán)利要求1的鋼制模具的復(fù)合表面處理方法，其中的金屬離子注入?yún)?shù)真空度2-3×10-3帕，注入劑量5×1016-3×1018離子/cm2，注入能量80-400kev。
4.一種鋼制模具的復(fù)合表面處理方法，其特征在于該方法包括首先將鋼制模具進(jìn)行氣體軟氮化處理，然后再進(jìn)行金屬和碳雙離子注入，其中所述注入金屬元素選自Ti、Ta、Hf、W等。
5.權(quán)利要求4的鋼制模具的復(fù)合表面處理方法，其中的氣體軟氮化處理參數(shù)為溫度530-570℃，時(shí)間2-4小時(shí)。
6.權(quán)利要求4的鋼制模具的復(fù)合表面處理方法，其中的金屬和碳雙離子注入?yún)?shù)為真空度2-3×10-3帕，注入劑量金屬和碳離子注入劑量均為5×1016-3×1018離子/cm2，注入能量金屬元素80-400kev，碳元素50-200kev。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋼制模具的復(fù)合表面處理方法，該方法包括首先將鋼制模具進(jìn)行氣體軟氮化處理，再進(jìn)行金屬離子注入；或者首先將鋼制模具進(jìn)行氣體軟氮化處理，再進(jìn)行金屬和碳雙離子注入，其中所述金屬元素選自Ti、Ta、Hf、W等。該方法改善了鋼制模具的耐磨性和自潤(rùn)滑性，顯著地提高了模具的使用壽命，以及產(chǎn)品的合格率，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C23C28/00GK1122380SQ9510974
公開(kāi)日1996年5月15日 申請(qǐng)日期1995年8月25日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月25日
發(fā)明者桑吉梅, 林文廉, 袁曉珉, 徐駿, 丁曉紀(jì) 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院, 北京師范大學(xué)低能核物理研究所