本發(fā)明屬于真空氣相沉積制備硬質(zhì)涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種熱壓鑄模具表面涂層的制備方法。

背景技術(shù)：

熱壓鑄技術(shù)是指將熔融合金在高壓、高速條件下填充模具型腔，并在高壓下冷卻成型的鑄造方法，是鑄造工藝中應(yīng)用最廣、發(fā)展速度最快的金屬熱加工成形工藝方法之一。熱壓鑄作為一種先進(jìn)的有色合金精密零部件成形技術(shù)，適應(yīng)了現(xiàn)代制造業(yè)中產(chǎn)品復(fù)雜化、精密化、輕量化、節(jié)能化、綠色化的要求，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。隨著壓鑄設(shè)備和工藝技術(shù)水平不斷提高，壓鑄產(chǎn)品的應(yīng)用范圍在現(xiàn)有基礎(chǔ)上仍將不斷擴(kuò)大，特別是汽車、日用消費(fèi)電子工業(yè)的迅速發(fā)展，帶動(dòng)了壓鑄行業(yè)正以前所未有的速度向前發(fā)展。

熱壓鑄過程的關(guān)鍵工藝裝備是熱壓鑄模具，由于其長期在高溫、重載等嚴(yán)酷服役環(huán)境下工作，模具表面會(huì)出現(xiàn)粘膜、磨損、沖蝕以及熱疲勞，對(duì)精密零部件成形質(zhì)量和良品率帶來重大影響，不僅模具維修周次增加，使用壽命也大幅下降。同時(shí)，熱壓鑄模具通常是使用熱、強(qiáng)、韌等綜合性能優(yōu)異的4Cr5MoV1Si(H13)模具鋼制造而成的，制造周期長，生產(chǎn)成本高。因此，迫切需要開發(fā)提高模具壽命的新技術(shù)。

基于模具使用過程中主要是表面失效，采用各種表面強(qiáng)化方法提高模具承載能力，改善表面耐磨損性能和抗氧化性能，延長模具的使用壽命，已被實(shí)踐證明是行之有效的技術(shù)途徑。目前主要采用氣體滲氮或離子滲氮提高熱壓鑄模具的服役性能，但始終未能取得理想效果，特別是近年來，隨著大噸位壓鑄機(jī)的使用，熱壓鑄模具工作條件越來越苛刻，急需研發(fā)新的表面強(qiáng)化 處理技術(shù)。

真空氣相沉積硬質(zhì)涂層技術(shù)目前在金屬切削刀具領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，其涂層類型有TiN、TiCN、TiAlN、CrAlN等，它們具有高硬度、耐磨損、抗氧化及抗腐蝕等優(yōu)異性能，為難切削金屬加工帶來了革命性技術(shù)進(jìn)步。但目前硬質(zhì)涂層在模具領(lǐng)域應(yīng)用仍處于起步階段，特別是對(duì)熱壓鑄模具表面高性能涂層強(qiáng)化技術(shù)還未見報(bào)道。為此，針對(duì)熱壓鑄模具特定服役條件，系統(tǒng)開發(fā)電弧離子鍍硬質(zhì)涂層在熱壓鑄模具的應(yīng)用尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種熱壓鑄模具表面采用電弧離子鍍涂層的制備方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案：

一種熱壓鑄模具表面涂層的制備方法，其特征在于，該方法將熱壓鑄模具表面噴砂及清洗處理后，放入電弧離子鍍?cè)O(shè)備內(nèi)，以矩形Ti靶作為底層的Ti來源，矩形Ti靶安置在爐體左內(nèi)壁上，通過矩形Ti靶電弧電源的電流控制矩形Ti靶的蒸發(fā)率，在熱壓鑄模具表面制備一層Ti底層；然后以圓形CrAl靶作為制備CrAlN涂層的Cr、Al元素來源，其中Cr、Al元素的原子成分比例為Cr/Al＝70/30，通過圓形CrAl靶電弧電源的電流控制CrAl靶的蒸發(fā)率；采用高純N₂作為反應(yīng)氣體，使其離化并與Cr、Al元素結(jié)合，在Ti底層上沉積形成CrAlN涂層。

本發(fā)明的熱壓鑄模具表面涂層的制備方法，其技術(shù)突破上主要體現(xiàn)在：首先，熱壓鑄模具表面預(yù)處理，采用噴砂和脫氣處理，涂層的結(jié)合力顯著提高，涂層厚度可以增加到5-8μm而不脫落，強(qiáng)化效果更佳。另外，由于熱壓鑄模具工作溫度較高、承載壓力大，本發(fā)明制備的CrAlN涂層，其抗氧化溫度1100℃，硬度Hv3000，能很好滿足熱壓鑄模具的耐磨損性能、抗熱疲勞性能和抗氧化性能要求。適合于高溫、高速、重載等嚴(yán)酷服役條件下的熱 壓鑄模具表面強(qiáng)化應(yīng)用。

附圖說明

圖1為電弧離子鍍膜設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中的標(biāo)記分別表示：1、電源偏壓，2、轉(zhuǎn)臺(tái)架，3、真空室，4、轉(zhuǎn)架桿，5、矩形Ti靶，6、永磁體，7、8、9分別是圓形CrAl靶，10、加熱器，11、泵組。

以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

具體實(shí)施方式

遵照本發(fā)明的技術(shù)方案，一種熱壓鑄模具表面涂層制備方法，該方法將熱壓鑄模具表面噴砂及清洗處理后放入電弧離子鍍?cè)O(shè)備內(nèi)進(jìn)行CrAlN涂層加工，其中，以矩形Ti靶作為底層的Ti來源，矩形Ti靶安置在爐體左內(nèi)壁上，通過矩形靶電弧電源的電流控制矩形Ti靶的蒸發(fā)率，在熱壓鑄模具表面制備一層Ti底層；以圓形CrAl靶作為制備CrAlN涂層的Cr、Al元素來源，其中Cr、Al元素的原子成分比例為Cr/Al＝70/30，圓形CrAl靶共三個(gè)，以均布的方式安置在爐體右內(nèi)壁上，通過圓形CrAl靶電弧電源的電流控制CrAl靶的蒸發(fā)率；采用高純N₂作為反應(yīng)氣體，使其離化并與Cr、Al元素結(jié)合，在Ti底層上沉積形成CrAlN涂層。

實(shí)施例：

本實(shí)施例給出一種4Cr5MoV1Si材料制作的熱壓鑄模具采用真空電弧離子鍍沉積硬質(zhì)涂層的工藝方法，需要說明的是，本發(fā)明的方法制備的涂層，可以在任何類似于4Cr5MoV1Si材料制作的任何類型熱壓鑄模具上進(jìn)行，并不限于該實(shí)施例。

本實(shí)施例的具體工藝過程是：

1)將經(jīng)1070℃淬火+530℃三次回火后硬度為HRC＝43的4Cr5MoV1Si材料制作的熱壓鑄模具(模具尺寸：500×260×150mm)作為樣品，經(jīng)表面除 油、噴砂后進(jìn)行超聲波清洗，酒精脫水。

2)將預(yù)處理好的樣品放入電弧離子鍍膜設(shè)備中。電弧離子鍍膜設(shè)備如圖1所示，電弧離子鍍膜設(shè)備至少包括外加電源偏壓1、轉(zhuǎn)臺(tái)架2、真空室3、轉(zhuǎn)架桿4、矩形靶5、永磁體6、圓形CrAl靶(7、8、9)(也稱粉末冶金靶，其中圓形CrAl靶的Cr、Al元素的原子成分比例為Cr/Al＝70/30)，加熱器10、泵組11。樣品固定于轉(zhuǎn)架桿4上，轉(zhuǎn)架桿4可以隨轉(zhuǎn)臺(tái)架2轉(zhuǎn)動(dòng)。

3)采用840×140×10mm的矩形Ti靶5作為Ti底層的Ti來源，通過矩形Ti靶5的弧電源電流控制Ti靶5的蒸發(fā)率，在樣品表面制備一層Ti底層；采用直徑尺寸為100mm的圓形CrAl靶(7、8、9)作為制備CrAlN涂層的Cr、Al元素的來源，如圖1所示，三個(gè)圓形CrAl靶以均布的方式安置在爐體右內(nèi)壁上，并通過調(diào)整三個(gè)圓形CrAl靶(7、8、9)的電源電流，控制圓形CrAl靶(7、8、9)的蒸發(fā)率，采用高純N₂作為反應(yīng)氣體，使其離化并與Cr、Al元素結(jié)合，在樣品的Ti底層表面再沉積形成CrAlN涂層。

4)涂層優(yōu)化工藝條件為：

(1)等離子體刻蝕

將預(yù)處理后的樣品裝入電弧離子鍍膜真空室，抽真空并加熱到500℃不變，鍍膜前，通入20ml/min的Ar到真空室，當(dāng)真空室氣壓達(dá)到6Pa時(shí)，開偏壓至-1000V對(duì)真空室的樣品表面進(jìn)行轟擊刻蝕和除氣處理，持續(xù)120分鐘。

(2)Ti底層制備

樣品刻蝕完成后，調(diào)節(jié)Ar流量到30ml/min，將真空室氣壓調(diào)至0.3Pa，打開矩形Ti靶電弧電源，弧電流100A，調(diào)整偏壓到-200V，持續(xù)10分鐘，在樣品表面制備得到Ti底層。

(3)CrAlN涂層制備

Ti底層制備完成后，將偏壓調(diào)整為-80V，將Ar流量關(guān)閉。打開N₂開關(guān)，調(diào)整N₂流量使真空室氣壓為0.8Pa，將矩形Ti靶關(guān)閉，將圓形CrAl靶打開，電流為80A，開始在Ti底層上制備CrAlN涂層，持續(xù)240分鐘，在Ti底層表面沉積形成CrAlN涂層。

經(jīng)過本實(shí)施例制備涂層處理后的熱壓鑄模具，用于鋁硅合金A360材質(zhì)零件壓鑄成型，熔料溫度680℃，進(jìn)料成型溫度350℃。對(duì)比測(cè)試結(jié)果表明：沒有經(jīng)過涂層制備的熱壓鑄模具表面經(jīng)常出現(xiàn)粘模、沖蝕、龜裂等破壞，熱壓鑄模具維修次數(shù)頻繁，熱壓鑄模具總計(jì)僅能壓鑄3000件產(chǎn)品。使用本實(shí)施例制備涂層處理后，熱壓鑄模具表面粘模、沖蝕等情況得到了明顯改善，可總計(jì)壓鑄15000件產(chǎn)品，不但使得熱壓鑄模具使用壽命提高5倍，而且減少了停機(jī)對(duì)熱壓鑄模具維修次數(shù)，生產(chǎn)效率大幅提高。表明本實(shí)施例設(shè)計(jì)開發(fā)的新型CrAlN涂層工藝在熱壓鑄模具表面強(qiáng)化上有良好效果和廣泛應(yīng)用前景。