热压铸模具表面涂层的制备方法与流程

本发明属于真空气相沉积制备硬质涂层技术领域，具体涉及一种热压铸模具表面涂层的制备方法。

背景技术：

热压铸技术是指将熔融合金在高压、高速条件下填充模具型腔，并在高压下冷却成型的铸造方法，是铸造工艺中应用最广、发展速度最快的金属热加工成形工艺方法之一。热压铸作为一种先进的有色合金精密零部件成形技术，适应了现代制造业中产品复杂化、精密化、轻量化、节能化、绿色化的要求，应用领域不断拓宽。随着压铸设备和工艺技术水平不断提高，压铸产品的应用范围在现有基础上仍将不断扩大，特别是汽车、日用消费电子工业的迅速发展，带动了压铸行业正以前所未有的速度向前发展。

热压铸过程的关键工艺装备是热压铸模具，由于其长期在高温、重载等严酷服役环境下工作，模具表面会出现粘膜、磨损、冲蚀以及热疲劳，对精密零部件成形质量和良品率带来重大影响，不仅模具维修周次增加，使用寿命也大幅下降。同时，热压铸模具通常是使用热、强、韧等综合性能优异的4Cr5MoV1Si(H13)模具钢制造而成的，制造周期长，生产成本高。因此，迫切需要开发提高模具寿命的新技术。

基于模具使用过程中主要是表面失效，采用各种表面强化方法提高模具承载能力，改善表面耐磨损性能和抗氧化性能，延长模具的使用寿命，已被实践证明是行之有效的技术途径。目前主要采用气体渗氮或离子渗氮提高热压铸模具的服役性能，但始终未能取得理想效果，特别是近年来，随着大吨位压铸机的使用，热压铸模具工作条件越来越苛刻，急需研发新的表面强化 处理技术。

真空气相沉积硬质涂层技术目前在金属切削刀具领域已得到广泛应用，其涂层类型有TiN、TiCN、TiAlN、CrAlN等，它们具有高硬度、耐磨损、抗氧化及抗腐蚀等优异性能，为难切削金属加工带来了革命性技术进步。但目前硬质涂层在模具领域应用仍处于起步阶段，特别是对热压铸模具表面高性能涂层强化技术还未见报道。为此，针对热压铸模具特定服役条件，系统开发电弧离子镀硬质涂层在热压铸模具的应用尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种热压铸模具表面采用电弧离子镀涂层的制备方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种热压铸模具表面涂层的制备方法，其特征在于，该方法将热压铸模具表面喷砂及清洗处理后，放入电弧离子镀设备内，以矩形Ti靶作为底层的Ti来源，矩形Ti靶安置在炉体左内壁上，通过矩形Ti靶电弧电源的电流控制矩形Ti靶的蒸发率，在热压铸模具表面制备一层Ti底层；然后以圆形CrAl靶作为制备CrAlN涂层的Cr、Al元素来源，其中Cr、Al元素的原子成分比例为Cr/Al＝70/30，通过圆形CrAl靶电弧电源的电流控制CrAl靶的蒸发率；采用高纯N₂作为反应气体，使其离化并与Cr、Al元素结合，在Ti底层上沉积形成CrAlN涂层。

本发明的热压铸模具表面涂层的制备方法，其技术突破上主要体现在：首先，热压铸模具表面预处理，采用喷砂和脱气处理，涂层的结合力显著提高，涂层厚度可以增加到5-8μm而不脱落，强化效果更佳。另外，由于热压铸模具工作温度较高、承载压力大，本发明制备的CrAlN涂层，其抗氧化温度1100℃，硬度Hv3000，能很好满足热压铸模具的耐磨损性能、抗热疲劳性能和抗氧化性能要求。适合于高温、高速、重载等严酷服役条件下的热 压铸模具表面强化应用。

附图说明

图1为电弧离子镀膜设备结构示意图。

图中的标记分别表示：1、电源偏压，2、转台架，3、真空室，4、转架杆，5、矩形Ti靶，6、永磁体，7、8、9分别是圆形CrAl靶，10、加热器，11、泵组。

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

遵照本发明的技术方案，一种热压铸模具表面涂层制备方法，该方法将热压铸模具表面喷砂及清洗处理后放入电弧离子镀设备内进行CrAlN涂层加工，其中，以矩形Ti靶作为底层的Ti来源，矩形Ti靶安置在炉体左内壁上，通过矩形靶电弧电源的电流控制矩形Ti靶的蒸发率，在热压铸模具表面制备一层Ti底层；以圆形CrAl靶作为制备CrAlN涂层的Cr、Al元素来源，其中Cr、Al元素的原子成分比例为Cr/Al＝70/30，圆形CrAl靶共三个，以均布的方式安置在炉体右内壁上，通过圆形CrAl靶电弧电源的电流控制CrAl靶的蒸发率；采用高纯N₂作为反应气体，使其离化并与Cr、Al元素结合，在Ti底层上沉积形成CrAlN涂层。

实施例：

本实施例给出一种4Cr5MoV1Si材料制作的热压铸模具采用真空电弧离子镀沉积硬质涂层的工艺方法，需要说明的是，本发明的方法制备的涂层，可以在任何类似于4Cr5MoV1Si材料制作的任何类型热压铸模具上进行，并不限于该实施例。

本实施例的具体工艺过程是：

1)将经1070℃淬火+530℃三次回火后硬度为HRC＝43的4Cr5MoV1Si材料制作的热压铸模具(模具尺寸：500×260×150mm)作为样品，经表面除 油、喷砂后进行超声波清洗，酒精脱水。

2)将预处理好的样品放入电弧离子镀膜设备中。电弧离子镀膜设备如图1所示，电弧离子镀膜设备至少包括外加电源偏压1、转台架2、真空室3、转架杆4、矩形靶5、永磁体6、圆形CrAl靶(7、8、9)(也称粉末冶金靶，其中圆形CrAl靶的Cr、Al元素的原子成分比例为Cr/Al＝70/30)，加热器10、泵组11。样品固定于转架杆4上，转架杆4可以随转台架2转动。

3)采用840×140×10mm的矩形Ti靶5作为Ti底层的Ti来源，通过矩形Ti靶5的弧电源电流控制Ti靶5的蒸发率，在样品表面制备一层Ti底层；采用直径尺寸为100mm的圆形CrAl靶(7、8、9)作为制备CrAlN涂层的Cr、Al元素的来源，如图1所示，三个圆形CrAl靶以均布的方式安置在炉体右内壁上，并通过调整三个圆形CrAl靶(7、8、9)的电源电流，控制圆形CrAl靶(7、8、9)的蒸发率，采用高纯N₂作为反应气体，使其离化并与Cr、Al元素结合，在样品的Ti底层表面再沉积形成CrAlN涂层。

4)涂层优化工艺条件为：

(1)等离子体刻蚀

将预处理后的样品装入电弧离子镀膜真空室，抽真空并加热到500℃不变，镀膜前，通入20ml/min的Ar到真空室，当真空室气压达到6Pa时，开偏压至-1000V对真空室的样品表面进行轰击刻蚀和除气处理，持续120分钟。

(2)Ti底层制备

样品刻蚀完成后，调节Ar流量到30ml/min，将真空室气压调至0.3Pa，打开矩形Ti靶电弧电源，弧电流100A，调整偏压到-200V，持续10分钟，在样品表面制备得到Ti底层。

(3)CrAlN涂层制备

Ti底层制备完成后，将偏压调整为-80V，将Ar流量关闭。打开N₂开关，调整N₂流量使真空室气压为0.8Pa，将矩形Ti靶关闭，将圆形CrAl靶打开，电流为80A，开始在Ti底层上制备CrAlN涂层，持续240分钟，在Ti底层表面沉积形成CrAlN涂层。

经过本实施例制备涂层处理后的热压铸模具，用于铝硅合金A360材质零件压铸成型，熔料温度680℃，进料成型温度350℃。对比测试结果表明：没有经过涂层制备的热压铸模具表面经常出现粘模、冲蚀、龟裂等破坏，热压铸模具维修次数频繁，热压铸模具总计仅能压铸3000件产品。使用本实施例制备涂层处理后，热压铸模具表面粘模、冲蚀等情况得到了明显改善，可总计压铸15000件产品，不但使得热压铸模具使用寿命提高5倍，而且减少了停机对热压铸模具维修次数，生产效率大幅提高。表明本实施例设计开发的新型CrAlN涂层工艺在热压铸模具表面强化上有良好效果和广泛应用前景。