专利名称：钢制模具的复合表面处理方法
技术领域：
本发明涉及一种钢制模具的复合表面处理方法，具体讲，涉及钢制模具的气体软氮化与金属离子注入或金属和碳双离子注入的复合表面处理方法。
目前，钢制模具的表面处理方法主要是采用单一的化学热处理，如渗入C、N等；或气相沉积法；或N离子注入法。其中所述的化学热处理一般为气体软氮化，即碳氮低温共渗，用碳的渗入来加速氮的渗入，该方法在金属挤压加工用的模具中广泛被采用。
金属离子注入方法是八十年代以来发展起来的材料表面改性技术，其主要特点是注入元素的浓度可以大大超过平衡固溶度，根据注入元素的不同，可改善材料表面的耐磨、减摩、耐蚀、抗氧化、抗疲劳等多种性能，可以在近室温、低温或高温下进行注入，不改变被处理件的外观尺寸精度和表面光洁度离子注入表面优化层与基体之间没有明显的界面，不存在剥落问题。如中国专利申请公开CN1087131A中即公开了一种金属等离子体源离子注入方法及装置。
但是，当被塑性成形的合金强度高，而且要求产品表面光洁度好，则上述单一的化学热处理，如渗C、N等，或N离子注入方法所处理的模具的耐磨性不能充分满足要求，工作带表面容易出现明显划痕，使产品不合格，因而生产过程中需要频繁地更换模具，增加了消耗，提高了成本。
本发明的目的是提供一种钢制模具的复合表面处理方法，该方法使处理后的模具具有非常好的耐磨性、尺寸精度和表面光洁度，且具有进一步提高的寿命。
本发明的上述目的是这样实现，即本发明的技术方案是采用气体软氮化与金属离子注入的复合表面处理方法，或者采用气体软氮化与金属和碳双离子注入的复合表面处理方法，对钢制表面进行复合处理。
本发明的钢制模具的复合表面处理方法包括首先将钢制模具进行气体软氮化处理，然后再进行金属离子注入，其中的气体软氮化处理参数温度530-570℃，时间2-4小时，金属离子注入参数真空度2-3×10-3帕，注入金属元素选自Ti、Ta、Hf、W等金属元素，注入剂量5×1016-3×1018离子/cm2，注入能量80-400keV。
本发明的另一种钢制模具的复合表面处理方法包括首先将钢制模具进行气体软氮化处理，然后再进行金属和碳双离子注入，其中的气体软氮化处理参数为温度530-570℃，时间2-4小时，金属和碳双离子注入参数真空度2-3×10-3帕，注入金属元素选自Ti、Ta、Hf、W等金属元素，注入剂量金属和碳离子注入剂量均为5×1016-3×1018离子/cm2，注入能量金属元素80-400keV，碳元素50-200keV。
本发明钢制模具的复合表面处理方法将气体软氮化与金属离子注入或金属和碳双离子注入结合起来，得到了比单一软氮化处理或单一金属离子注入方法优越得多的技术效果。
本发明钢制模具的气体软氮化与金属离子注入的复合表面处理方法使钢制模具表面具有二部分改性层；近表面为软氮化＋离子注入改性层，其下部为软氮化改性层，金属离子注入后形成的近表面层为金属的碳化物、氮化物或碳氮化物，产生非晶态，使模具表面处于压应力状态，使模具表面改性层的组织结构发生了变化，从而改变了其性能，使模具的耐磨性、减摩性得到显著的提高，提高了模具寿命。
本发明的软氮化与金属和碳双离子注入处理方法，使复合表面处理的钢制模具表面也具有上述两部份改性层，也具有耐磨性显著提高的技术效果，另外，由于金属离子注入同时又注入了碳原子，更有利于非晶态的产生，使模具表面具有了更优良的润滑性能，降低了模具表面的摩擦系数，因而显著提高了工件的光洁度等表面性能，提高了模具寿命。
本发明的钢制模具复合表面处理方法使处理后的模具寿命较仅气体软氮化处理的模具寿命提高20-40倍，且使模具加工工件时降低挤压力10-30％。
另外，本发明的方法使处理后的模具不改变原有的尺寸精度和表面光洁度。
本发明的钢制模具复合表面处理方法在工业上方便易行，工艺易于控制，具有广阔的工业应用前景。
下面结合具体实施例进一步地说明本发明的钢制模具复合表面处理方法。
实施例1冷冲模具的气体软氮化与金属离子注入的复合表面处理方法。
首先将材质为Cr4W2MoV的冷冲模具进行气体软氮化，在常规化学热处理炉中即可进行，气体软氮化的处理温度为540℃，处理时间为3小时，所用气体气氛为常规气体软氮化气氛，模具进行气体软氮化之后，进行金属Ti离子注入，注入参数为真空度为2-3×10-3帕，金属Ti离子注入剂量为3×1017离子/cm2，注入能量100kev。
对如上处理后的冷冲模具进行性能检测，发现经如上处理后模具的表面硬度较仅进行气体软氮化后提高了1.5倍，使用寿命提高了20倍。
实施例2热挤压模具的气体软氮化与金属和碳双离子注入的复合表面处理方法。
首先将材质为H13钢的热挤压模具进行气体软氮化，处理温度为560℃，处理时间为4小时，之后进行金属Ti和碳双离子注入，注入参数为真空度2×10-3帕，Ti注入剂量4×1017离子/cm2，碳离子注入剂量为4×1017离子/cm2，注入剂量金属Ti离子150kev，碳离子80kev。
用经上述处理的热挤压模具挤压铝合金材，以测量其使用寿命。该处理的热挤压模具可挤压合格铝合金材2-3吨，而仅经气体软氮化的同样热挤压模具仅能挤压合格铝合金材100公斤左右，因而可看出，经本发明方法处理的热挤压模具的寿命提高了20-30倍。另外，经本发明处理的热挤压模具的挤压力与同样结构的仅经气体软氮化处理模具降低10-20％。
实施例3热冲模具的气体软氮化与金属和碳双离子注入的复合表面处理方法。
将材质为3Cr2W8V的热冲模具首先进行气体软氮化，处理温度为570℃，处理时间为2小时，之后进行金属Ta和碳双离子注入，注入参数为真空度3×10-3帕，注入剂量2×1018离子/cm2，注入能量金属Ta离子350kev，碳离子180kev。
测量复合表面处理后热冲模具的摩擦系数，摩擦系数从0.7降至0.1，因而可知，经本发明处理后的热冲模具的自润滑性能大大提高了。
由上述实施例及其性能测试结果可看出，经本发明的复合表面处理后的钢制模具(冷作和热作模具)的耐磨性、自润滑性等各种性能均得到提高，因而大大提高了模具的使用寿命和产品的合格率，提高了生产率，降低了生产成本，具有广阔的工业应用前景。
需进一步指出的是，本技术领域的技术人员都会知道，本发明的复合表面处理方法并不仅限于钢制模具的表面处理，同样可以用于各种工具钢的表面处理。
权利要求
1.一种钢制模具的复合表面处理方法，其特征在于该方法包括首先将钢制模具进行气体软氮化处理，然后再进行金属离子注入，其中所述注入金属元素选自Ti、Ta、Hf、W等。
2.权利要求1的钢制模具的复合表面处理方法，其中的气体软氮化处理参数为温度530-570℃，时间2-4小时。
3.权利要求1的钢制模具的复合表面处理方法，其中的金属离子注入参数真空度2-3×10-3帕，注入剂量5×1016-3×1018离子/cm2，注入能量80-400kev。
4.一种钢制模具的复合表面处理方法，其特征在于该方法包括首先将钢制模具进行气体软氮化处理，然后再进行金属和碳双离子注入，其中所述注入金属元素选自Ti、Ta、Hf、W等。
5.权利要求4的钢制模具的复合表面处理方法，其中的气体软氮化处理参数为温度530-570℃，时间2-4小时。
6.权利要求4的钢制模具的复合表面处理方法，其中的金属和碳双离子注入参数为真空度2-3×10-3帕，注入剂量金属和碳离子注入剂量均为5×1016-3×1018离子/cm2，注入能量金属元素80-400kev，碳元素50-200kev。
全文摘要
本发明涉及一种钢制模具的复合表面处理方法，该方法包括首先将钢制模具进行气体软氮化处理，再进行金属离子注入；或者首先将钢制模具进行气体软氮化处理，再进行金属和碳双离子注入，其中所述金属元素选自Ti、Ta、Hf、W等。该方法改善了钢制模具的耐磨性和自润滑性，显著地提高了模具的使用寿命，以及产品的合格率，具有广阔的工业应用前景。
文档编号C23C28/00GK1122380SQ9510974
公开日1996年5月15日 申请日期1995年8月25日 优先权日1995年8月25日
发明者桑吉梅, 林文廉, 袁晓珉, 徐骏, 丁晓纪 申请人:北京有色金属研究总院, 北京师范大学低能核物理研究所