专利名称：一种新型CrAlTi(Y)N涂层高强度球墨铸铁及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种新型CrAlTi (Y)N涂层高强度球墨铸铁及其制备方法，主要用于中大型 冲压模具。与普通的热处理模具相比，该模具硬度高、耐磨性好，其热稳定性、导热性、耐 蚀性、抗氧化性以及高温硬度、高温强度等都有明显优势，采用该材料和方法制作模具的耐 用度和使用寿命提高卜25倍。成本与其相当，同时该模具具有更高的可靠性。
背景技术：
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随着经济的发展，汽车、地铁客车等车辆所需的中大型冲压件的生产和使用量急剧增多， 相应地中大型冲压件所需模具的数量也随之大幅度增加。近年来，全球制造业正向亚太地区 转移，我国正成为世界制造业的重要基地。作为产品制造重要工艺装备之一的模具工业将处 于竞争的第一线。以第一汽车集团公司模具制造公司为例，每年模具生产量就达500多套， 年产值达2.3亿元。加入WTO以后，我国各行业产品的品种和数量不断增加，换型加快，对 产品质量和外观也不断提出新要求，致使模具需求量增加，对模具的综合指标要求也越来越 高，因此，迅速提高模具技术水平已成为当务之急。
技术内容
本发明的目的在于提供一种新型CrAlTi(Y)N涂层高强度球墨铸铁及其制备方法，该 CrAlTi(Y)N涂层高强度球墨铸铁，其基体具有很高的强度，薄膜表面涂层具有很高的硬度， 进一步提高了该球铁的耐磨性。由于在涂层中加入稀土Y提高了涂层的韧性，提高涂层与球 铁基体的结合强度以及使用寿命。
本发明的上述目的是这样实现的
一种新型CrAlTi (Y) N涂层高强度球墨铸铁，球墨铸铁基体合金的成分质量百分含量:C: 3.5 3.7、 Si: 2.0 2.3、 Mn: 0.4 0.8、 Cu: 0.3 0.9、 P《0.07、 S《0.02 、 Fe和不可避免 的杂质92.21 93.71:
CrAlTi(Y)N涂层中合金元素质量百分含量Ti: 20 22.5、 Al: 20 22. 5、 Y: 0. 2 0.4、 Cr: 54.6 59.8。
一种新型CrAlTi (Y)N涂层高强度球墨铸铁制备方法，球墨铸铁合金工艺步骤如下 (1)合金的配制
Mn、 Cu含量对铸态珠光体球铁的组织和性能的影响较大，是模具材料国产化设计与优 化的关键所在，因此将Mn、 Cu含量及其它们之间的配比关系作为主要考察对象。选取的化 学成分(质量百分含量)分别为C: 3.4 3.9、 Si: 2.0 2.6、 P《0.07、 S《0.02，在这些成
分保持不变的情况下，取Mn的含量为0.4 0.8，而Cu的含量为0.3 0.9; (2)合金熔炼
在成分的优化与设计中，为使成分准确，实验合金在200Kg碱性中频感应电炉中熔炼， 先将生铁和废钢在炉中化清，然后加入合金，调整合金成分，待铁合金化清后，扒掉铁液表 面炉渣，最后出炉浇注；加入1.4%的稀土镁合金作为球化剂，0.5%的普通硅铁作为孕育剂， 将球化剂和孕育剂一起加在浇包底部，并在其上覆盖一层珍珠岩，以保证球化剂和孕育剂的 充分吸收，合金采用消失模浇注，试样尺寸为①30X300mm，微震后强震加固。
CrAlTi (Y)N涂层采用磁控溅射物理气相沉积法，具体工艺步骤是
a) 打开机械泵对真空腔内进行真空处理，使其腔内的真空达到5xlO"Pa;
b) 然后，打开分子泵继续对真空腔进行抽真空，使其真空达到4xlO—Spa;
c) 对真空腔内的靶材和基体进行20分钟的离子清洗，使其表面在空气中吸附的物质得 到清理；
d) 停止离子清洗，进行CrAlTiN薄膜的第一层Cr层的制备，时间为4分钟；
e) 进行4分钟的CrxN过度层制备，C^N过度层制备完成； F)最后进行90分钟的CrAlTiN层制备。
本发明的积极效果在于工艺性好，易于推广使用，并满足在严格的机械加工条件下稳 定工作。并且，相对于CrAlTi(Y)N涂层高强度球墨铸铁高使用寿命带来的经济效益来说， CrAlTi(Y)N涂层高强度球墨铸铁的生产成本比热处理的模具成本增高可以忽略不计。此外， CrAlTi (Y) N涂层高强度球墨铸铁对生产中的能耗起到了积极的作用。
图1 一种新型CrAlTi(Y)N涂层高强度球墨铸铁，铸铁基体组织；
图2 —种新型CrAlTi (Y)N涂层高强度球墨铸铁截面照片；
图3 —种新型CrAlTi(Y)N涂层高强度球墨铸铁磨损后截面照片。
具体实施例方式
实例1:
一种新型CrAlTi(Y)N涂层高强度球墨铸铁，球墨铸铁的成分为(按重量份数比)C: 3.5 3.7%、 Si: 2.0 2.3%、 Mn: 0.4%、 Cu: 0.3%、 P《0.07%、 S《0.02%、 Fe: 93.21 93.7L
制备方法
(1) 球墨铸铁合金的配制
Mn、 Cu含量对铸态珠光体球铁的组织和性能的影响较大，因此将Mn、 Cu含量及其它 们之间的配比关系作为主要考察对象。选取的化学成分分别为C: 3.5 3.7%、Si: 2.0 2.3%、 P《0.07%、 S《0.02%，在这些成分保持不变的情况下，取Mn的含量为0.4M，而Cu依次为 0.3%，
(2) 球墨铸铁合金熔炼
在成分的优化与设计中，为使成分准确，实验合金在12Kg碱性中频感应电炉中熔炼， 先将生铁和废钢在炉中化清，然后加入合金，调整合金成分，待铁合金化清后，扒掉铁液表 面炉渣，最后出炉浇注。加入1.4%的稀土镁合金作为球化剂，0.5%的普通硅铁作为孕育剂。 将球化剂和孕育剂一起加在浇包底部，并在其上覆盖一层珍珠岩，以保证球化剂和孕育剂的 充分吸收。合金采用壳型浇注，壳型采用PEPSET自硬树脂砂制成，内径①30X300mm，厚 度为10mm，然后将壳型放于油漆桶中，外部填上铁丸，微震加固。
球墨铸铁合金基体的机械性能
抗拉强度775 N/隱2、屈服强度625 N/mm2、延伸率3. 7%、硬度286 HB。 实例2:
一种新型CrAlTi(Y)N涂层高强度球墨铸铁，球墨铸铁的成分为(按重量份数比)C: 3.5 3.7%、 Si: 2.0 2.3%、 Mn: 0.8°/0、 Cu: 0.9%、 P《0.07%、 S《0.02o/o、 Fe: 92.71 93.21。
合金的配制方式和熔炼方式与实施例1相同。 球墨铸铁合金基体的机械性能
抗拉强度820 N/mm2、屈服强度655 N/mm2、延伸率5%、硬度256 HB。 实例3:
一种新型CrAlTi(Y)N涂层高强度球墨铸铁，球墨铸铁的成分为(按重量份数比)C-3.5 3.70/。、 Si: 2.0 2.3%、 Mn: 0.4o/。、 Cu: 0.60/o、 P《0.070/o、 S《0.02%、 Fe: 93.41 93.91。
合金的配制方式和熔炼方式与实施例1相同。 球墨铸铁合金基体的机械性能
抗拉强度810 N/鹏2、屈服强度635 N/mm2、延伸率5%、硬度248 HB。 实例4:
一种新型CrAITi (Y) N涂层高强度球墨铸铁，CrAITi (Y) N涂层中合金元素质量百分含量 Ti: 20 22.5、 Al: 20 22.5、 Y: 0.2、 Cr: 54.6 59.8。 CrAITi (Y)N涂层制备方法
CrAITi (Y)N涂层采用磁控溅射物理气相沉积法，具体工艺步骤是-
a) 打开机械泵对真空腔内进行真空处理，使其腔内的真空达到5xl0—^a。
b) 然后，打开分子泵继续对真空腔进行抽真空，使其真空达到4xlO—Spa。
c) 对真空腔内的靶材和基体进行20分钟的离子清洗，使其表面在空气中吸附的物质得 到清理。
d) 停止离子清洗，进行CrAlTiN薄膜的第一层Cr层的制备，时间为4分钟。
e) 进行4分钟的C^N过度层制备，CXN过度层制备完成。
f) 最后进行90分钟的CrAlTiN层制备。 CrAlTi(Y)N涂层的硬度19. 7GPa。 实例5:一种新型CrAlTi(Y)N涂层高强度球墨铸铁，CrAlTi(Y)N涂层中合金元素质量百分含量: Ti: 20 22.5、 Al: 20 22.5、 Y: 0.3、 Cr: 54.6 59.8。 CrAlTi(Y)N涂层制备方法
CrAlTi (Y)N涂层采用磁控溅射物理气相沉积法，具体工艺步骤是
a) 打开机械泵对真空腔内进行真空处理，使其腔内的真空达到5xlO"Pa。
b) 然后，打开分子泵继续对真空腔进行抽真空，使其真空达到4xlO—Spa。
c) 对真空腔内的靶材和基体进行20分钟的离子清洗，使其表面在空气中吸附的物质得 到清理。
d) 停止离子清洗，进行CrAlTiN薄膜的第一层Cr层的制备，时间为4分钟。
e) 进行4分钟的(XN过度层制备，CrxN过度层制备完成。
f) 最后进行90分钟的CrAlTiN层制备。 CrAlTi(Y)N涂层的硬度:19.9GPa。 实例6:
一种新型CrAlTi (Y)N涂层高强度球墨铸铁，CrAlTi (Y) N涂层中合金元素质量百分含量 Ti: 20 22.5、 Al: 20 22.5、 Y: 0.4、 Cr: 54.6 59.8。 CrAlTi(Y)N涂层制备方法
CrAlTi (Y)N涂层采用磁控溅射物理气相沉积法，具体工艺步骤是
a) 打开机械泵对真空腔内进行真空处理，使其腔内的真空达到5xlO"Pa。
b) 然后，打开分子泵继续对真空腔进行抽真空，使其真空达到4xl(^Pa。
c) 对真空腔内的靶材和基体进行20分钟的离子清洗，使其表面在空气中吸附的物质得 到清理。
d) 停止离子清洗，进行CrAlTiN薄膜的第一层Cr层的制备，时间为4分钟。
e) 进行4分钟的Ci^N过度层制备，CrxN过度层制备完成。
f) 最后进行90分钟的CrAlTiN层制备。 CrAlTi(Y)N涂层的硬度:19. 4GPa。
权利要求
1、一种新型CrAlTi(Y)N涂层高强度球墨铸铁，其特征在于球墨铸铁基体合金的成分质量百分含量C3.5～3.7、Si2.0～2.3、Mn0.4～0.8、Cu0.3～0.9、P≤0.07、S≤0.02、Fe和不可避免的杂质92.21～93.71；CrAlTi(Y)N涂层中合金元素质量百分含量Ti20～22.5、Al20～22.5、Y0.2～0.4、Cr54.6～59.8。
2、 一种新型CrAlTi(Y)N涂层高强度球墨铸铁制备方法，其特征在于球墨铸铁工艺步 骤如下(1) 合金的配制以Mn、 Cu含量及其它们之间的配比关系作为主要考察对象，选取的化学成分按质量百 分含量分别为C: 3.4 3.9、 Si: 2.0 2.6、 P《0.07、 S《0.02，在这些成分保持不变的情况 下，取Mn的含量分别为0.8和0.4，而Cu依次为0.3、 0.45、 0.6、 0.9。(2) 合金熔炼选用实验合金200Kg碱性中频感应电炉中熔炼，先将生铁和废钢在炉中化清，然后加 入合金，调整合金成分，待铁合金化清后，扒掉铁液表面炉渣，最后出炉浇注；以1.4%的 稀土镁合金作为球化剂，0.5%的普通硅铁作为孕育剂一起加在浇包底部，并在其上覆盖一层 珍珠岩，以保证球化剂和孕育剂的充分吸收，合金采用消失模浇注，试样尺寸①30X300mm，微震后强震加固。
全文摘要
本发明涉及一种新型CrAlTi(Y)N涂层高强度球墨铸铁及其制备方法，主要用于中大型冲压模具。球墨铸铁基体合金的成分质量百分含量C3.5～3.7、Si2.0～2.3、Mn0.4～0.8、Cu0.3～0.9、P≤0.07、S≤0.02、Fe和不可避免的杂质92.21～93.71；CrAlTi(Y)N涂层中合金元素质量百分含量Ti20～22.5、Al20～22.5、Y0.2～0.4、Cr54.6～59.8。其制备方法包括(1)合金的配制和(2)合金熔炼工艺步骤。采用该材料和方法制作模具的耐用度和使用寿命提高1-25倍。成本与其相当，同时该模具具有更高的可靠性。
文档编号C22C37/04GK101353752SQ200810051179
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月17日 优先权日2008年9月17日
发明者刘兆政, 刘耀辉, 朱先勇 申请人:吉林大学