專利名稱：精密葉片熱鍛模具pcvd等離子體滲鍍復(fù)合強(qiáng)化方法
一、所屬領(lǐng)域本發(fā)明屬于等離子體表面改性領(lǐng)域，進(jìn)一步涉及一種精密葉片熱鍛模具的PCVD等離子體滲鍍復(fù)合強(qiáng)化方法。
目前，有關(guān)提高熱鍛模具表面質(zhì)量和使用壽命的方法主要從兩個(gè)方面研究，其一是材料成分設(shè)計(jì)及熱處理，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，材料體系已相對(duì)成熟，材料性能進(jìn)一步挖掘的潛力有限，如熱鍛模具材料已由原先的5CrNiMio(高韌性熱鍛模)、8Cr3(高耐磨熱鍛模具鋼)、3Cr2W8V(H21高熱強(qiáng)熱鍛模鋼)發(fā)展為現(xiàn)今強(qiáng)韌性配合較好的4Cr5MoSiV(H11)、4Cr5MoSiV1(H13)等；其二是開發(fā)各種表面改性技術(shù)，改善模具的服役性能。其中，等離子體滲氮是較早用于改善熱鍛模具磨擦磨損性能的表面技術(shù)，國(guó)內(nèi)大約在二十世紀(jì)七十年代開始引進(jìn)和開發(fā)，目前已成為工業(yè)成熟技術(shù)，葉片熱鍛模具目前普遍的表面改性技術(shù)既是等離子體滲氮，它是傳統(tǒng)滲碳、滲氮等化學(xué)熱處理的深化。
隨后發(fā)展了熱鍛模具的離子注入技術(shù)，包括氮離子和金屬離子注入，相繼取得了在模具表面離子改性的良好效果。該技術(shù)的特點(diǎn)是室溫處理，無尺寸變化，注入的視線性明顯，故適合于形狀較簡(jiǎn)單的精密熱鍛模具表面強(qiáng)化。其強(qiáng)化原理主要是超飽和固溶，由于注入表層較薄，強(qiáng)化效果相對(duì)有限。
離子鍍膜在磨擦學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用給表面強(qiáng)化技術(shù)帶來了一場(chǎng)革命，它通過在金屬表面復(fù)合一層陶瓷薄膜使其耐磨性和耐蝕性等發(fā)生根本改變。目前已有物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)及等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PCVD)等方法在不同類型模具上得到應(yīng)用。表面鍍膜的主要問題是薄膜與基體的附著性能，這也是鍍與滲、注的主要差別。事實(shí)上，各種表面強(qiáng)化技術(shù)都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，要使其在和其它技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中取得技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，各種技術(shù)之間必須相互滲透，采其它技術(shù)之長(zhǎng)或與其它技術(shù)相結(jié)合以增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)能力。例如物理氣相沉積涂層沉積溫度低，生長(zhǎng)速率快，但涂層應(yīng)力大，附著強(qiáng)度較低，在重載沖擊條件下易早期剝落；改用化學(xué)氣相沉積后，附著強(qiáng)度很好，但處理溫度偏高，需對(duì)鋼基體重新淬火硬化，不僅需添置真空淬火設(shè)備，防止高溫氧化，還可能因?yàn)榧訜崂鋮s使工件變形；離子注入層雖避免了膜基界面問題，但注入層較薄，視線性也難以根本解決，目前的設(shè)備和工藝運(yùn)行成本仍偏高。僅此事例說明綜合或復(fù)合各種表面強(qiáng)化技術(shù)，獲得全新的先進(jìn)改性層結(jié)構(gòu)體系是有望突破現(xiàn)有單項(xiàng)技術(shù)的較好途徑。將滲、注、鍍?nèi)惣夹g(shù)相互復(fù)合以求得優(yōu)化效果，代表了表面強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展方向。現(xiàn)今已發(fā)展了一些表面復(fù)合技術(shù)，如離子束輔助沉積是離子注入和離子束沉積的復(fù)合，后者產(chǎn)生的陶瓷薄膜使表層硬度得到極大提高，前者引入的離子注入層使膜與基體的界面性態(tài)得到有效改善；又如等離子體滲氮和物理氣相沉積薄膜的滲鍍復(fù)合處理進(jìn)一步改善了模具的表面性能。但迄今等離子體滲鍍復(fù)合報(bào)道的主要是等離子體滲氮和物理氣相沉積薄膜的分離處理(兩爐處理)，不但成本高，處理效果也難以適應(yīng)象熱鍛模這樣的苛刻工況條件。尚未發(fā)現(xiàn)針對(duì)精密葉片熱鍛模具的等離子體滲氮和物理氣相沉積鍍膜的分離處理，更未見有關(guān)針對(duì)H13材料制成的精密葉片熱鍛模具的PCVD等離子體同爐滲鍍復(fù)合處理的報(bào)道。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是利用申請(qǐng)人在八六三計(jì)劃支持下，于1999年初研制開發(fā)的工業(yè)型脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PCVD)設(shè)備(通過部級(jí)鑒定并獲國(guó)家發(fā)明專利，專利號(hào)991159594)的工作原理和技術(shù)特點(diǎn)，在同爐內(nèi)先進(jìn)行葉片熱鍛模具的等離子體滲氮處理，然后進(jìn)行鍍膜處理。由于PCVD滲氮時(shí)組織和層深可控，結(jié)合鍍膜優(yōu)化復(fù)合，可獲得良好結(jié)合的滲鍍層性能，明顯改善了模具的使用壽命，取得了單一處理難以達(dá)到的強(qiáng)化效果和分離處理難以降低的生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的具體方法是1)將經(jīng)1070℃淬火，530℃回火后的葉片模具(HRC＝43-50)經(jīng)表面除油、拋光后浸入丙酮中超聲波清洗，酒精脫水；2)然后放入工業(yè)型PCVD真空爐內(nèi)進(jìn)行等離子體滲氮和PCVD鍍膜(TiN或TiCN)處理。
其中等離子體滲氮工藝條件為脈沖電壓1000V，占空比1∶1，脈沖頻率17KHz，溫度520℃，氣壓1000-1500Pa，N2/(N2+H2)比例25％，滲氮時(shí)間20-30h。
PCVD TiN鍍膜工藝條件脈沖電壓700V，占空比1∶1，脈沖頻率17KHz，溫度520℃，氣壓200Pa，N2180ml/min，H2800-1000ml/min，Ar70ml/min，TiCl4(載H2)20-40ml/min，沉積時(shí)間4-6h。
經(jīng)上述滲鍍復(fù)合處理后模具表層組織為基體-擴(kuò)散層-TiN膜層。其中，擴(kuò)散層為氮在α-Fe中的固溶體，無化合物出現(xiàn)，滲氮層約150-180μm，TiN薄膜厚度約為2.0μm。經(jīng)過這種復(fù)合處理后的表面硬度Hv1800，高于TiN直接沉積在H13模具基材的表面硬度Hv1500，這歸因于滲層較高的支撐能力。同時(shí)，滲氮層較強(qiáng)的載荷支撐作用使得薄膜的附著強(qiáng)度有較大幅度提高。
PCVD TiCN鍍膜工藝條件脈沖電壓700V，占空比1∶1，脈沖頻率17KHz，溫度520℃，氣壓200Pa，N230ml/min，CH4120ml/min，H2800-1000ml/min，Ar70ml/min，TiCl4(載H2)20-40ml/min，沉積時(shí)間4-6h。
經(jīng)上述滲鍍復(fù)合處理后模具表層組織為基體-擴(kuò)散層-TiCN膜層，其中，擴(kuò)散層為氮在α-Fe中的固溶體，無化合物出現(xiàn)，滲氮層約150-180μm，TiCN薄膜厚度約為1.5μm。由于碳的加入這種復(fù)合處理后模具表面硬度為HV2200，因此，適合于更加苛刻的摩擦磨損條件。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
按照本發(fā)明的技術(shù)方案，將經(jīng)1070℃淬火，530℃回火后的葉片模具(HRC＝43-50)經(jīng)表面除油拋光后浸入丙酮中超聲波清洗，酒精脫水；然后放入工業(yè)型PCVD真空爐內(nèi)進(jìn)行等離子體滲氮和PCVD鍍膜(TiN或TiCN)處理。
其中等離子體滲氮工藝條件為脈沖電壓1000V，占空比1∶1，脈沖頻率17KHz，溫度520℃，氣壓1000-1500Pa，N2/(N2+H2)比例25％，滲氮時(shí)間20-30h。
PCVD TiN鍍膜工藝條件脈沖電壓700V，占空比1∶1，脈沖頻率17KHz，溫度520℃，氣壓200Pa，N2180ml/min，H2800-1000ml/min，Ar70ml/min，TiCl4(載H2)20-40ml/min，沉積時(shí)間4-6h。
PCVD TiCN鍍膜工藝條件脈沖電壓700V，占空比1∶1，脈沖頻率17KHz，溫度520℃，氣壓200Pa，N230ml/min，CH4120ml/min，H2800-1000ml/min，Ar70ml/min，TiCl4(載H2)20-40ml/min，沉積時(shí)間4-6h。
發(fā)明人給出了以下的實(shí)施例，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1針對(duì)180×120×100(長(zhǎng)×寬×高)規(guī)格的H13材料制成的精密葉片熱鍛模具，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，用等離子體滲氮和PCVD TiN同爐復(fù)合處理工藝參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)鍛壓鈦合金葉片考察，模具壽命由原來熱處理時(shí)的100件和單一等離子體滲氮的500件提高到1000件，且葉片表面質(zhì)量明顯改善，生產(chǎn)效率大幅提高。
實(shí)施例2針對(duì)240×180×120(長(zhǎng)×寬×高)規(guī)格的H13材料制成的精密葉片熱鍛模具，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，用等離子體滲氮和PCVD TiCN同爐復(fù)合處理工藝參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)鍛壓高溫鎳基合金葉片考察，模具壽命由原來熱處理時(shí)的100件和單一等離子體滲氮的500件提高到960件，且葉片表面質(zhì)量明顯改善，生產(chǎn)效率大幅提高。
實(shí)施例3針對(duì)240×180×120(長(zhǎng)×寬×高)規(guī)格的H13材料制成的精密葉片熱鍛模具，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，用等離子體滲氮和PCVD TiCN同爐復(fù)合處理工藝參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)鍛壓不銹鋼葉片考察，模具壽命由原來熱處理時(shí)的80件和單一等離子體滲氮的300件提高到500件，且葉片表面質(zhì)量明顯改善，生產(chǎn)效率大幅提高。
權(quán)利要求
1.一種精密葉片熱鍛模具PCVD等離子體滲鍍復(fù)合強(qiáng)化方法，其特征在于，按以下方法進(jìn)行1)將經(jīng)1070℃淬火，530℃回火后的葉片模具(HRC＝43-50)經(jīng)表面除油、拋光后浸入丙酮中超聲波清洗，酒精脫水；2)然后放入工業(yè)型PCVD真空爐內(nèi)進(jìn)行等離子體滲氮和PCVD鍍膜(TiN或TiCN)處理；等離子體滲氮工藝條件為脈沖電壓1000V，占空比1∶1，脈沖頻率17KHz，溫度520℃，氣壓1000-1500Pa，N2/(N2+H2)比例25％，滲氮時(shí)間20-30h。PCVD鍍膜(TiN)的工藝條件為脈沖電壓700V，占空比1∶1，脈沖頻率17KHz，溫度520℃，氣壓200Pa，N2180ml/min，H2800-1000ml/min，Ar70ml/min，TiCl4(載H2)20-40ml/min，沉積時(shí)間4-6h；PCVD鍍膜(TiCN)的工藝條件為脈沖電壓700V，占空比1∶1，脈沖頻率17KHz，溫度520℃，氣壓200Pa，N230ml/min，CH4120ml/min，H2800-1000ml/min，Ar70ml/min，TiCl4(載H2)20-40ml/min，沉積時(shí)間4-6h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種精密葉片熱鍛模具的PCVD等離子體滲鍍復(fù)合強(qiáng)化方法，將經(jīng)1070℃淬火，530℃回火后的葉片模具(HRC＝43－50)經(jīng)表面除油、拋光后浸入丙酮中超聲波清洗，酒精脫水；然后放入工業(yè)型PCVD真空爐內(nèi)進(jìn)行等離子體滲氮和PCVD鍍膜(TiN或TiCN)處理。經(jīng)上述滲氮和PCVD鍍膜處理后模具表層組織為基體—擴(kuò)散層—TiN或TiCN膜層，其中，擴(kuò)散層為氮在α－Fe中的固溶體，無化合物出現(xiàn)，滲氮層約150－180μm，TiN薄膜厚度約為2.0μm，TiCN薄膜厚度約為1.5μm。經(jīng)過這種復(fù)合處理后的表面硬度為Hv1800－2200，高于TiN直接沉積在H13模具基材的表面硬度Hv1500，這歸因于滲層較高的支撐能力。同時(shí)，滲氮層較強(qiáng)的載荷支撐作用使得薄膜的附著強(qiáng)度有較大幅度提高，適合于更加苛刻的摩擦磨損條件。
文檔編號(hào)C23C16/50GK1392285SQ0211448
公開日2003年1月22日 申請(qǐng)日期2002年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月25日
發(fā)明者馬勝利, 徐可為 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)