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摘要:为提高PCVD硬质膜与基体之间的综合性能,如硬度、断裂韧度及界面结合力等,本文介绍了一种铝合金空心管挤出模具的PCVD表面处理方法,在挤出模具表面形成若干镀层,提高膜基体系的综合性能。
关键词:挤出模具、镀膜材料、渗氮、表面处理
1、技术背景
等离子体渗氮是较早用于改善挤压模具摩擦磨损性能的表面技术,但该处理方法改性的表面抗磨损系数低,并不能大幅度提高挤压模具的寿命。离子镀膜在摩擦学领域的应用给表面强化技术带来了一场革命,它通过在金属表面复合一层陶瓷薄膜使其耐磨性和耐蚀性等发生根本改变。
等离子气相沉积(PCVD)是离子镀膜的一种新技术。PCVD技术在低温下不仅有较大的沉积速率,而且生成的镀层结构较为稳定,其镀 层密度大,应力大。目前,应用PCVD技术处理的高温耐磨镀层主要为单一的镀层。PCVD硬质膜多为陶瓷材料,其厚度通常只有几微米,而基体一般是金属或合金,二者的硬度、弹性模量及热膨胀系数相差较远,加之晶格类型也不尽相同,这样会使PCVD硬质膜中缺陷增多,残留应力增加,硬度和结合力下降。
2、PCVD表面处理技术
将铝合金空心管挤出模具经热处理后在预定位置通过PCVD进行镀膜,镀膜为依次覆着的4层,在挤出模具表面覆盖多层PCVD镀膜,提高膜基体系的硬度、断裂韧度及界面结合 力,防止镀膜在压应力的作用下断裂或剥落,延长挤出模具的使用寿命。
第一层的镀膜材料为氮化钛(TiN),第二层的镀膜材料为氮化硅钛(TiSiN),第三层的镀膜材料为碳氮化钛(TiCN),第四层的镀膜材料为碳化钛(TiC)。
氮化钛镀膜硬度不高但结合力强度较大,适合镀设在基体表面,增强镀层与基体之间的结合强度。碳化钛镀膜硬度虽高,但其与基体的结合力较弱,不适于镀设在基体表面。氮化硅铝镀膜是多元复合膜层,其既具有接近碳化钛的高硬度耐磨性,又具有与氮化钛 膜层相当的结合强度,大大改善了膜层的性能。
最靠近基体的镀膜为第一层,向外依次为第二层、第三层、第四层,由内而外各层的厚度比为:0.1∶1∶0.2∶0.3,镀膜所有层总厚度为8~10μm。镀膜温度为500~600℃,镀膜时间为8~10小时。热处理为依次进行的淬火和回火,淬火温度为1120℃, 回火温度为550℃。
3、工艺条件
(1)氮化钛(TiN)镀膜的工艺条件:脉冲电压700V,占空比1∶1,脉冲 频率17KHz,温度520℃,气压200Pa,N2180ml/min,H2800~1000ml/min, Ar70ml/min,TiCl4(载气H2)20~40ml/min;
(2)碳化钛(TiC)镀膜的工艺条件:脉冲电压700V,占空比1∶1,脉冲 频率17KHz,温度520℃,气压200Pa,CH4180ml/min,H2800~1000ml/min, Ar70ml/min,TiCl4(载气H2)20~40ml/min;
(3)碳氮化钛(TiCN)镀膜的工艺条件:脉冲电压700V,占空比1∶1,脉 冲频率17KHz,温度520℃,气压200Pa,N230ml/min,CH4120ml/min, H2800~1000ml/min,Ar70ml/min,TiCl4(载气H2)20~40ml/min;
(4)氮化硅钛(TiSiN)镀膜的工艺条件:脉冲电压700V,占空比1∶1, 脉冲频率17KHz,温度520℃,气压200Pa,N2180ml/min,H2 800~1000ml/min,Ar70ml/min,TiCl4、SiCl4(载气H2)20~40ml/min。
4、对比实验
以热作模具钢H13材料制成的铝合金空心管挤出模具为例。
首先对挤出模具进行热处理:淬火温度为1120℃,回火温度为550℃ (HRC=52~54),然后进行除油、剖光、脱水;
其次,采用不同的镀膜及镀膜厚度进行对比:
对比例 | 镀膜 | 各层镀膜的厚度 | 可生产铝合金空心管 | 镀膜的硬度 |
对比例1 | TiN、TiC、TiCN、TiSiN | 0.5μm、5 μm、1μm、1.5μm | 6吨 | Hv2900 |
对比例2 | TiC、TiN、TiCN、TiSiN | 0.5μm、5 μm、1μm、1.5μm | 5.3吨 | Hv2900 |
对比例3 | TiN、Al2O3、TiCN、TiSiN | 0.5μm、 5μm、1μm、1.5μm | 5.1吨 | Hv2800 |
对比例4 | TiN、Al2O3、TiCN、TiC | 0.5μm、5μ m、1μm、1.5μm | 6.6吨 | Hv2800 |
对比例5 | TiN、TiCN、TiSiN、TiC | 0.5μm、5 μm、1μm、1.5μm | 9.3吨 | Hv3000 |
对比例6 | TiN、TiCN、TiSiN、TiC | 0.5μm、5 μm、1μm、1.5μm | 9.5吨 | Hv3000 |
对比例7 | TiN、TiCN、TiSiN、TiC | 0.6μm、6 μm、1.2μm、1.8μm | 9.8吨 | Hv3000 |
对比例8 | TiN、TiCN、TiSiN、TiC | 1μm、10μ m、2μm、3μm | 8吨 | Hv3000 |
对比例9 | TiN、TiC | 3μm、5μm | 4吨 | Hv3000 |
对比例10 | TiN | 8μm | 3.5吨 | Hv2300 |
5、结论
在挤出模具表面覆盖多层PCVD镀膜,缩小镀膜与基体二者之间的硬度、弹性模量及热膨胀系数的差异,减小镀膜中的缺陷,提高膜基体系的硬度、断裂韧度及界面结合力,防止镀膜在压应力的作用下断裂或剥落,延长挤出模具的使用寿命。
经传统渗氮表面处理的铝合金空心管挤出模具可生产空心管1~2吨,本文提出的表面处理方法处理后的铝合金空心管挤出模具可生产空心管8~10吨,且使用寿命是经传统渗氮表面处理的铝合金空心管挤出模具的4~10倍,大大延长了挤出模具的使用寿命。
参考文献
[1] 刘英坤, 朱峰, 伍超群. 铜合金模具表面处理技术简介[J]. 热处理技术与装备, 2011.
[2] 侯惠君, 代明江, 林松盛,等. 表面处理技术在模具上的应用[J]. 材料研究与应用, 2012.