專利名稱：熱作模具鋼表面等離子體稀土處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體稀土材料在熱模鋼中的應(yīng)用，具體涉及稀土金屬材料的等離子體化和熱作模具鋼。
背景技術(shù)：
在物質(zhì)的等離子體狀態(tài)下，由于等離子體的高溫特性，粒子具有很高的活化能，粒子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的幾率比常規(guī)化學(xué)反應(yīng)大很多，并能進(jìn)行常規(guī)狀態(tài)下無法發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，這樣就能獲得非常獨特的效果。同時，當(dāng)高能等離子體撞擊物體表面時，經(jīng)常導(dǎo)致物體表面微觀構(gòu)形發(fā)生很大變化，由此也能產(chǎn)生特定的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。
目前，在離子注入方面，國內(nèi)外均采用單一純金屬離子注入形式或幾種單一純金屬復(fù)合形式離子注入，未見采用合金的形式離子注入。也有采用釔離子注入H13鋼以提高其抗氧化的報道。但沒有將混合稀土合金離子注入到H11、ASSAB8407鋼、H13鋼或者4Cr2MoWVNi鋼、3Cr2W8V鋼、5CrNiMo鋼、4CrW2Si鋼、4Cr5MoSiV鋼、5CrMnMo鋼、CrWMn鋼、甚至45#鋼、60#鋼的報道，更沒有關(guān)于將AlRE合金注入到熱作模具表面的報道。
雖然有些熱作模具鋼材料中也含有微量的稀土元素，但這些稀土元素是在冶煉時有意熔煉到模具鋼中，用來提高模具鋼材料的力學(xué)性能、高溫性能及其它性能的，即稀土金屬進(jìn)入模具鋼材料的方式為冶煉，其稀土金屬元素濃度受固溶度的限制。而采用稀土離子注入的方式，稀土離子在模具鋼表面的濃度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過固溶度的限制。
金屬材料在極限強(qiáng)度以下，長期承受交變負(fù)荷的作用，在不發(fā)生顯著塑性變形的情況下而突然斷裂的現(xiàn)象，稱之疲勞。在熱循環(huán)和交變負(fù)荷條件下，金屬材料在不發(fā)生顯著塑性變形的情況下而突然開裂的現(xiàn)象，稱之熱疲勞。熱作模具工作時環(huán)境實際上是處于不斷的升溫——冷卻工作環(huán)境下，即處于熱循環(huán)條件下。但由于各類熱作模具工作環(huán)境不同，受其影響的大小也不同。Z195109743等公開的金屬表面處理的方法，是針對提高擠壓模表面的磨擦性能，以增加擠壓模的壽命。這種模具在工作時受熱循環(huán)和交變負(fù)荷的影響要小得多，它主要受摩擦的影響，注塑模受熱循環(huán)的影響更小，模具發(fā)生熱疲勞失效的幾率很小。該方法不能適用于工作時熱循環(huán)和交變負(fù)荷大的精密鍛造模、壓鑄模。
精密鍛造模、壓鑄模均屬于熱作模具類，與其它熱作模具不同，它們有一個共同的特點就是，長期工作在熱循環(huán)條件下，模具的使用壽命主要受材料的熱疲勞影響。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，壓鑄模具產(chǎn)生失效的原因中，鋼材熱疲勞約占70％，模具失效形式多為網(wǎng)狀龜裂。對于精密鍛造模具，鋼材熱疲勞也是其主要的失效原因，模具失效形式一般為崩裂和變形。因此，對于熱作模具來說，對模具的抗熱疲勞性、高溫強(qiáng)度、高溫硬度、抗熱裂方面的要求要比對其耐磨性、耐腐蝕性的要求更重要些。
以精密鍛造來說，它是一種使用壓力機(jī)進(jìn)行閉式模鍛的現(xiàn)代先進(jìn)加工方法，被加工零件毛坯一次成形，鍛造節(jié)拍快，生產(chǎn)效率高，鍛件形狀與表面質(zhì)量要求嚴(yán)格。根據(jù)其鍛造工藝特性，模具承受的載荷較大，這就要求模具具有更高的高溫強(qiáng)度、韌性、熱穩(wěn)定性、高溫硬度。由于生產(chǎn)節(jié)拍快和每個零件鍛完后都必須對模具直接進(jìn)行水冷卻，因而精密鍛造模具在工作過程中，是處于溫度快速升高和急劇降低的高速循環(huán)之中，模具表面壓應(yīng)力和拉應(yīng)力在不停地快速轉(zhuǎn)換，應(yīng)力大小又超過模具鋼材料的屈服極限，不停地產(chǎn)生壓縮變形和拉伸變形，模具表層的成百上千次的壓縮變形和拉伸變形，必將產(chǎn)生熱疲勞，因此，對鍛造模具來說，必須具有較高的抗熱疲勞的能力，以免因熱疲勞裂紋使模具過早破裂。對于壓鑄，開始生產(chǎn)時，模具表面從室溫快速升溫超過250℃，模具表面局部膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力，而且當(dāng)壓鑄件被頂出脫模，采用脫模劑對模具噴涂冷卻時，模具表面應(yīng)力又轉(zhuǎn)換為拉應(yīng)力，在模具表層產(chǎn)生一次壓縮變形和拉伸變形，多次的熱循環(huán)，必將產(chǎn)生熱疲勞，從而導(dǎo)致壓鑄模網(wǎng)狀龜裂。目前尚未發(fā)現(xiàn)通過離子注入的方法以提高精密鍛造模、壓鑄模抗熱疲勞性能的專利和文獻(xiàn)公開。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于在熱作模具特別是精密鍛造模具和壓鑄模表面制造一種新功能結(jié)構(gòu)材料，以提高熱作模具在高溫條件下，抗熱疲勞性、高溫強(qiáng)度、高溫硬度、抗熱裂等方面的性能，從而大大提高熱作模具的使用壽命。具體做法為在熱作模具表面生成一層等離子體稀土熱模鋼新材料，使得該新材料具有一些獨特的性質(zhì)。
發(fā)明是以混合稀土合金離子注入提高熱作模鋼的抗熱疲勞性能的方法，其特征在于它是以含鈰鑭混合稀土的合金為離子注入材料，其離子注入?yún)?shù)為束流密度為10-100μA/cm2、注入電壓為15-100KV、注入時間為1-5小時，離子注入劑量為1×1015-9×1018inos/cm2。
在真空裝置中，將稀土金屬離子化，使其能被電場加速，磁場控制，稀土離子以較高的能量轟擊模具鋼表面，經(jīng)過一段時間的轟擊，使一定劑量的稀土離子進(jìn)入到模具鋼表面內(nèi)。
獲得稀土離子的做法有兩種，一種為用混合稀土合金作為電極；另一種為用含混合稀土金屬的鋁合金或鎳合金作為電極，然后將電極金屬材料等離子體化，并將形成的等離子體態(tài)金屬與氣體等離子體單獨、交替或混合撞擊待處理模具鋼。同時，除了含有較大量的稀土離子外，合金中含有的其它離子如硼B(yǎng)、鈷Co、錳Mn等也在同時注入，實際上該合金電極材料可以看作為稀土合金系或A1RE系合金、NiRE系合金。
采用單一純金屬離子注入形式和采用幾種單一純金屬交替復(fù)合離子注入形式得到的材料表面改性效果有差異。因此，采用合金形式的離子注入與采用前兩種離子注入形式的材料表面改性效果存在差異。采用稀土離子注入的方式，較將稀土離子熔煉在模具鋼內(nèi)，稀土離子在模具鋼表面的濃度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過稀土離子熔煉在模具鋼內(nèi)固溶度的限制。
在本發(fā)明中，稀土金屬先被等離子體化，然后再用這些等離子體態(tài)的稀土離子轟擊熱模鋼材料生成等離子體稀土熱模鋼新材料，即稀土金屬進(jìn)入模具鋼材料的方式為離子注入。稀土金屬離子注入可以為超飽和狀態(tài)。
本發(fā)明所用稀土為混合稀土，屬鑭系稀土，以鈰Ce、鑭La為主。
本發(fā)明的等離子體稀土熱模鋼新功能結(jié)構(gòu)材料位于模具鋼被轟擊表面，層厚為幾nm——幾um，其力學(xué)性能、高溫性能及其它性能也有別與母材和用冶煉方法獲得的材料。
具體實施例方式
實施例一模具材料為H11鋼，首先用物理方法或化學(xué)方法對精密鍛造模進(jìn)行除油、除污、除銹清洗，在專用設(shè)備中，將含富鈰混合稀土合金材料作為陰極，以精密鍛造模為離子注入對象，在一定真空度的情況下，再進(jìn)行氬Ar離子濺射處理。選定合適的束流密度10～50Am/cm2、注入電壓20～80kv、注入時間1～3h等工藝參數(shù)，使離子注入劑量1×1015-5×1017inos/cm2，得到等離子體稀土熱模鋼新材料。
經(jīng)過上述表面處理方法后，精密鍛造模的使用壽命提高一倍以上，效果良好。
實施例二模具材料為H11鋼，首先用物理方法或化學(xué)方法對精密鍛造模進(jìn)行除油、除污、除銹清洗，在專用設(shè)備中，將含富鈰混合稀土金屬的鋁合金材料作為電極，同時加上氮N+注入，以精密鍛造模為離子注入對象。選定合適的束流密度10～50uA/cm2、注入電壓20～80kv、注入時間2～5h等工藝參數(shù)，使離子注入劑量3×1016-9×1018inos/cm2，得到等離子體稀土熱模鋼新功能結(jié)構(gòu)材料。
經(jīng)過上述表面處理方法后，精密鍛造模的使用壽命可提高1.5倍以上。
實施例三模具材料為ASSAB8407鋼，首先用物理方法或化學(xué)方法對精密鍛造模進(jìn)行除油、除污、除銹清洗，在專用設(shè)備中，將含鈰鑭混合稀土的鋁合金作為電極，同時加上氮N+注入，以精密鍛造模為離子注入對象。選定合適的束流密度10～30uA/cm2、注入電壓20～40kv、注入時間2～5h等工藝參數(shù)，使離子注入劑量3×1016-9×1018inos/cm2，得到等離子體稀土熱模鋼新功能結(jié)構(gòu)材料。
實施例四模具材料為ASSAB8407鋼，首先用物理方法或化學(xué)方法對精密鍛造模進(jìn)行除油、除污、除銹清洗，在專用設(shè)備中，將含鈰鑭混合稀土、硼的鋁合金作為電極，同時加上氮N+注入，以精密鍛造模為離子注入對象。選定合適的束流密度10～50uA/cm2、注入電壓20～80kv、注入時間1～3h等工藝參數(shù)，使離子注入劑量1×1015-4×1017inos/cm2，得到等離子體稀土熱模鋼新功能結(jié)構(gòu)材料。
實施例五模具材料為ASSAB8407鋼，首先用物理方法或化學(xué)方法對精密鍛造模進(jìn)行除油、除污、除銹清洗，在專用設(shè)備中，將含鈰鑭混合稀土、硼B(yǎng)、錳Mn的鋁合金作為電極，同時加上氮N+注入，以精密鍛造模為離子注入對象。選定合適的束流密度20～30uA/cm2、注入電壓25～50kv、注入時間1～3h等工藝參數(shù)，使離子注入劑量7×1016-9×1017inos/cm2，得到等離子體稀土熱模鋼新功能結(jié)構(gòu)材料。
實施例六模具材料為4Cr2MoWVNi鋼，首先用物理方法或化學(xué)方法對精密鍛造模進(jìn)行除油、除污、除銹清洗，在專用設(shè)備中，將含鈰鑭合稀土、鈷Co的鋁合金作為電極，同時加上氮N+注入，以精密鍛造模為離子注入對象。選定合適的束流密度20～30uA/cm2、注入電壓20～45kv、注入時間1～3h等工藝參數(shù)，使離子注入劑量9×1016-1×1018inos/cm2，得到等離子體稀土熱模鋼新功能結(jié)構(gòu)材料。
實施例七模具材料為4Cr2MoWVNi鋼，首先用物理方法或化學(xué)方法對精密鍛造模進(jìn)行除油、除污、除銹清洗，在專用設(shè)備中，將含鈰鑭混合稀土的鎳合金作為電極，同時加上氮N+注入，以精密鍛造模為離子注入對象。選定合適的束流密度30～50uA/cm2、注入電壓20～50kv、注入時間1～3h等工藝參數(shù)，使離子注入劑量9×1016-2×1018inos/cm2，得到等離子體稀土熱模鋼新功能結(jié)構(gòu)材料。
實施例八
模具材料為H11鋼，首先用物理方法或化學(xué)方法對精密鍛造模進(jìn)行除油、除污、除銹清洗，在專用設(shè)備中，將含鈰鑭混合稀土、鎳Ni的鋁合金作為電極，同時加上氮N+注入，以精密鍛造模為離子注入對象。選定合適的束流密度10～30uA/cm2、注入電壓20～40kv、注入時間1～3h等工藝參數(shù)，使離子注入劑量1.6×1015-2×1017inos/cm2，得到等離子體稀土熱模鋼新功能結(jié)構(gòu)材料。
實施例九在專用設(shè)備中，將混合稀土金屬或含稀土金屬的材料作為靶，用高能離子束(如激光)打擊稀土靶引出等離子體稀土，控制、加速等離子體稀土，轟擊精密鍛造模，使一定劑量的稀土離子進(jìn)入到模具鋼表面，得到等離子體稀土熱模鋼新功能結(jié)構(gòu)材料。
實施例十在專用設(shè)備中，將混合稀土金屬或含稀土金屬的材料作為靶，用高能離子束(如激光)打擊稀土靶引出等離子體稀土，控制、加速等離子體稀土，轟擊精密鍛造模；另外，當(dāng)不用稀土離子轟擊精密鍛造模時，改用N+或其它離子轟擊模具，使一定劑量的稀土離子進(jìn)入到模具鋼表面，得到等離子體稀土熱模鋼新功能結(jié)構(gòu)材料。
在制造等離子體稀土熱作模具鋼時，如果所選取的注入離子種類、束流密度、注入電壓、注入時間、注入離子的先后次序等不同，生成材料的性質(zhì)和性能就可能有差別。因此，選擇合理的工藝是得到新功能結(jié)構(gòu)材料的關(guān)鍵。束流密度為10-100μA/cm2、注入電壓為15-100KV、注入時間為1-5小時，注入劑量數(shù)量級為1×1015-9×1018inos/cm2。
由于本發(fā)明方法對提高精密鍛造模具和壓鑄模的抗熱疲勞性能有十分顯著效果，因此，本發(fā)明方法不限于上述熱作模具，也可適用于提高其它熱作模具的抗熱疲勞性能。用于制造熱作模具常見的牌號有H11、ASSAB8407鋼、H13鋼(4Cr5MoSiV1鋼)、4Cr2MoWVNi鋼、3Cr2W8V鋼、5CrNiMo鋼、4CrW2Si鋼、4Cr5MoSiV鋼、5CrMnMo鋼、CrWMn鋼、還有45#鋼、60#鋼等。
權(quán)利要求
1.一種熱作模具鋼表面等離子體稀土處理方法，它是以混合稀土合金離子注入提高熱作模具鋼的抗熱疲勞性能的方法，其特征在于它是以含鈰鑭混合稀土的合金為離子注入材料，其離子注入?yún)?shù)為束流密度為10-100μA/cm2、注入電壓為15-100KV、注入時間為1-5小時，離子注入劑量為1×1015-9×1018inos/cm2。
2.如權(quán)利要求1所述熱作模具鋼表面等離子體稀土處理方法，其特征在于合金為含鈰鑭混合稀土的鋁合金或含鈰鑭混合稀土的鎳合金。
3.如權(quán)利要求1所述熱作模具鋼表面等離子體稀土處理方法，其特征在于它還包括氮N+的注入。
4.如權(quán)利要求2所述熱作模具鋼表面等離子體稀土處理方法，其特征在于合金為含鈰鑭混合稀土、硼的鋁合金。
5.如權(quán)利要求2所述熱作模具鋼表面等離子體稀土處理方法，其特征在于合金為含鈰鑭混合稀土、鎳Ni的鋁合金。
6.如權(quán)利要求2所述熱作模具鋼表面等離子體稀土處理方法，其特征在于合金為含鈰鑭混合稀土、鈷Co的鋁合金。
7.如權(quán)利要求2所述熱作模具鋼表面等離子體稀土處理方法，其特征在于合金為含鈰鑭混合稀土、硼B(yǎng)、錳Mn的鋁合金。
8.如權(quán)利要求1至7所述熱作模具鋼表面等離子體稀土處理方法，其特征在于所述合金為陰極或靶材進(jìn)行注入。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱作模具鋼表面等離子體稀土處理方法。它是以含鈰鑭混合稀土的合金離子注入提高熱作模鋼的抗熱疲勞性能的方法,在制造等離子體稀土熱作模具鋼時,如果所選取的注入離子種類、束流密度、注入電壓、注入時間、注入離子的先后次序等不同,生成材料的性質(zhì)和性能就可能有差別。本發(fā)明方法對提高精密鍛造模具和壓鑄模的抗熱疲勞性能有十分顯著效果。
文檔編號C23C10/00GK1386893SQ0211567
公開日2002年12月25日 申請日期2002年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月1日
發(fā)明者馮俊, 馮潔, 沈麗如, 陳云青, 陳永升, 胡明發(fā), 鮑衛(wèi)寧, 金鑫, 李賓, 童幸生 申請人:江漢大學(xué), 東風(fēng)汽車有限公司工藝研究所, 武漢稟天激光納米科技有限公司