[发明专利]一种高能等离子注入氮化物梯度材料表面强化汽车模具的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高能等离子注入改善表面性能方法，尤其是注入氮化物梯度材料强化汽车模具的方法。

背景技术

目前，传统的汽车模具表面处理方式有渗碳、超音速喷涂、激光熔覆、等离子喷涂等，这些技术通过改变汽车模具表面结构或者直接在其表面另外形成一层不同于基体的涂层，大大提高了汽车模具表层的硬度以及耐磨损性能。但是这些传统的表面改性技术存在一些缺点，如形成的扩散层较薄、渗入元素单一或者形成的涂层与基体的结合能力较差，这些都对汽车模具的表面性能如硬度、抗耐磨损性能有着很大的影响，从而直接降低了汽车模具的使用寿命。

发明内容

为了克服上述技术表面强化汽车模具所存在的硬度低、磨损性能差以及涂层与基体结合力弱等缺点，本发明提供一种高能等离子注入氮化物梯度材料表面强化汽车模具的方法。

为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：

高能等离子注入氮化物梯度材料表面强化汽车模具的方法，包括以下步骤：

(1)将汽车模具放入高能等离子注入机内，先抽真空至≤6.7×10^-3Pa，然后冲入Ar气完成离子清洗；

(2)在低真空，N₂气氛下先对汽车模具进行氮化，形成一层具有厚度达100微米以上的氮化层；

(3)在通常为Ar的工作气条件下，待注入金属由于辉光放电效应，离化形成大量的金属离子浸没汽车模具工件，对工件加以300-500V的脉冲电压，使得金属离子轰击汽车模具表面氮化层并进入汽车模具内部形成一层氮化物扩散层。

本发明的有益效果：

本发明可以明显增加渗层的厚度以及耐磨金属元素的注入量，增加了表面硬度，同时还可以注入不同组合的梯度氮化物，提高了汽车模具表面注入层的结合力，改善了其磨损性能。

附图说明

图1是本发明所涉及到的注入机的结构简图。

图2是以TiN/(WTi)N为例制备的氮化层的结构示意图。

图3是双层辉光渗金属炉的工艺流程图。

具体实施方式

如图1所示，注入机的结构主要由工作腔体、弧源、工作台(置放工件)、抽气和进气系统以及高压脉冲电源组成。当工件(汽车模具)进入设备内，先抽真空至≤6.7×10^-3Pa，然后冲入Ar气完成离子清洗。在N₂气氛下先对汽车模具经行等离子氮化，形成一层具有一定厚度(通常可达100个微米以上)的氮化层。随后注入金属离子，如图2所示以注入W和Ti元素为例，工作气体(通常为Ar气)条件下，先打开源极1(Ti源)，在工作气体(通常为Ar气)条件下由于辉光放电效应，离化形成大量的金属Ti等离子浸没工件(阳极)，这时对工件加以适量的脉冲电压，使得Ti金属离子轰击汽车模具表面氮化层并进入工件内部形成一层TiN扩散层。此后关闭弧源1，打开弧源2(W源)，同理注入金属W元素，通过改变注入时间，脉冲偏压等参数可在可在TiN扩散层上面形成一层含Ti的(Ti，W)N扩散层，这样就可在汽车磨具表面形成TiN/(W，Ti)N注入层。还可以通过增加Nb弧源形成TiN/(W，Ti)N/(Nb，W，Ti)N以及在耐磨金属如Ti、W、Mo、Nb中选取不同的元素形成所需组合的氮化物梯度渗层。

如图3所示，源极和工件在炉外装夹完成后，由专用液压升降料车送入炉内，自动执行以下工艺流程。第1段：抽真空至1Pa，第2段：真空保持，第3段：氮气复压，第4段：辅助加热至800℃，第5段：800℃保温，第6段：抽真空至1Pa，第7段：真空保持，第8段：回充氩气至30Pa，第9段：辉光加热，第10段：保温，第11段：充氮气约1.5Bar，第12段：内循环冷却，第13段：排气到大气压。