[发明专利]一种金属模具钢表面复合双重处理方法

说明书

本发明提供了一种金属模具钢表面复合双重处理方法，包括：金属模具钢表面清洁、金属模具钢表面干燥预处理、采用辅助离子源对真空室内的模具钢表面实施离子刻蚀、采用辅助离子源，对模具实现碳氮离子共渗、碳氮离子共渗后再采用辅助离子源实施氩离子轰击刻蚀表面和采用非对称双极脉冲偏压模式施加于模具，阴极电弧放电法涂覆PVD涂层等步骤。本金属模具钢表面复合双重处理方法可以实现模具表面全覆盖、无死角的强化，同时使用阴极电弧放电法涂覆PVD涂层，通过频率、占空比的合理变化增强沟槽和盲孔对沉积粒子的接收吸附，进一步提高模具上盲孔、窄槽表面获得尽可能厚的PVD涂层，从而在模具表面制备抗氧性高、耐磨性优异的涂层。

技术领域

本发明涉及金属表面处理，具体涉及模具钢表面硬化处理及通过物理气相沉积从而获得高结合力、耐磨耐蚀薄膜涂层的复合处理技术。

背景技术

金属基材模具是现代先进制造业规模化批量生产的重要工具。从使用时工作温度划分，有热模具、冷模具、塑料模具，选用的模具基材分别为热作模具钢、冷作模具钢；从加工成形角度划分，有铸造模具、挤压成形模具等。因为模具的工作状况，除要求模具具有充足的强韧性外，还要求表面高耐磨性、抗粘结性、抗划伤性、抗疲劳性。因此当前的通用手段是采用表面处理技术来满足高耐磨性、抗粘结性、抗划伤性、抗疲劳性的要求。根据不同的使用工况，模具行业目前已经开发应用了多种表面处理技术，如电镀/化学镀、表面热处理(如感应加热、激光处理等)、表面金属扩渗处理(如Mo、V等)、表面非金属扩渗处理(熔C、N、O、S、Si、B等)，表面气相沉积(包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD))等。考虑到模具钢本身的性能随温度变化及模具尺寸的稳定性要求，许多需要在超过600℃以上较长时间实施的上述技术并不适合应用于高精密模具的表面处理，否则将带来复杂的调质、调尺寸、修磨等后处理工序。

当模具表面采用单一离子氮化时，处理温度常在500-600℃，处理时间长，通常在氮化层表面形成化合物层(俗称“白亮层”)(如中国专利CN104178771A)，造成了亚表面区域合金元素贫化。使用过程中白亮层容易成为氮化涂层的破坏源。采用C-N共渗(如中国专利CN104152916A)虽然可以有效抑制渗层表面的白亮层，但渗层的硬度最高不超过HV 1300，且红硬性差，限制了模具寿命的进一步提高。中国专利CN101058870A模具表面采用单一的PVD涂层，涂层与基体的结合力弱以及PVD涂层同基体的力学匹配差是限制PVD涂层高硬度及低摩擦系数等优势发挥的致命因素。最近公开的专利CN103286919A中实例报道直接在模仁表面采用高温高压CVD法制备石墨烯薄膜，报道未说明模仁基材，但推断该方法不适合应用于钢铁基模具，因为迄今CVD表面可生长石墨烯的基材还主要是Cu/Ni/Ir/Au等金属。中国专利CN102105243A也是一种CVD方法，实质是在压铸模具表面形成C-S共渗层-含纳米管/丝的碳膜，然后在表面涂抹富勒烯粉体，使用时在涂层表面覆盖传统脱模剂，可改善模具抗粘铝能力。