压铸模具、其表面处理方法、及应用与流程

本发明涉及金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种压铸模具、其表面处理方法、及应用。

背景技术：

压铸模具是一种重要的热作模具，全世界大约50％的铝合金产品由压铸工艺完成。压铸生产铝合金产品过程中，长期处于高温高压的环境，充型时，模具内表面因快速升温而产生膨胀，形成压应力。与此相反，当模具打开及在冷却剂作用下冷却时，表层金属由于温度迅速下降而产生收缩，形成拉应力。拉压应力反复交替进行，超过材料强度后就会形成热裂，即热疲劳裂纹，热疲劳裂纹达到一定程度后导致模具失效。由于裂纹的萌生和扩展均出现于模具型腔表面，因此，对模具进行必要的表面强化措施，可以大幅提升模具的使用寿命，大大降低成本。另外，高温金属液还会对模具表面造成磨损和熔蚀等形式的失效。

具体地，现有的对模具的表面强化技术包括渗氮、激光淬火等方式。

其中，渗氮技术不仅可改善金属材料表面的耐磨性、表面强度和疲劳强度，还能够提高材料表面对铝液的润湿角，降低铝液的侵蚀损伤。但渗氮层的深度一般比较薄，而且表面容易出现白层，结构疏松容易出现热疲劳裂纹；如果控制渗氮过程不出现白层则表面硬度提升不高。

另一方面，激光淬火虽然可以得到细密的马氏体组织，高密度位错，提升材料表面硬度，但是其硬化程度有限，并且润湿角提升不明显，不能有效阻止铝液的浸润。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明人等发现，通过将两种工艺结合使用，能够综合利用渗氮和激光淬火的优点，既保证了表面硬度、润湿性又可以细化基体组织，且提高硬化层的深度，并在此基础上完成了本发明。

本发明的目的在于提供一种既保证了表面硬度、润湿性又可以细化表面的基体组织，且提高硬化层的深度的压铸模具的表面处理方法。

本发明的另一个目的在于提供一种既保证了表面硬度、润湿性又可以细化基体组织，且具有提高了的硬化层的深度的压铸模具。

本发明的又一个目的在于提供一种压铸模具的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

根据本发明第一方面实施例的压铸模具的表面处理方法，包括如下步骤：

步骤s1，对所述压铸模具的表面进行一次渗氮，以在所述压铸模具的表面形成渗氮层，所述渗氮层包括位于表层的氮化白层及位于所述氮化白层内侧的扩散层；

步骤s2，对所述渗氮层进行激光淬火，使得所述氮化白层及扩散层中的氮原子向内部扩散从而增加所述扩散层的深度，并在所述压铸模具的最外侧形成淬火层；

步骤s3，对激光淬火后的压铸模具的表面进行二次渗氮，以使得氮原子进一步向内部扩散，同时使得所述淬火层转化为无氮化白层的渗氮-淬火复合改性层。

进一步地，在所述步骤s1之前，所述表面处理方法还可以包括:

步骤s0，对所述压铸模具的表面进行表面清理，以去除所述压铸模具表面的油污和/或杂质。

具体地，可以通过机械打磨去除所述压铸模具的表面的氧化膜，此后采用有机溶剂或清洗剂擦拭，以去除所述压铸模具表面的油污和/或杂质。其中，所述有机溶剂可以是例如酒精或丙酮等。

进一步地，所述步骤s1中形成的所述渗氮层的厚度可以为40-100μm。

更进一步地，可以通过下述方法来控制所述步骤s1中形成的所述渗氮层的厚度，例如，在所述步骤s1中，在加热条件下利用氨气进行所述一次渗氮，其中，加热温度为500-550℃，氨分解率为40-50％，处理时间为8-10小时。通过控制所述一次渗氮的温度、氨分解率及渗氮时间等工艺参数，形成较薄的由位于表层的氮化白层及位于所述氮化白层内侧的扩散层所构成的渗氮层，提高表层硬度的同时引入残余压应力。其中，氮化白层中，氮与铁、铬等金属元素形成fe-n化合物，该fe-n化合物以连续相存在于表层中；在扩散层中，氮不仅以金属氮化物形成存在，同时还有一部分氮作为间隙原子存在于基体中，且金属氮化物以非连续相即离散相存在于该扩散层中。

相比于现有的渗氮技术，通过控制渗氮层的厚度，不仅能够保证致密性，且能够防止因过度渗氮产生的表面脆性。另一方面，通过控制氨分解率，形成氮原子含量较高的渗氮层，有利于提高表面氮浓度，以通过后续的激光淬火使氮进一步向内部渗透。

进一步地，在所述步骤s2的激光淬火处理后，所述氮原子向内部扩散的深度为400-500μm。也就是说，扩散层与基体之间的界面进一步向内侧移动。

具体地，所述步骤s2中，可以通过控制激光淬火的功率和扫描速度来控制所述氮原子向内部扩散的深度，例如，激光淬火的功率为400-800w，扫描速度为10-30mm/s。区别于传统的激光淬火工艺，在一次渗氮处理后进行该激光淬火，该激光淬火步骤不仅能够细化表层晶粒，为后续二次渗氮提供扩散通道，同时还有利于促使一次渗氮处理形成的渗氮层中的氮原子向内部进一步扩散。其中，位于表层的氮化白层，在激光淬火处理的条件下(温度通常能够达到850℃左右)，氮化白层中的fe-n化合物发生分解，其中一部分氮原子向内层扩散，另一部分氮原子飞散逸出，从而在所述压铸模具的最外侧形成淬火层。

进一步地，在所述步骤s3的二次渗氮处理后，所述氮原子向内部扩散深度为700-900μm。

具体地，所述步骤s3的二次渗氮处理后的渗氮-淬火复合改性层由马氏体渗氮层构成。也就是说，所述二次渗氮处理时，不形成氮化白层。

更具体地，可以控制二次渗氮处理的温度、氨分解率、以及处理时间来实现，例如，所述步骤s3中，在加热条件下利用氨气进行所述二次渗氮，其中，加热温度为500-550℃，氨分解率为80-90％，处理时间为15-20小时。通过该二次渗氮处理，在抑制氮化白层的形成的同时，保证氮原子进一步渗入以提高硬度，从而得到无氮化白层的渗氮-淬火复合改性层。

根据本发明第二方面实施例的压铸模具，所述压铸模具包括主体，以及位于所述主体表层的表面处理层，所述表面处理层由内至外包括扩散层以及渗氮-淬火复合改性层，其中，所述扩散层与渗氮-淬火复合改性层的总深度为700-900μm。

进一步地，所述渗氮-淬火复合改性层由马氏体渗氮层构成。

进一步地，所述主体的材质为h13钢、3cr2w8v钢、或5crw5mo2钢。

根据本发明第三方面实施例，还提供了将上述第二方面实施例的压铸模具在铝合金压铸中的应用。

本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果：

根据本发明实施例的压铸模具的表面处理方法，通过一次渗氮，在表层生成一层高氮浓度的氮化白层及扩散层，此后通过激光淬火促进表层的fe-n化合物分解，使得氮原子向内部扩散，有利于提高渗氮层的深度；同时，激光淬火处理能够细化表层晶粒，得到细密的马氏体薄层，相比于原来的回火索氏体组织，可阻碍裂纹的萌生和扩展；进一步，通过二次渗氮，表面形成渗氮-淬火复合改性层，并使得氮原子进一步向内侧扩散，增加了表面硬化层的深度，既提升了表面硬度、相对于铝液的润湿性，同时有利于提升内部的残余压应力，也防止产生白层降低组织的致密性。

附图说明

图1为根据本发明实施例的压铸模具的表面处理方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的压铸模具的表面处理方法的又一流程示意图；

图3为实施例1中在一次渗氮后的金相图；

图4为实施例1中在激光淬火后的金相图；

图5为实施例1中在二次渗氮后的金相图；

图6为实施例2中二次渗氮后的金相图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的压铸模具的表面处理方法。

如图1所示，根据本发明实施例的压铸模具的表面处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤s0，对所述压铸模具的表面进行表面清理，以去除所述压铸模具表面的油污和/或杂质。

需要说明的是，本步骤的目的是为了去除所述压铸模具表面的油污和/或杂质，例如当所述压铸模具为刚生产得到的新的压铸模具时，在其表面的杂质、油污的量不至于对后续的一次渗氮造成实质性影响的情况下，也可以省略该步骤。也就是说，该步骤是优选步骤。

具体地，例如可以通过机械打磨去除所述压铸模具的表面的氧化膜，此后采用有机溶剂或清洗剂擦拭，以去除所述压铸模具表面的油污和/或杂质。

其中，所述有机溶剂可以为常用的酒精、甲醇等。

步骤s1，对所述压铸模具的表面进行一次渗氮，以在所述压铸模具的表面形成渗氮层，所述渗氮层包括位于表层的氮化白层及位于所述氮化白层内侧的扩散层。

在去除表面油污和/或杂质后，对所述压铸模具的表面进行一次渗氮。本步骤的目的是在压铸模具的表面形成一层氮原子浓度相对高的氮化白层及扩散层，以便在后续的激光淬火步骤使得其中的氮原子向内部扩散。其中，氮化白层中，氮与铁、铬等金属元素形成fe-n化合物，该fe-n化合物以连续相存在于表层中；在扩散层中，氮不仅以金属氮化物形成存在，同时还有一部分氮作为间隙原子存在于基体中，且金属氮化物以非连续相即离散相存在于该扩散层中。

如图2所示，所述渗氮层的厚度(d1)可以控制在40-100μm。具体地，可以通过控制一次渗氮的工艺参数来进行控制。例如，在加热条件下利用氨气进行所述一次渗氮，其中，加热温度为500-550℃，氨分解率为40-50％，处理时间为8-10小时。

步骤s2，对所述渗氮层进行激光淬火，使得所述氮化白层及扩散层中的氮原子向内部扩散从而增加所述扩散层的深度，并在所述压铸模具的最外侧标成形成淬火层。

本步骤的目的，一方面，使得表面的氮化白层发生分解，使得其中的一部分氮原子向内部扩散，另一方面，通过激光淬火来细化表层晶粒，为后续的二次扩散提供扩散通道的同时阻碍裂纹的萌生与扩展。如图2所示，在激光淬火后，所述氮原子向内部扩散的深度(d2)可以达到400-500μm。其可以通过调节激光淬火的工艺参数来实现，例如，可以使激光淬火的功率为400-800w，扫描速度为10-30mm/s。

步骤s3，对激光淬火后的压铸模具的表面进行二次渗氮，以使得氮原子进一步向内部扩散，同时使得所述淬火层转化为无氮化白层的渗氮-淬火复合改性层。

在激光淬火后，最外侧表面的淬火层中氮浓度变得极低，从而使得表面硬化的效果降低，为了增加表面硬化效果，进行该二次渗氮。通过二次渗氮，能够进一步使得氮原子向内部扩散以提高硬化层的深度，同时使得所述淬火层转化为无氮化白层的渗氮-淬火复合改性层，有利于提高表面硬化效果、对于铝的润湿性，且有利于提升内部的残余压应力。

如图2所示，通过二次渗氮，在压铸模具的表面形成表面处理层，所述表面处理层由内至外包括扩散层以及渗氮-淬火复合改性层，其中，所述扩散层与渗氮-淬火复合改性层的总深度(d3)可以达到700-900μm。

通过控制二次渗氮工艺参数，可以使得渗氮-淬火复合改性层由马氏体渗氮层构成。具体而言，在加热条件下利用氨气进行所述二次渗氮，其中，加热温度为500-550℃，氨分解率为80-90％，处理时间为15-20小时。

综合上述，一次渗氮的渗氮层(包括氮化白层及扩散层)厚度控制在40～100μm；激光淬火后的渗氮深度控制在400～500μm；二次渗氮后无白层出现，且硬化层深度控制在700～900μm。

一般情况下，传统渗氮方法，若白层较厚，会降低组织致密性，并会因过度渗氮产生表面脆性，而如果控制无白层产生，则会导致氮原子渗入不足，造成表面硬度不够；另一方面，激光淬火硬化层深度有限，提高能量输入又会导致表面熔化。本发明通过将一次渗氮、激光淬火、二次渗氮进行组合，结合渗氮与激光淬火的优点，利用氮原子对基体良好的强化作用，通过激光淬火细化组织，促进氮原子的进一步扩散，从而获取抗热疲劳性能更好的表面处理层。由此，根据本发明实施例的表面处理方法处理得到的压铸模具，可以是需要提高热疲劳抗性的各种金属模具，例如材质为h13钢、3cr2w8v钢、或5crw5mo2钢的压制模具。经过表面处理的压铸模具，由于其表面具有更好的硬度、以及对铝液的浸润性，可以用于铝合金压铸工艺中。

下面，通过具体实施例进一步描述根据本发明实施例的压铸模具的表面处理方法。

实施例1

将铝合金压铸模用钢h13钢经调质处理后加工成70×40×10mm的样品，表面经打磨、抛光并用丙酮进行清洗。

此后，在氨分解率50％，温度550℃条件下渗氮8h，得到40μm厚的渗氮层，如图2所示。

接着，将激光光斑调整为1×10mm的矩形，使用800w功率和10mm/s的扫描速度进行激光淬火，得到总厚度为500μm的硬化层(包括位于内侧的扩散层以及位于表层的淬火层)，如图3所示。其中，对比图3和图2可知，经过激光淬火处理后，扩散层与基体的界面进一步向着基体内侧推移。

最后，在氨分解率90％，温度550℃条件下进行二次渗氮20h，在最外侧表层，淬火层转化为无氮化白层的渗氮-淬火复合改性层，扩散层与基体的界面进一步向着基体内侧推移，硬化层(包括渗氮-淬火复合改性层和扩散层)的总厚度可达到900μm，如图4所示。

实施例2

将铝合金压铸模用钢3cr2w8v钢经调质处理后加工成薄板，表面经打磨、抛光并用甲醇进行清洗。

接着，在氨分解率40％，温度550℃条件下渗氮10h，得到100μm厚的氮化白层及扩散层。

然后，将激光光斑调整为1×10mm的矩形，使用700w功率和10mm/s的扫描速度进行激光淬火，得到总厚度为450μm的硬化层。

最后，在氨分解率80％，温度500℃条件下渗氮15h，得到无白层的渗氮-淬火复合改性层。其中，硬化层的总厚度可达到800μm。

实施例3

将铝合金压铸模用钢5cr4w5mo2钢经调质处理后加工成薄板，表面经打磨、抛光并用酒精进行清洗。

接着，在氨分解率40％，温度500℃条件下渗氮9h，得到80μm厚的氮化白层及扩散层。

而后，将激光光斑调整为1×10mm的矩形，使用500w功率和12mm/s的扫描速度进行激光淬火，得到总厚度为400μm的硬化层。

然后，在氨分解率85％，温度510℃条件下渗氮10h，得到无白层的渗氮-淬火复合改性层。其中，硬化层的总厚度可达到700μm。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除