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CN107900309A - 一种表面双层结构压铸模具及其制备方法 - Google Patents

一种表面双层结构压铸模具及其制备方法 Download PDF

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宋忠孝
朱晓东
李雁淮
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孔文
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Xian Jiaotong University
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Xian Jiaotong University
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Abstract

本发明公开了一种表面双层结构压铸模具及其制备方法，属于涂层制备技术领域。包含模具基材均质层及其表面变形过渡层和表面抗粘连附着层的双层结构，该表面双层结构压铸模具主要通过以下几个步骤完成：模具基材均质层预处理、表面形变处理、沉积抗粘连涂层、冷却。形变处理可选用激光冲击，喷丸处理等多种方式，沉积抗粘连层可选用激光化学沉积、金属有机化学气相沉积或物理气相沉积。通过该表面双层结构的保护使得压铸模具耐磨，耐冲击性能增强，避免生产时粘性物质的沾粘、残留，而减少模具清洗，损害的生产成本，延长模具的使用寿命。

Description

一种表面双层结构压铸模具及其制备方法
技术领域
本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种表面双层结构压铸模具及其制备方法。
背景技术
压铸是一种利用高压将金属溶液强制压入金属模具内，并在压力下凝固形成铸件的一种精密铸造法。经铸造得到的金属具有低密度，高强度，成型性好，耐腐蚀等优点，采用压铸技术还能够提高材料的利用率，同时能以低成本，高速度和高精度压铸出形状复杂和表面质量好的零部件。
压铸模具作为压铸生产的关键设备，其性能的优劣将直接影响铝合金压铸件的质量和成本。热作模具钢是目前应用较广的压铸模具材料。由于压铸模具在使用过程中容易受到腐蚀、冲刷、沾粘等损坏，而且由于在压铸生产中要经受频繁的冷热循环在压铸模具表面易形成疲劳裂纹。虽然目前可通过一定程度的合金成分的调整可在一定程度上提高热作模具钢压铸模具的性能，但其性能仍无法满足实际需要。
在压铸模具表面制备双层结构的保护层可大幅度提高模具的抗沾粘、耐磨、耐热性能，降低模具冷热循环过程中的疲劳裂纹，减少模具清洗、损害的生产成本，从而提高模具的质量和延长模具寿命。但是，当前在压铸模具表面通过渗硼处理等手段虽然能够显著提高其在熔融金属中的耐腐蚀及耐磨性能，但由于渗硼层自身脆性较大，结构不致密以及渗层较薄，在使用过程中容易发生涂层失效。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种表面双层结构压铸模具及其制备方法，通过在模具基体上制备具有保护模具基体的双层结构，该结构由强度、硬度、抗疲劳性均提高的变形过渡层和具有高强特性的抗粘连附着，能够有效提高压铸模具的耐磨性、耐压性、抗疲劳性和抗粘连性能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种表面双层结构压铸模具，包括模具基材均质层和由下至上依次设置在其上方的表面变形过渡层和表面抗粘连附着层；其中：
表面变形过渡层是基于微观组织变形改变模具基体材料原有微观结构形成的表层区域，表面变形过渡层的厚度为0.05～300μm；
表面抗粘连附着层是基于材料沉积在基体材料表面形成的表面附着层，表面抗粘连附着层的厚度为表面变形过渡层厚度的0.05～3倍。
优选地，所述表面变形过渡层的塑形变形ε为20％～300％的单次变形或单次变形幅度为3％～200％的多次变形，其组织呈现位错的缠结网络结构。
优选地，表面变形过渡层的位错密度比模具基材均质层高10～10000倍，晶粒尺寸或亚晶粒尺寸为模具基材均质层的1/5以下，且粒径为20nm～800nm。
优选地，所述表面抗粘连附着层是由金属元素和非金属元素为成分的涂层。
优选地，表面抗粘连附着层选自氧化铝、氧化锆、TiAlN、TiAlCN、SiC、碳化钛、氧化铬、TiNAlC、氮化钛、氧化钛或ZrB2。
本发明还公开了上述的表面双层结构压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)在清洁处理过的模具基材均质层表面进行形变处理，制备厚度为0.05～300μm的表面变形过渡层；
其中，形变处理是在模具基材均质层表面施加压力使其产生强烈塑形变形改变表面微观结构；
2)在制得的表面变形过渡层表面采用气相沉积法沉积一层抗粘连附着层，表面抗粘连附着层的厚度为表面变形过渡层厚度的0.05～3倍；
3)经冷却后，制得表面双层结构压铸模具。
优选地，清洁处理是采用溶剂超声波清洗或辉光放电清洁模具基材均质层。
优选地，步骤1)中，形变处理采用激光冲击，激光冲击模具表面1～10次，激光束的激光功率密度为1×109W/cm2～9×109W/cm2，脉冲宽度为10～200ns，冲击压力>1GPa。
优选地，步骤1)中，形变处理采用喷丸冲击，喷丸所用弹丸为铸钢丸、铸铁丸、玻璃丸和陶瓷丸中的一种或几种，弹丸的硬度为40～70HRC，弹丸速度>70m/s，表面粗糙度为20～145um，喷丸粒度优选5～50目。
优选地，步骤2)中，气相沉积法采用激光化学气相沉积法、金属有机化学气相沉积法或物理气相沉积法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的表面双层结构压铸模具，通过在模具基材均质层上制备具有保护模具基体的双层结构，该双层结构由强度、硬度、抗疲劳性均提高的变形过渡层和具有高强特性的抗粘连附着层构成。表面过渡层是通过外力作用使表面发生微观组织变形，组织呈现位错网络结构，位错密度极大的提高，晶粒尺寸减小，表面抗粘连附着层是通过沉积金属元素和非金属元素为主要构成成分的涂层而得。该表面双层结构的压铸模具通过表面变形过渡层和抗粘连附着层的组合，具耐磨，耐冲击性能增强，避免生产时粘性物质的沾粘、残留，而减少模具清洗，损害的生产成本，延长模具的使用寿命。
本发明公开的制备方法，在制备表面变形过渡层可通过激光冲击、喷丸等多种方式进行，适用性广泛，根据不同的模具功能要求使用冲击手段，压力>1Gpa，在制备抗粘连附着层可选择激光化学气相沉积或金属有机化学气相沉积或物理气相沉积中进行处理，在表面沉积抗粘连附着层使用真空或抵压条件下进行，真空度较高的情况下，热蒸发出来的物质原子或分子具有较长的平均自由程，因而可以从源物质表面呈直线状地转移、沉积到衬底的表面，在此过程中不会与杂质气体或其他气体的分子发生碰撞和化学反应。该方法能够将模具寿命显著提高5-16倍，该制备方法操作简单，处理效率高。
附图说明
图1为本发明的表面双层结构压铸模具的结构示意图。
其中，1为模具基材均质层；21为表面变形过渡层；22为表面抗粘连附着层。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
参见图1，一种表面双层结构压铸模具，由模具基材均质层1、表面变形过渡层21和表面抗粘连附着层22构成。表面变形过渡层21通过使用激光冲击方式获得，表面变形过渡层厚度为0.1um。表面抗粘连附着层22由氧化锆+TiAlN组成，其中氧化锆质量百分比为50％，余量为TiAlN，表面抗粘连附着层为0.05um，通过使用物理气相沉积方法获得。
上述表面双层结构压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)模具基体表面预处理，并使用丙酮溶液中超声波清洗清洁压铸模具基体，清洗时间为15min，然后用去离子水冲洗，吹干备用；
2)模具表面形变处理使用激光冲击，在模具表面施加2Gpa的压力使表面产生强烈塑形变形达到改变模具表层微观结构的作用，获得该层厚度0.1um；
其中，激光冲击模具表面9次。激光束参数：激光功率密度为(6×109W/cm2,脉冲宽度为100ns，冲击压力2GPa。
为提高应力波峰值，需先在样品上涂黑色涂料后再覆盖约束层。表面变形过渡层塑形变形ε为20％～300％的单次变形或单次变形幅度3％～200％的多次变形，组织呈现位错的缠结网络，位错密度比基材均质区高10～10000倍，晶粒尺寸或亚晶粒尺寸为基材均质区的1/5以下，且优选粒径为20nm～800nm；
3)使用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨去除模具表面氧化物，运用物理气相沉积方法在模具表面沉积一层氧化锆+TiAlN抗粘连附着层，该层厚度0.05um，表面抗粘连附着层的成分为质量百分比，氧化锆50％，余量为TiAlN；
4)冷却至室温，制得表面双层结构压铸模具。
实施例2
一种表面双层结构压铸模具，由模具基材均质层、表面变形过渡层和表面抗粘连附着层构成。表面变形过渡层通过使用激光冲击方式获得，表面变形过渡层厚度为5um。表面抗粘连附着层由氧化锆+TiAlN组成，其中氧化锆质量百分比为50％，余量为TiAlN，表面抗粘连附着层为0.3um，通过使用物理气相沉积方法获得。
上述表面双层结构压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)模具基体表面预处理，并使用丙酮溶液中超声波清洗清洁压铸模具基体，清洗时间为15min，然后用去离子水冲洗，吹干备用；
2)模具表面形变处理使用激光冲击，在模具表面施加5Gpa的压力使表面产生强烈塑形变形达到改变模具表层微观结构的作用，获得该层厚度5um；
其中，激光冲击模具表面9次，激光束参数：激光功率密度为7×109W/cm2，脉冲宽度为100ns，冲击压力5GPa。为提高应力波峰值，需先在样品上涂黑色涂料后再覆盖约束层。表面变形过渡层塑形变形ε为20％～300％的单次变形或单次变形幅度3％～200％的多次变形，组织呈现位错的缠结网络，位错密度比基材均质区高10～10000倍，晶粒尺寸或亚晶粒尺寸为基材均质区的1/5以下，且优选粒径为20nm～800nm；
3)使用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨去除模具表面氧化物，运用物理气相沉积方法在模具表面沉积一层氧化锆+TiAlN抗粘连附着层，该层厚度0.3um，表面抗粘连附着层的成分为质量百分比，氧化锆50％，余量为TiAlN；
4)冷却至室温，制得表面双层结构压铸模具。
实施例3
一种表面双层结构压铸模具，由模具基材均质层、表面变形过渡层和表面抗粘连附着层构成。表面变形过渡层通过使用喷丸冲击方式获得，表面变形过渡层厚度为0.1um。表面抗粘连附着层由SiC+TiAlN组成，其中SiC质量百分比为40％，余量为TiAlN，表面抗粘连附着层为0.05um，通过使用物理气相沉积方法获得。
上述表面双层结构压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)模具基体表面预处理，并使用丙酮溶液中超声波清洗清洁压铸模具基体，清洗时间为15min，然后用去离子水冲洗，吹干备用；
2)在模具表面使用钢丸喷丸施加压力使表面产生强烈塑形变形达到改变模具表层微观结构的作用，该层厚度是0.1um；
在模具表面施加2Gpa的压力使表面产生强烈塑形变形达到改变模具表层微观结构的作用，获得该层厚度1um，使用喷丸冲击参数为：弹丸的硬度为60HRC，弹丸速度90m/s，表面粗糙度为100um，喷丸粒度优选40目。表面变形过渡层塑形变形ε为20％～300％的单次变形或单次变形幅度3％～200％的多次变形，组织呈现位错的缠结网络，位错密度比基材均质区高10～10000倍，晶粒尺寸或亚晶粒尺寸为基材均质区的1/5以下，且优选粒径为20nm～800nm；
3)使用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨去除模具表面氧化物，运用物理气相沉积方法在模具表面沉积一层SiC+TiAlN抗粘连附着层，该层厚度0.05um，表面抗粘连附着层的成分为质量百分比，SiC为40％，余量为TiAlN；
4)冷却至室温，制得表面双层结构压铸模具。
实施例4
一种表面双层结构压铸模具，由模具基材均质层、表面变形过渡层和表面抗粘连附着层构成。表面变形过渡层通过使用喷丸冲击方式获得，表面变形过渡层厚度为5um。表面抗粘连附着层由SiC+TiAlN组成，其中SiC质量百分比为40％，余量为TiAlN，表面抗粘连附着层为0.3um，通过使用物理气相沉积方法获得。
上述表面双层结构压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)模具基体表面预处理，并使用丙酮溶液中超声波清洗清洁压铸模具基体，清洗时间为15min，然后用去离子水冲洗，吹干备用；
2)在模具表面使用钢丸喷丸施加压力使表面产生强烈塑形变形达到改变模具表层微观结构的作用，该层厚度是5um。在模具表面施加2Gpa的压力使表面产生强烈塑形变形达到改变模具表层微观结构的作用，获得该层厚度1um，使用喷丸冲击参数为：弹丸的硬度为65HRC，弹丸速度96m/s，表面粗糙度为100um，喷丸粒度优选40目。表面变形过渡层塑形变形ε为20％～300％的单次变形或单次变形幅度3％～200％的多次变形，组织呈现位错的缠结网络，位错密度比基材均质区高10～10000倍，晶粒尺寸或亚晶粒尺寸为基材均质区的1/5以下，且优选粒径为20nm～800nm；
3)使用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨去除模具表面氧化物，运用物理气相沉积方法在模具表面沉积一层SiC+TiAlN抗粘连附着层，该层厚度0.3um，表面抗粘连附着层的成分为质量百分比，SiC为40％，余量为TiAlN；
4)冷却至室温，制得表面双层结构压铸模具。
综上所述，本发明公开的表面双层结构压铸模具，包含模具基材均质层及其表面变形过渡层和表面抗粘连附着层的双层结构，表面变形过渡层是通过外力作用使表面发生微观组织变形，组织呈现位错网络结构，位错密度极大的提高，晶粒尺寸减小，表面抗粘连附着层是通过沉积金属元素和非金属元素为主要构成成分的涂层而得到。
该表面双层结构压铸模具主要通过以下几个步骤完成：模具基材均质层预处理、表面形变处理、沉积抗粘连涂层、冷却。形变处理可选用激光冲击，喷丸处理等多种方式，沉积抗粘连层可选用激光化学沉积、金属有机化学气相沉积或物理气相沉积。通过该表面双层结构的保护使得压铸模具耐磨，耐冲击性能增强，避免生产时粘性物质的沾粘、残留，而减少模具清洗，损害的生产成本，延长模具的使用寿命。

Claims (10)

1.一种表面双层结构压铸模具，其特征在于，包括模具基材均质层(1)和由下至上依次设置在其上方的表面变形过渡层(21)和表面抗粘连附着层(22)；其中：
表面变形过渡层(21)是基于微观组织变形改变模具基体材料原有微观结构形成的表层区域，表面变形过渡层(21)的厚度为0.05～300μm；
表面抗粘连附着层(22)是基于材料沉积在基体材料表面形成的表面附着层，表面抗粘连附着层(22)的厚度为表面变形过渡层(21)厚度的0.05～3倍。
2.根据权利要求1所述的表面双层结构压铸模具，其特征在于，所述表面变形过渡层(21)的塑形变形ε为20％～300％的单次变形或单次变形幅度为3％～200％的多次变形，其组织呈现位错的缠结网络结构。
3.根据权利要求1所述的表面双层结构压铸模具，其特征在于，表面变形过渡层(21)的位错密度比模具基材均质层(1)高10～10000倍，晶粒尺寸或亚晶粒尺寸为模具基材均质层(1)的1/5以下，且粒径为20nm～800nm。
4.根据权利要求1所述的表面双层结构压铸模具，其特征在于，所述表面抗粘连附着层(22)是由金属元素和非金属元素为成分的涂层。
5.根据权利要求4所述的表面双层结构压铸模具，其特征在于，表面抗粘连附着层(22)选自氧化铝、氧化锆、TiAlN、TiAlCN、SiC、碳化钛、氧化铬、TiNAlC、氮化钛、氧化钛或ZrB2。
6.权利要求1～5中任意一项所述的表面双层结构压铸模具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在清洁处理过的模具基材均质层(1)表面进行形变处理，制备厚度为0.05～300μm的表面变形过渡层(21)；
其中，形变处理是在模具基材均质层(1)表面施加压力使其产生强烈塑形变形改变表面微观结构；
2)在制得的表面变形过渡层(21)表面采用气相沉积法沉积一层抗粘连附着层(22)，表面抗粘连附着层(22)的厚度为表面变形过渡层(21)厚度的0.05～3倍；
3)经冷却后，制得表面双层结构压铸模具。
7.根据权利要求6所述的表面双层结构压铸模具的制备方法，其特征在于，清洁处理是采用溶剂超声波清洗或辉光放电清洁模具基材均质层(1)。
8.根据权利要求6所述的表面双层结构压铸模具的制备方法，其特征在于，步骤1)中，形变处理采用激光冲击，激光冲击模具表面1～10次，激光束的激光功率密度为1×109W/cm2～9×109W/cm2，脉冲宽度为10～200ns，冲击压力>1GPa。
9.根据权利要求6所述的表面双层结构压铸模具的制备方法，其特征在于，步骤1)中，形变处理采用喷丸冲击，喷丸所用弹丸为铸钢丸、铸铁丸、玻璃丸和陶瓷丸中的一种或几种，弹丸的硬度为40～70HRC，弹丸速度>70m/s，表面粗糙度为20～145um，喷丸粒度优选5～50目。
10.根据权利要求6所述的表面双层结构压铸模具的制备方法，其特征在于，步骤2)中，气相沉积法采用激光化学气相沉积法、金属有机化学气相沉积法或物理气相沉积法。
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