阅读说明：本技术 一种提高凸模寿命的激光强化和真空电弧复合处理方法 (Laser strengthening and vacuum arc composite treatment method for prolonging service life of male die ) 是由 *** 高峰 夏原 刘继红 周强 董玮 王晓秋 薛文涛 陈登鹤 马振海 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高凸模寿命的激光强化和真空电弧复合处理方法,包括如下步骤：对氮化后的凸模表面进行激光强化处理,产生激光硬化层；对激光强化后的凸模进行真空电弧涂层的制备；本发明采用了激光相变硬化技术和多弧离子镀相结合的方式,在基材表面形成一种新的具有特殊力学性能的复合薄膜材料,以弥补基体所缺少的高性能；本发明可以在不破坏基体表面光洁度的同时,得到足够的激光相变硬化层深度；激光硬化层具有高度细化的组织,该特征将会对镀膜过程和膜组织及其性能发挥积极影响；同时又能保证复杂模具的精度要求,对提高凸模的使用寿命具有独特优势。(The invention discloses a laser strengthening and vacuum arc composite processing method for prolonging the service life of a male die, which comprises the following steps: carrying out laser strengthening treatment on the surface of the nitrided male die to generate a laser hardening layer; preparing a vacuum arc coating on the terrace die after laser strengthening; the invention adopts a mode of combining a laser phase change hardening technology and multi-arc ion plating to form a novel composite film material with special mechanical property on the surface of a base material so as to make up for the high performance lacked by a matrix; the invention can obtain enough depth of the laser phase change hardening layer without destroying the surface smoothness of the substrate; the laser hardening layer has a highly refined structure, and the characteristic can exert positive influence on the film coating process, the film structure and the performance of the film structure; meanwhile, the precision requirement of the complex die can be ensured, and the special advantage of prolonging the service life of the male die is achieved.)

一种提高凸模寿命的激光强化和真空电弧复合处理方法

技术领域

本发明涉及变速箱齿轮凸模渗氮处理后表面复合涂层技术领域，涉及将金属表面激光强化与真空电弧复合涂层相结合的一种制备工艺，具体涉及一种提高凸模寿命的激光强化和真空电弧复合处理方法。

背景技术

随着现代工业的发展，越来越多的产品需要模具加工，模具工业已经成为工业发展的基础。模具80％以上的失效是因为表面损伤，由于模具表面受力最复杂，零件结构及工作条件等因素引起的应力大多集中在表面，导致模具表面早期破坏。特别是锻造模具工作环境恶劣，模锻过程中,锻模承受热负荷和机械载荷,而且在两者的共同作用下,锻模容易形成各种损伤,其中包括磨损、机械裂纹、热裂纹和塑性变形等,这些损伤严重影响锻模的寿命。因此,热负荷和机械载荷被视为影响锻模寿命的最根本原因。

目前国内锻造模具一般经过TD表面处理或表面渗氮强化处理。但TD表面处理技术，不仅因吸取模具基材的C原子，而使模具基材***并最终变形失效，其后续盐浴废液的处理问题，也造成环境的极大污染。

而经过渗氮处理后的模具基体表面硬度950HV(约67HRC),但仍很难满足热锻模具的工作需求，而且上述问题很难通过材料本身或模具的整体热处理来实现。而采用表面真空电弧镀膜技术能大幅度地改善和提高模具的表面性能，如硬度、耐磨性、抗摩擦性、抗氧化性等。真空电弧镀膜技术已经成为绝大多数模具提高寿命和效率的有效手段。

但在热锻模具表面薄膜的使用过程中会出现脱落、开裂的现象。原因是薄膜硬度在3200HV，氮化后机体的硬度在950HV，即使薄膜再硬，表面润滑性再好，也是机体表面一层厚度很薄的薄膜，如果模具表面的支撑力不够，在受到较大的力后，薄膜也就开始开裂剥落起不到耐磨、润滑作用。

发明内容

为克服锻造模具表面支撑力不足的情况，将激光硬化技术应用于氮化后模具表面和多弧离子镀膜技术相结合，激光硬化后，模具基体表面相对渗氮处理后，硬度提高HV100-300，最高硬度超过HV1200,同时渗氮层激光硬化处理后获得高密度错位型组织结构，使渗氮层具有更高的强韧性。可见激光硬化技术可以提高表面硬度、耐磨性、热稳定性、抗疲劳性、韧性等力学性能,而多弧离子镀技术可提高模具表面的抗高温氧化性，减缓并减少热疲劳裂纹的产生。两项技术相辅相成弥补材料不足，显著提高模具的工作寿命。

本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：

一种提高凸模寿命的激光强化和真空电弧复合处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：对氮化后的凸模表面进行激光强化处理，产生激光硬化层；

步骤二：对激光强化后的凸模进行真空电弧涂层的制备。

技术方案步骤一中所述对氮化后的凸模表面进行激光强化处理，包括以下具体步骤：

1.1先对凸模进行抛光、喷砂处理。

1.2采用最大输出功率为1000W的光纤耦合半导体激光器对凸模表面进行激光淬火硬化处理，波长控制在940nm，扫描速度控制在800mm/min。

技术方案步骤二中所述对激光强化后的凸模进行真空电弧涂层的制备，包括以下具体步骤：

2.1依次用油石进行交叉研磨；再用砂纸研磨，在加工面上轻涂研磨膏，放入前处理清洗线中进行清洗，快速干燥后预热排气之后装入镀膜真空室中；

2.2开启真空室内加热，工件达到370-420℃、背底真空抽至小于5.0×10^-3Pa后，继续保温30～90min；然后向镀膜室内通入氩气，控制压强在0.8～1.1Pa，工件上施加-200～-300V脉冲偏压；打开离子源，调整电流2.5～4A，利用氩等离子体对基体表面进行轰击清洗30～75min，洁净并活化镀膜表面；接着调整压强在0.25～0.5Pa，开启Cr弧靶，靶电流60～75A，工件施加-850～-950V脉冲偏压，利用Cr离子对工件进行刻蚀活化6～10min；

2.3镀膜室继续通入氩气，调整气压为0.7～1.0Pa，工件上施加-50～-100V脉冲偏压，Cr靶弧电流保持60～75A，在工件上沉积一层金属粘结层Cr，这一过程保持2～5min；关闭氩气通入氮气，气压和脉冲偏压保持在原来工艺，Cr靶弧流改为85A，沉积过渡层CrN；

2.4保持氮气通压在2.0～3.0Pa，脉冲偏压调整至-100～-50V，打开AlCr合金靶，弧电流在80～95A之间调整，沉积45～75min后在工件上获得功能层AlCrN；

2.5镀膜完毕后，通入氮气冷却，炉内温度降温后开炉取件。

技术方案步骤2.1中所述油石为240#320#400#，进行70度角位均衡的交叉研磨；油石初步处理后，砂纸配合抛光杆像油石作业一样，以70度角交叉的进行研磨，一面砂纸研磨次数约10～15次；砂纸研磨完毕后，在加工面上轻涂一层5号研磨膏，用装好羊毛头的抛光机在工件表面高速旋转研磨，直至加工表面出现镜面；基体抛光后，放入前处理清洗线中进行清洗，去除基体表面的油污、抛光蜡和吸附的颗粒状物，快速干燥后预热排气之后装入镀膜真空室中，抽背底真空至小于5.0×10^-3Pa。

技术方案所述步骤2.5镀膜完毕后，通入氮气冷却至少90min，炉内温度降至100℃后开炉取件。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

本发明采用了激光相***化技术和多弧离子镀相结合的方式，在基材表面形成一种新的具有特殊力学性能的复合薄膜材料,以弥补基体所缺少的高性能。应用该技术可以在不破坏基体表面光洁度的同时，得到足够的激光相***化层深度。激光硬化层具有高度细化的组织，该特征将会对镀膜过程和膜组织及其性能发挥积极影响。同时又能保证复杂模具的精度要求,对提高凸模的使用寿命具有独特优势。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为凸模复合涂层结构示意图；

图2为表面沉积有激光与PVD复合涂层的凸模示意图；

图中：

1、激光硬化层；2、经过激光强化后的锻造模具基体；3、粘结层Cr；4、过渡层CrN；5、功能层AlCrN；6、激光与PVD复合涂层；7、凸模基体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

一种提高凸模寿命的激光强化和真空电弧复合处理方法，包括如下步骤：

1、对氮化后的凸模表面进行激光强化处理，产生激光硬化层。

1.1先对凸模进行抛光、喷砂处理。

1.2采用最大输出功率为1000W的光纤耦合半导体激光面器对凸模表进行激光淬火硬化处理，波长控制在940nm，扫描速度控制在800mm/min。

2、参阅图1、图2，对激光强化后的凸模进行真空电弧涂层的制备。

2.1依次用油石240#320#400#，进行70度角位均衡的进行交叉研磨；油石初步处理后，砂纸配合抛光杆像油石作业一样，以70度角交叉的进行研磨，一面砂纸研磨次数约10～15次；砂纸研磨完毕后，在加工面上轻涂一层研磨膏(5号)用装好羊毛头的抛光机在工件表面高速旋转研磨，直至加工表面出现镜面。基体抛光后，放入前处理清洗线中进行清洗，去除基体表面的油污、抛光蜡和吸附的颗粒状物，快速干燥后预热排气之后装入镀膜真空室中，抽背底真空至小于5.0×10^-3Pa。

2.2开启真空室内加热，工件达到370-420℃、背底真空抽至小于5.0×10^-3Pa后，继续保温30～90min。然后向镀膜室内通入氩气，控制压强在0.8～1.1Pa，工件上施加-200～-300V脉冲偏压；打开离子源，调整电流2.5～4A，利用氩等离子体对基体表面进行轰击清洗30～75min，洁净并活化镀膜表面。接着调整压强在0.25～0.5Pa，开启Cr弧靶，靶电流60～75A，工件施加-850～-950V脉冲偏压，利用Cr离子对工件进行刻蚀活化6～10min。

2.3镀膜室继续通入氩气，调整气压为0.7～1.0Pa，工件上施加-50～-100V脉冲偏压，Cr靶弧电流保持60～75A，在工件上沉积一层金属粘结层Cr，这一过程保持2～5min；关闭氩气通入氮气，气压和脉冲偏压保持在原来工艺，Cr靶弧流改为85A，沉积过渡层CrN；

2.4保持氮气通压在2.0～3.0Pa，脉冲偏压调整至-100～-50V，打开AlCr合金靶，弧电流在80～95A之间调整，沉积45～75min后可在工件上获得功能层AlCrN。

2.5镀膜完毕后，通入氮气冷却至少90min，炉内温度降至100℃后开炉取件。

经过试验论证可知，该涂层结合力72-75N，硬度35-38GPa,抗氧化温度850-1000℃，可以满足凸模表面高温强度、耐热疲劳性能及耐磨性能的要求。

无复合处理的凸模在加工5000次后出现氧化磨损和裂纹，不能继续工作；而采用激光-电弧复合处理的凸模，在加工20000次后，出现细微裂纹，但可以继续工作使用。通过上述检测可知，激光-电弧复合处理涂层极大的增加了凸模表面的抗高温硬度，减缓模具高温氧化磨损、减少了模具热疲劳裂纹的产生。

实施例一：

对由5CrMnMo材料制作的氮化后凸模表面进行复合涂层制备。

1、对氮化后的凸模表面进行激光强化处理。

1.1先对凸模进行抛光、喷砂处理。

1.2采用最大输出功率为1000W的光纤耦合半导体激光器对凸模表面进行激光淬火硬化处理，波长控制在940nm，扫描速度控制在800mm/min。

2、对激光强化后的凸模进行真空电弧涂层的制备。

2.1依次用油石240#320#400#，进行70度角位均衡的进行交叉研磨；油石初步处理后，砂纸配合抛光杆像油石作业一样，以70度角交叉的进行研磨，一面砂纸研磨次数约10～15次；砂纸研磨完毕后，在加工面上轻涂一层研磨膏(5号)用装好羊毛头的抛光机在工件表面高速旋转研磨，直至加工表面出现镜面。基体抛光后，放入前处理清洗线中进行清洗，去除基体表面的油污、抛光蜡和吸附的颗粒状物，快速干燥后预热排气之后装入镀膜真空室中，抽背底真空至小于5.0×10^-3Pa。

2.2开启真空室内加热，工件达到370℃、背底真空抽至小于5.0×10^-3Pa后，继续保温30min。然后向镀膜室内通入氩气，控制压强在0.8Pa，工件上施加-200V脉冲偏压；打开离子源，调整电流2.5A，利用氩等离子体对凸模表面进行轰击清洗30min，洁净并活化镀膜表面。接着调整压强在0.25Pa，开启Cr弧靶，靶电流60A，工件施加-850V脉冲偏压，利用Cr离子对工件进行刻蚀活化6min。

2.3镀膜室继续通入氩气，调整气压为0.7Pa，工件上施加-50V脉冲偏压，Cr靶弧电流保持60A，在工件上沉积一层金属粘结层Cr，这一过程保持2min；关闭氩气通入氮气，气压和脉冲偏压保持在原来工艺，Cr靶弧流改为85A，沉积过渡层CrN；

2.4保持氮气通压在2.0Pa，脉冲偏压调整至-100V，打开AlCr合金靶，弧电流为80A，沉积45～75min后可在工件上获得功能层AlCrN。

2.5镀膜完毕后，通入氮气冷却至少90min，炉内温度降至100℃后开炉取件。

经过试验论证可知，该涂层结合力72N，硬度35GPa,抗氧化温度850℃，可以满足热锻模表面高温强度、耐热疲劳性能及耐磨性能的要求。

实施例二：

对由4Cr5MoSiV材料制作的氮化后齿轮凸模表面进行复合涂层制备。

1、对氮化后的凸模表面进行激光强化处理。

1.1先对凸模进行抛光、喷砂处理。

1.2采用最大输出功率为1000W的光纤耦合半导体激光器对凸模表面进行激光淬火硬化处理，波长控制在940nm，扫描速度控制在800mm/min。

2、对激光强化后的凸模进行真空电弧涂层的制备。

2.1依次用油石240#320#400#，进行70度角位均衡的进行交叉研磨；油石初步处理后，砂纸配合抛光杆像油石作业一样，以70度角交叉的进行研磨，一面砂纸研磨次数约10～15次；砂纸研磨完毕后，在加工面上轻涂一层研磨膏(5号)用装好羊毛头的抛光机在工件表面高速旋转研磨，直至加工表面出现镜面。基体抛光后，放入前处理清洗线中进行清洗，去除基体表面的油污、抛光蜡和吸附的颗粒状物，快速干燥后预热排气之后装入镀膜真空室中，抽背底真空至小于5.0×10^-3Pa。

2.2开启真空室内加热，工件达到400℃、背底真空抽至小于5.0×10^-3Pa后，继续保温30～90min。然后向镀膜室内通入氩气，控制压强在1Pa，工件上施加-250V脉冲偏压；打开离子源，调整电流3A，利用氩等离子体对基体表面进行轰击清洗50min，洁净并活化镀膜表面。接着调整压强在0.4Pa，开启Cr弧靶，靶电流70A，工件施加-900V脉冲偏压，利用Cr离子对工件进行刻蚀活化8min。

2.3镀膜室继续通入氩气，调整气压为0.9Pa，工件上施加-80V脉冲偏压，Cr靶弧电流保持70A，在工件上沉积一层金属粘结层Cr，这一过程保持4min；关闭氩气通入氮气，气压和脉冲偏压保持在原来工艺，Cr靶弧流改为85A，沉积过渡层CrN；

2.4保持氮气通压在2.5Pa，脉冲偏压调整至-80V，打开AlCr合金靶，弧电流为90A，沉积60min后可在工件上获得功能层AlCrN。

2.5镀膜完毕后，通入氮气冷却至少90min，炉内温度降至100℃后开炉取件。

经过试验论证可知，该涂层结合力74N，硬度37GPa,抗氧化温度900℃，可以满足热锻模表面高温强度、耐热疲劳性能及耐磨性能的要求。

实施例三：

对由H13材料制作的氮化后凸模表面进行复合涂层制备。

1、对氮化后的凸模表面进行激光强化处理。

1.1先对凸模进行抛光、喷砂处理。

1.2采用最大输出功率为1000W的光纤耦合半导体激光器对凸模表面进行激光淬火硬化处理，波长控制在940nm，扫描速度控制在800mm/min。

2、对激光强化后的凸模进行真空电弧涂层的制备。

2.1依次用油石240#320#400#，进行70度角位均衡的进行交叉研磨；油石初步处理后，砂纸配合抛光杆像油石作业一样，以70度角交叉的进行研磨，一面砂纸研磨次数约10～15次；砂纸研磨完毕后，在加工面上轻涂一层研磨膏(5号)用装好羊毛头的抛光机在工件表面高速旋转研磨，直至加工表面出现镜面。基体抛光后，放入前处理清洗线中进行清洗，去除基体表面的油污、抛光蜡和吸附的颗粒状物，快速干燥后预热排气之后装入镀膜真空室中，抽背底真空至小于5.0×10^-3Pa。

2.2开启真空室内加热，工件达到420℃、背底真空抽至小于5.0×10^-3Pa后，继续保温90min。然后向镀膜室内通入氩气，控制压强在1.1Pa，工件上施加-300V脉冲偏压；打开离子源，调整电流4A，利用氩等离子体对基体表面进行轰击清洗75min，洁净并活化镀膜表面。接着调整压强在0.5Pa，开启Cr弧靶，靶电流75A，工件施加-950V脉冲偏压，利用Cr离子对工件进行刻蚀活化10min。

2.3镀膜室继续通入氩气，调整气压为1.0Pa，工件上施加-100V脉冲偏压，Cr靶弧电流保持75A，在工件上沉积一层金属粘结层Cr，这一过程保持5min；关闭氩气通入氮气，气压和脉冲偏压保持在原来工艺，Cr靶弧流改为85A，沉积过渡层CrN；

2.4保持氮气通压在3.0Pa，脉冲偏压调整至-50V，打开AlCr合金靶，弧电流为95A，沉积75min后可在工件上获得功能层AlCrN。

2.5镀膜完毕后，通入氮气冷却至少90min，炉内温度降至100℃后开炉取件。

经过试验论证可知，该涂层结合力75N，硬度38GPa,抗氧化温度1000℃，凸模使用寿命提高至原来的4倍。可以满足凸模表面高温强度、耐热疲劳性能及耐磨性能的要求。