本發明屬于真空氣相沉積制備硬質涂層技術領域，具體涉及一種熱壓鑄模具表面涂層的制備方法。

背景技術：

熱壓鑄技術是指將熔融合金在高壓、高速條件下填充模具型腔，并在高壓下冷卻成型的鑄造方法，是鑄造工藝中應用最廣、發展速度最快的金屬熱加工成形工藝方法之一。熱壓鑄作為一種先進的有色合金精密零部件成形技術，適應了現代制造業中產品復雜化、精密化、輕量化、節能化、綠色化的要求，應用領域不斷拓寬。隨著壓鑄設備和工藝技術水平不斷提高，壓鑄產品的應用范圍在現有基礎上仍將不斷擴大，特別是汽車、日用消費電子工業的迅速發展，帶動了壓鑄行業正以前所未有的速度向前發展。

熱壓鑄過程的關鍵工藝裝備是熱壓鑄模具，由于其長期在高溫、重載等嚴酷服役環境下工作，模具表面會出現粘膜、磨損、沖蝕以及熱疲勞，對精密零部件成形質量和良品率帶來重大影響，不僅模具維修周次增加，使用壽命也大幅下降。同時，熱壓鑄模具通常是使用熱、強、韌等綜合性能優異的4Cr5MoV1Si(H13)模具鋼制造而成的，制造周期長，生產成本高。因此，迫切需要開發提高模具壽命的新技術。

基于模具使用過程中主要是表面失效，采用各種表面強化方法提高模具承載能力，改善表面耐磨損性能和抗氧化性能，延長模具的使用壽命，已被實踐證明是行之有效的技術途徑。目前主要采用氣體滲氮或離子滲氮提高熱壓鑄模具的服役性能，但始終未能取得理想效果，特別是近年來，隨著大噸位壓鑄機的使用，熱壓鑄模具工作條件越來越苛刻，急需研發新的表面強化 處理技術。

真空氣相沉積硬質涂層技術目前在金屬切削刀具領域已得到廣泛應用，其涂層類型有TiN、TiCN、TiAlN、CrAlN等，它們具有高硬度、耐磨損、抗氧化及抗腐蝕等優異性能，為難切削金屬加工帶來了革命性技術進步。但目前硬質涂層在模具領域應用仍處于起步階段，特別是對熱壓鑄模具表面高性能涂層強化技術還未見報道。為此，針對熱壓鑄模具特定服役條件，系統開發電弧離子鍍硬質涂層在熱壓鑄模具的應用尤為重要。

技術實現要素：

本發明的目的在于，提供一種熱壓鑄模具表面采用電弧離子鍍涂層的制備方法。

為了實現上述任務，本發明采取如下的技術解決方案：

一種熱壓鑄模具表面涂層的制備方法，其特征在于，該方法將熱壓鑄模具表面噴砂及清洗處理后，放入電弧離子鍍設備內，以矩形Ti靶作為底層的Ti來源，矩形Ti靶安置在爐體左內壁上，通過矩形Ti靶電弧電源的電流控制矩形Ti靶的蒸發率，在熱壓鑄模具表面制備一層Ti底層；然后以圓形CrAl靶作為制備CrAlN涂層的Cr、Al元素來源，其中Cr、Al元素的原子成分比例為Cr/Al＝70/30，通過圓形CrAl靶電弧電源的電流控制CrAl靶的蒸發率；采用高純N₂作為反應氣體，使其離化并與Cr、Al元素結合，在Ti底層上沉積形成CrAlN涂層。

本發明的熱壓鑄模具表面涂層的制備方法，其技術突破上主要體現在：首先，熱壓鑄模具表面預處理，采用噴砂和脫氣處理，涂層的結合力顯著提高，涂層厚度可以增加到5-8μm而不脫落，強化效果更佳。另外，由于熱壓鑄模具工作溫度較高、承載壓力大，本發明制備的CrAlN涂層，其抗氧化溫度1100℃，硬度Hv3000，能很好滿足熱壓鑄模具的耐磨損性能、抗熱疲勞性能和抗氧化性能要求。適合于高溫、高速、重載等嚴酷服役條件下的熱 壓鑄模具表面強化應用。

附圖說明

圖1為電弧離子鍍膜設備結構示意圖。

圖中的標記分別表示：1、電源偏壓，2、轉臺架，3、真空室，4、轉架桿，5、矩形Ti靶，6、永磁體，7、8、9分別是圓形CrAl靶，10、加熱器，11、泵組。

以下結合附圖和發明人給出的實施例對本發明作進一步的詳細說明。

具體實施方式

遵照本發明的技術方案，一種熱壓鑄模具表面涂層制備方法，該方法將熱壓鑄模具表面噴砂及清洗處理后放入電弧離子鍍設備內進行CrAlN涂層加工，其中，以矩形Ti靶作為底層的Ti來源，矩形Ti靶安置在爐體左內壁上，通過矩形靶電弧電源的電流控制矩形Ti靶的蒸發率，在熱壓鑄模具表面制備一層Ti底層；以圓形CrAl靶作為制備CrAlN涂層的Cr、Al元素來源，其中Cr、Al元素的原子成分比例為Cr/Al＝70/30，圓形CrAl靶共三個，以均布的方式安置在爐體右內壁上，通過圓形CrAl靶電弧電源的電流控制CrAl靶的蒸發率；采用高純N₂作為反應氣體，使其離化并與Cr、Al元素結合，在Ti底層上沉積形成CrAlN涂層。

實施例：

本實施例給出一種4Cr5MoV1Si材料制作的熱壓鑄模具采用真空電弧離子鍍沉積硬質涂層的工藝方法，需要說明的是，本發明的方法制備的涂層，可以在任何類似于4Cr5MoV1Si材料制作的任何類型熱壓鑄模具上進行，并不限于該實施例。

本實施例的具體工藝過程是：

1)將經1070℃淬火+530℃三次回火后硬度為HRC＝43的4Cr5MoV1Si材料制作的熱壓鑄模具(模具尺寸：500×260×150mm)作為樣品，經表面除 油、噴砂后進行超聲波清洗，酒精脫水。

2)將預處理好的樣品放入電弧離子鍍膜設備中。電弧離子鍍膜設備如圖1所示，電弧離子鍍膜設備至少包括外加電源偏壓1、轉臺架2、真空室3、轉架桿4、矩形靶5、永磁體6、圓形CrAl靶(7、8、9)(也稱粉末冶金靶，其中圓形CrAl靶的Cr、Al元素的原子成分比例為Cr/Al＝70/30)，加熱器10、泵組11。樣品固定于轉架桿4上，轉架桿4可以隨轉臺架2轉動。

3)采用840×140×10mm的矩形Ti靶5作為Ti底層的Ti來源，通過矩形Ti靶5的弧電源電流控制Ti靶5的蒸發率，在樣品表面制備一層Ti底層；采用直徑尺寸為100mm的圓形CrAl靶(7、8、9)作為制備CrAlN涂層的Cr、Al元素的來源，如圖1所示，三個圓形CrAl靶以均布的方式安置在爐體右內壁上，并通過調整三個圓形CrAl靶(7、8、9)的電源電流，控制圓形CrAl靶(7、8、9)的蒸發率，采用高純N₂作為反應氣體，使其離化并與Cr、Al元素結合，在樣品的Ti底層表面再沉積形成CrAlN涂層。

4)涂層優化工藝條件為：

(1)等離子體刻蝕

將預處理后的樣品裝入電弧離子鍍膜真空室，抽真空并加熱到500℃不變，鍍膜前，通入20ml/min的Ar到真空室，當真空室氣壓達到6Pa時，開偏壓至-1000V對真空室的樣品表面進行轟擊刻蝕和除氣處理，持續120分鐘。

(2)Ti底層制備

樣品刻蝕完成后，調節Ar流量到30ml/min，將真空室氣壓調至0.3Pa，打開矩形Ti靶電弧電源，弧電流100A，調整偏壓到-200V，持續10分鐘，在樣品表面制備得到Ti底層。

(3)CrAlN涂層制備

Ti底層制備完成后，將偏壓調整為-80V，將Ar流量關閉。打開N₂開關，調整N₂流量使真空室氣壓為0.8Pa，將矩形Ti靶關閉，將圓形CrAl靶打開，電流為80A，開始在Ti底層上制備CrAlN涂層，持續240分鐘，在Ti底層表面沉積形成CrAlN涂層。

經過本實施例制備涂層處理后的熱壓鑄模具，用于鋁硅合金A360材質零件壓鑄成型，熔料溫度680℃，進料成型溫度350℃。對比測試結果表明：沒有經過涂層制備的熱壓鑄模具表面經常出現粘模、沖蝕、龜裂等破壞，熱壓鑄模具維修次數頻繁，熱壓鑄模具總計僅能壓鑄3000件產品。使用本實施例制備涂層處理后，熱壓鑄模具表面粘模、沖蝕等情況得到了明顯改善，可總計壓鑄15000件產品，不但使得熱壓鑄模具使用壽命提高5倍，而且減少了停機對熱壓鑄模具維修次數，生產效率大幅提高。表明本實施例設計開發的新型CrAlN涂層工藝在熱壓鑄模具表面強化上有良好效果和廣泛應用前景。