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铝材知识——浅谈热作模具钢H13钢以及铝合金压铸模的表面改性技术

浅谈热作模具钢H13钢以及铝合金压铸模的表面改性技术

发布时间:2013-4-26     新闻来源:上海西鼎模具钢有限公司

国内普遍认为, 热疲劳发生龟裂损伤和热磨损是热作模具失效的两大主要原因。这方面,国外的相关文献叙述得十分明确:模具的损坏和限制模具寿命上升的三个机制为:1)液态金属铝的粘焊(soldering)和化学冲蚀损伤。2)磨损和腐蚀。3)热疲劳开裂。其中1)是最重要的失效机制。他们提出采用铁素体氮碳共渗和离子氮化能显著提高工具钢的模具寿命。国内有关铝熔损的试验指出,当模具材料硬度为45HRC时,未表面处理的铝熔损率高达54.90%时,当采用盐浴硫氮碳共渗,其熔损率仅为0.10%,当采用盐浴氮碳共渗(软氮化)后在加上PVD处理时,熔损率更明显降低至0.10%。由此可见H13钢的表面改性的效果十分明显。

热作模具钢H13的特点及发展方向
①H13钢是世界上普遍使用的强韧兼具的热作模具钢,具有高的淬透性和抗热裂能力。很多场合应用于制造铝合金压铸模具。
②H13钢的国内牌号为4Cr5MoSiVl,现在正在向低Si高Mo方向发展。
③H13钢的表面改性主要有铁素体氮碳共渗或者硫氮碳共渗以及物理气相沉积硬膜等方法, 更为优越的办法是这些方法进行合理组合。

热作模具钢H13以及铝合金压铸模的表面改性目前主要在以下两个方面:
(1)铁素体氮碳共渗和硫氮碳共渗技术和(2)PVD涂层技术。国内外在这两方面进行的研究论文有了发表, 但具体工业应用报导不多。专门从事材料表面改性技术的法国HEF集团在一些国际性会议上以论文形式报导了H13钢表面改性工业应用的实例,同时艾福表面处理技术(上海)有限公司(HEF Shanghai)结合舍福表面处理技术有限公司(TS Shanghai)的实践汇同国外的相关文献(尤其是NADCA的专家和Case Western Reserve 大学教授的工作)作一定描述。
解决H13钢表面改性问题的最佳途径是在模具材料表面涂覆硬膜,使其不被铝合金熔液润湿,同时涂覆的硬膜也赋予模具材料表面的腐蚀磨损抗力。HEF集团对汽车转向操作系统的铝合金工件压铸成型模具中的挺杆(38CDV5,相当于H13钢)表面沉积3μm厚的CERTESS SD 涂层,其硬度可达4000~4500HV,使用温度可达800℃,还可抗铝合金的黏结,使用寿命提高至10万次,是未进行沉积处理挺杆的6~7倍。

对如何获得这种不被液态金属润湿的硬质膜, Colorado School of Mines(CSM)的D.Zhong和J.J.Moore等提出多层优化涂膜的结构是:
①先对H13模具基体进行表面改性,如采用铁素体氮碳共渗或离子渗氮;
②50~100nm的结合中间层(adhesion interlayer)如Ti或Cr;
③调整基材和涂层之间由于压铸作业引起的热残余应力的中间过度层(intermediate graded layer),这可应用有限元模拟方法确定,他们举例认为,这取决于所选的工作硬化层,当工作层选用Al2O3层时,这中间过渡层为Ti-Al-N梯度层;
④工作涂层,与液态金属或玻璃不相润湿(non wetting), 对Al合金压铸,可采用CrN,TiAlN,TiCB和Al2O3等。相应多层结构膜总厚在5~8μm之间。
在模具工件上通过PVD技术获得优异质量的涂层, 应该依赖于高性能的设备和能优化选择的工艺参数。这种设备最好具有下述技术要求:
①涂覆处理温度低;
②绕涂性好;
③涂层沉积均匀;
④采用增强离化率技术;
⑤精确的涂层成分控制;
⑥一定的沉积速率;
⑦能进行多层复合涂;
⑧能得到纳米结构的涂层;
⑨具有PVD和CVD的工作模式;
⑩能边涂覆边刻蚀,获得最佳的涂层质量。

法国HEF集团发展并应用等离子体增强磁控溅射(PEMSTM)技术对涂层的沉积过程进行精确的控制。应用PEMSTM技术可以达到涂层最高理论密度。HEF集团真空涂层设备和技术因此在世界上处于领先地位。概括地说,HEF的设备和技术的主要优势在于:
①可以独立地对离子的流量和能量进行控制,从而得到最高密度和性能的涂层;
②采用独特的OES系统对等离子体波长进行测量,实现涂层成分的精确控制;
③获得的所有硬质涂层都具有纳米级(≤20nm)结构;
④低电压、高真空度环境下均匀的轰击,可以极大地减弱尖角效应;
⑤在抽真空的同时进行加热,充分迅速地去除水分,获得优质、高效的沉积效果;
⑥最低处理温度可达到80℃,可用于对几乎所有材料,包括铝合金和聚合物材料进行涂层加工;
⑦一台设备同时拥有PVD和PACVD加工模式,给客户的技术升级以充分的支持。
法国HEF集团通过艾福表面处理技术(上海)有限公司已在上海舍福表面处理技术有限公司(上海松江)投资引入两种系列的PVD/PACVD设备,现在能涂覆的硬膜涂层主要有CrN、CrxNY、TiN、TiBN、TiCN、TiALN和类金刚石DLC膜,他们对PVD涂膜前的H13钢基材等的表面改性采用液体硫氮碳共渗或液体氮碳共渗也具有鲜明特色,称作为Sursulf/Arcor(舍舍夫/阿可)技术或Tufftride/ Tenifer(由其2001年并入HEF集团的德国子公司Durferrit提供)。