[發明專利]一種熱作模具表面電弧等離子體輔助低壓滲氮方法

有效

• 申請號: 201510607501.0
• 申請日: 2015-09-22
• 公開（公告）號: CN105177493B
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 匡同春;蔡盼盼;李雪萍;譚超林;鄧陽;周克崧
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C23C8/36
• 分類號: C23C8/36
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明屬于材料表面改性領域，具體涉及一種熱作模具表面電弧等離子體輔助低壓滲氮方法，適用于硬質合金刀具、模具、金屬零部件的表面強化。

背景技術

等離子滲氮是一種重要的化學熱處理技術，具有處理溫度低、速度快、無污染、工藝可控性好等優點，可顯著提高金屬材料的表面硬度和耐磨性能。滲氮方法通常分為氣體滲氮、液體滲氮、固體滲氮和離子滲氮等。其中離子滲氮因其效率高、污染小、易控制、工件變形小等優點得到了廣泛應用。

目前，常用的離子滲氮技術有直流離子滲氮、脈沖直流離子滲氮、活性屏離子滲氮、空心陰極等離子滲氮、離子注入滲氮等等。

在直流離子滲氮過程中，工件置于真空容器中并和直流高壓電的負極相連，陽極則接在真空室外殼上，工件就在直流輝光放電產生的低溫等離子體中進行滲氮處理。工件作為放電系統的陰極，離子滲氮處理過程中不可避免地存在一些難以解決的問題，如 M. OIzon-Dionysio 研究了直流離子滲氮的“邊角效應”，指出造成工件邊角部位的表面形貌及組織結構與其他部位有所差異，導致表面硬度的不均勻。此外，還存在表面打弧、空心陰極效應等缺點。

為了快速息弧和提高滲氮工件的質量，脈沖電源的開發和應用是近30年來離子化學熱處理技術發展的最大亮點。采用脈沖電源進行離子化學熱處理具有滅弧容易、空心陰極效應小、無功損耗低、便于工藝參數獨立控制等特點，特別是對一些形狀特殊的零件，或是需經特別工藝處理，脈沖電源的優勢更為明顯。在低壓等離子弧源中進行離子滲氮處理，可使溫度降低100℃以上。

盧森堡工程師 Georges 發明了活性屏離子滲氮技術，解決了直流離子滲氮存在的問題。活性屏離子滲氮處理技術，是將陰極電位施加在一個所謂的活性屏(金屬屏)上，而不施加在被處理的工件上，故完全可避免工件表面打弧、空心陰極效應和邊緣效應等問題。1987年美國威斯康辛大學 Conrad 教授提出了等離子源離子注入技術，隨后 Collins 教授等提出等離子體浸沒離子注入技術，實質上是在等離子源離子注入技術的基礎上增加溫度輔助作用，使注入的氮元素向表層深處擴散，以增大硬化層深度。

上述方案在一定程度上發展了滲氮工藝，但離子滲氮的滲層淺，對結構復雜的金屬零部件難以保證滲層均勻一致，且設備復雜、初期投資大，其大范圍的推廣應用受到限制。

等離子源輔助滲氮技術是將等離子體的產生與工件獨立，在更低氣壓下進行，在爐內單獨配制的一個等離子體發生器，離化含氮氣體進行滲氮。Zerwiec總結分析各種離子源輔助滲氮技術后，指出離子源輔助滲氮技術，氮離子大部分通過注入方式進入材料表面，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結構和性能發生變化，獲得優異性能。

發明內容：

針對目前滲氮工藝的不足，為控制滲氮層中化合物的厚度，以及改善化合物層的疏松性，本發明提供一種熱作模具表面電弧等離子體輔助低壓滲氮方法，采用低壓、脈沖以及滲氮氣氛中通入Ar-H₂-N₂相結合來制備具有高強度和高韌性滲氮層。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

一種熱作模具表面電弧等離子體輔助低壓滲氮方法，包括以下步驟：

1）工件為不同前處理狀態的 4Cr5MoSiV1 熱作模具鋼，經超聲波清洗、吹干，置于低壓滲氮裝置中，依次開啟機械泵、分子渦輪泵抽真空至本底真空，加熱至 300-600℃，去除真空室內殘留物；

2）保持反應爐內溫度 300-500℃，反應爐內氣壓為2.0×10^-2 -4.0×10^-3 Pa，工件轉平臺接脈沖電源負極，電弧靶引弧，通氬氣，反應爐內氣壓保持 0.2-1.0Pa，對工件表面進行離子刻蝕 30-60min；

3）向反應爐內連續通入高純 N₂、高純 H₂ 和惰性氣體 Ar，保持反應爐內溫度和氣壓恒定，工件轉平臺接脈沖電源負極，電弧靶電流 80-85A保持恒定，進行 60-120min 等離子滲氮；

4）隨后開啟爐體循環冷卻水系統冷卻 60-120min，工件在低真空狀態下隨爐冷卻至室溫，開啟真空爐并取出工件。

進一步地，步驟1）所述的不同前處理狀態的 H13 熱作模具鋼分別為噴砂態、砂輪研磨態、砂紙磨光態（1000#）、機械拋光態。

進一步地，步驟1）所述的加熱采用紅外電加熱管加熱，裝置腔室內的實際溫度由熱電偶測量。