一种热作模具表面电弧等离子体辅助低压渗氮方法

摘要

本发明公开了一种热作模具表面电弧等离子体辅助低压渗氮方法。首先利用电弧增强辉光放电产生的Ar+对热作模具表面进行离子刻蚀，去除材料表面的氧化物。而后炉内连续通入一定流量高纯N2、高纯H2、以及高纯Ar，保持炉内温度（300-600℃）和气压（0.2-1.0Pa）恒定，工件转平台接脉冲电源负极，进行等离子渗氮。2h渗氮渗层深度在15-40μm，渗氮层中化合物层厚度0-3μm，硬度1000-1300HV0.1，脆性等级小于1级，疏松级别小于1级。此外，通过氩离子有效、实时地轰击活化工件表面，以达到增加氮原子扩散通道，加速渗氮过程，最终得到高强度高韧性的渗氮表层。

说明书

技术领域

本发明属于材料表面改性领域，具体涉及一种热作模具表面电弧等离子体辅助低压渗氮方法，适用于硬质合金刀具、模具、金属零部件的表面强化。

背景技术

等离子渗氮是一种重要的化学热处理技术，具有处理温度低、速度快、无污染、工艺可控性好等优点，可显著提高金属材料的表面硬度和耐磨性能。渗氮方法通常分为气体渗氮、液体渗氮、固体渗氮和离子渗氮等。其中离子渗氮因其效率高、污染小、易控制、工件变形小等优点得到了广泛应用。

目前，常用的离子渗氮技术有直流离子渗氮、脉冲直流离子渗氮、活性屏离子渗氮、空心阴极等离子渗氮、离子注入渗氮等等。

在直流离子渗氮过程中，工件置于真空容器中并和直流高压电的负极相连，阳极则接在真空室外壳上，工件就在直流辉光放电产生的低温等离子体中进行渗氮处理。工件作为放电系统的阴极，离子渗氮处理过程中不可避免地存在一些难以解决的问题，如M.OIzon-Dionysio研究了直流离子渗氮的“边角效应”，指出造成工件边角部位的表面形貌及组织结构与其他部位有所差异，导致表面硬度的不均匀。此外，还存在表面打弧、空心阴极效应等缺点。

为了快速息弧和提高渗氮工件的质量，脉冲电源的开发和应用是近30年来离子化学热处理技术发展的最大亮点。采用脉冲电源进行离子化学热处理具有灭弧容易、空心阴极效应小、无功损耗低、便于工艺参数独立控制等特点，特别是对一些形状特殊的零件，或是需经特别工艺处理，脉冲电源的优势更为明显。在低压等离子弧源中进行离子渗氮处理，可使温度降低100℃以上。

卢森堡工程师Georges发明了活性屏离子渗氮技术，解决了直流离子渗氮存在的问题。活性屏离子渗氮处理技术，是将阴极电位施加在一个所谓的活性屏(金属屏)上，而不施加在被处理的工件上，故完全可避免工件表面打弧、空心阴极效应和边缘效应等问题。1987年美国威斯康辛大学Conrad教授提出了等离子源离子注入技术，随后Collins教授等提出等离子体浸没离子注入技术，实质上是在等离子源离子注入技术的基础上增加温度辅助作用，使注入的氮元素向表层深处扩散，以增大硬化层深度。

上述方案在一定程度上发展了渗氮工艺，但离子渗氮的渗层浅，对结构复杂的金属零部件难以保证渗层均匀一致，且设备复杂、初期投资大，其大范围的推广应用受到限制。

等离子源辅助渗氮技术是将等离子体的产生与工件独立，在更低气压下进行，在炉内单独配制的一个等离子体发生器，离化含氮气体进行渗氮。Zerwiec总结分析各种离子源辅助渗氮技术后，指出离子源辅助渗氮技术，氮离子大部分通过注入方式进入材料表面，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，获得优异性能。

发明内容：

针对目前渗氮工艺的不足，为控制渗氮层中化合物的厚度，以及改善化合物层的疏松性，本发明提供一种热作模具表面电弧等离子体辅助低压渗氮方法，采用低压、脉冲以及渗氮气氛中通入Ar-H₂-N₂相结合来制备具有高强度和高韧性渗氮层。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种热作模具表面电弧等离子体辅助低压渗氮方法，包括以下步骤：

1）工件为不同前处理状态的4Cr5MoSiV1热作模具钢，经超声波清洗、吹干，置于低压渗氮装置中，依次开启机械泵、分子涡轮泵抽真空至本底真空，加热至300-600℃，去除真空室内残留物；

2）保持反应炉内温度300-500℃，反应炉内气压为2.0×10^-2-4.0×10^-3Pa，工件转平台接脉冲电源负极，电弧靶引弧，通氩气，反应炉内气压保持0.2-1.0Pa，对工件表面进行离子刻蚀30-60min；

3）向反应炉内连续通入高纯N₂、高纯H₂和惰性气体Ar，保持反应炉内温度和气压恒定，工件转平台接脉冲电源负极，电弧靶电流80-85A保持恒定，进行60-120min等离子渗氮；

4）随后开启炉体循环冷却水系统冷却60-120min，工件在低真空状态下随炉冷却至室温，开启真空炉并取出工件。

进一步地，步骤1）所述的不同前处理状态的H13热作模具钢分别为喷砂态、砂轮研磨态、砂纸磨光态（1000#）、机械抛光态。

进一步地，步骤1）所述的加热采用红外电加热管加热，装置腔室内的实际温度由热电偶测量。

进一步地，步骤2）与步骤3）所述的工件转平台接脉冲电源，负偏压均为300-500V，采用双极脉冲，脉冲频率10-20kHz，占空比0.8-1.0。

进一步地，步骤2）所述的电弧靶电流为80-85A。

进一步地，步骤2）所述的氩气流量为180-200mL/min。

进一步地，步骤2）所述的离子刻蚀是指电弧增强辉光放电技术；所述电弧增强辉光放电技术，电弧增强辉光放电技术，是通过弧光放电产生高密度电子，电子与通入氩气碰撞，电离出Ar⁺，对工件表面进行刻蚀。所述电弧靶采用Ti靶。

进一步地，步骤3）所述的N₂流量为25-50mL/min，H₂流量为25-50mL/min，Ar流量为80-120mL/min。

进一步地，步骤3）所述的温度300-500℃，气压0.2-1.0Pa。

进一步地，所述反应炉为实验采用Metaplas-Dominomini型设备。

更进一步地，实现本发明目的的技术方案按照以下步骤：

（1）选取不同前处理状态的H13钢工件，用丙酮溶液超声清洗20min，取出后用吹风机吹干，置于电弧等离子体辅助渗氮装置中进行渗氮处理。

（2）保持炉内温度500℃，真空室内气压为4.0×10^-3Pa，工件转平台接脉冲电源，电弧靶引弧，通氩气，炉内气压保持0.2-1.0Pa，对工件表面进行离子刻蚀60min。

（3）向炉内连续通入一定流量高纯N₂，高纯H₂，以及惰性气体Ar，保持炉内温度和气压恒定，工件转平台接脉冲电源，电弧靶电流保持恒定，进行120min等离子渗氮。

（4）随后开启炉体循环冷却水系统冷却60min，工件在低真空状态下随炉冷却至室温，开启真空炉并取出工件。

步骤1所述的不同前处理状态的H13热作模具钢分别为喷砂态、砂轮研磨态、砂纸磨光态（1000#）、机械抛光态。

步骤2中的等离子刻蚀是电弧增强辉光放电技术，刻蚀过程中工件转平台接脉冲电源。而碰撞出的Ar⁺刻蚀工件表面，去除表面的氧化物。

步骤2中氩气流量为190mL/min。

步骤2与步骤3中工件转台接脉冲电源，负偏压为300V，脉冲频率20kHz，占空比0.8。电弧靶采用Ti靶，电弧靶电流为80-85A，靶前面附有挡板，蒸发的Ti离子（或原子）沉积在挡板上，从而碰撞产生Ar⁺。

步骤3中渗氮过程中N₂流量为50mL/min，H₂流量为25mL/min，Ar流量为120mL/min。渗氮过程中通入Ar，通过控制Ar的流量控制炉内气压保持在1.0Pa。

步骤3中渗氮温度和气压保持恒定，气压为1.0Pa，温度为500℃。

步骤3中渗氮过程中通有惰性气体氩气，降低了气氛中的氮浓度，抑制化合物层的产生，降低硬度梯度；此外，通过氩离子有效地轰击活化工件表面，以达到增加氮原子扩散通道，加速渗氮过程，最终得到高强度高韧性的表层。渗氮层中化合物层厚度小于0-3μm，硬度1000-1300HV_0.1，脆性等级小于1级，疏松级别小于1级。

步骤3中电弧等离子体辅助渗氮工艺将传统的辉光放电改为辉光放电与弧光放电的结合，渗氮工作气压为1.0Pa，低压增加了氮的自由程，利于氮的扩散；基体接入脉冲电源，脉冲频率高达20kHz，灭弧速度快，弧光点能量小，对零件表面不产生任何电弧损伤，并且可以有效的抑制“空心阴极效应”。

所述的反应炉为实验采用Metaplas-Dominomini型设备。

本发明等离子辅助渗氮技术原理为：

等离子源辅助渗氮技术是将等离子体的产生与工件独立，在更低气压下进行，在炉内单独配制的一个等离子体发生器，离化含氮气体进行渗氮，氮大部分通过注入方式进入材料表面，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，获得优异性能。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

（1）本发明电弧等离子体辅助低压渗氮技术能够改善传统离子渗氮的不足，弧光放电具有较高的等离子密度，所需辉光能量小，避免对工件表面造成的损伤。当渗氮压力很低时，单位体积内分子数量很少，铁离子自由程较长，工件表面形成及沉积的铁氮化物FeN几率就低，同时，较高动能的离子轰击表面引起新形成的化合物层被溅射。

（2）工件转平台接入脉冲电源，采用双极脉冲，频率高达20kHz，灭弧速度快，对零件表面不产生任何电弧损伤，并且可以有效的抑制“空心阴极效应”。

（3）通过氩离子有效地轰击活化工件表面，以达到增加氮原子扩散通道，加速渗氮过程，避免化合物层的形成，同时提高工件的热疲劳性能。

附图说明

图1为真空腔室工作示意图；

图2为喷砂态H13钢电弧等离子体辅助渗氮处理后截面硬度梯度曲线图；

图3为喷砂态H13钢横截面渗氮层金相照片；

图4为砂轮研磨态H13钢电弧等离子体辅助渗氮处理后截面硬度梯度曲线图；

图5为砂轮研磨态H13钢横截面渗氮层金相照片；

图6为砂纸磨光态（1000#）H13钢电弧等离子体辅助渗氮处理后截面硬度梯度曲线图；

图7为砂纸磨光态（1000#）H13钢横截面渗氮层金相照片；

图8为机械抛光态H13钢电弧等离子体辅助渗氮处理后截面硬度梯度曲线图；

图9为机械抛光态H13钢横截面渗氮层金相照片。

具体实施方式：

下面结合具体的实施例对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。

实施例1—工件表面喷砂

(1)工件为经过喷砂处理的H13钢，喷砂粒度80目，粗糙度Ra1.4μm，用丙酮溶液超声清洗工件20分钟，取出后用吹风机吹干，置于电弧等离子体辅助渗氮装置中进行渗氮处理，依次开启机械泵、分子涡轮泵抽真空至本底真空，加热至600℃，去除真空室内残留物。

(2)保持炉内温度保持500℃，真空室内气压为4.0×10^-3Pa，工件转平台接脉冲电源负极，负偏压为300V，脉冲频率20kHz，占空比0.8。电弧靶引弧，电弧靶采用Ti靶，靶电流为85A，靶前面附有挡板，蒸发的Ti离子沉积在挡板上，从而碰撞产生Ar⁺，刻蚀工件表面，去除表面的氧化物。通氩气，氩气流量为190mL/min，炉内气压保持1.0Pa，对工件表面进行离子刻蚀60min。

(3)向炉内连续通入定流量高纯度N₂，高纯度H₂，以及惰性气体Ar，N₂流量为50mL/min，H₂流量为25mL/min，Ar流量为120mL/min。工件转平台接脉冲电源负极，负偏压为300V，脉冲频率20kHz，占空比0.8。电弧靶电流为85A，保持气压1.0Pa，温度500℃，进行120min等离子渗氮。

(4)随后开启炉体冷却水循环系统冷却60min，工件在1.0×10^-7Pa真空下随炉冷却至室温，开启真空炉并取出工件,图1为真空腔室工作示意图。

喷砂态的H13钢，经上述500℃电弧等离子体辅助渗氮后硬度梯度曲线见图2，其表层硬度为1192.0HV_0.2，2h渗氮渗层深度在15-20μm之间，渗氮层中扩散层中没有出现呈脉状分布的渗氮物，氮化物级别为1级，见图3。

机械研磨态的H13钢，原始粗糙度为1.4μm，渗氮后粗糙度依然为1.4μm，经喷砂后表面产生较大的晶格畸变，位错密度增加，Ar⁺对表面的轰击效果不明显，金相显微镜（500×）下化合物层厚度约为3μm。压痕测试表明表层脆性良好，压痕四周没有明显裂纹，脆性等级为1级。

实施例2—工件表面砂轮研磨

(1)工件为砂轮研磨态的H13钢，粗糙度Ra0.8μm，用丙酮溶液超声清洗工件20分钟，取出后用吹风机吹干，置于电弧等离子体辅助渗氮装置中进行渗氮处理，依次开启机械泵、分子涡轮泵抽真空至本底真空，加热至600℃，去除真空室内残留物。

(2)保持炉内温度保持500℃，真空室内气压为4.0×10^-3Pa，工件转平台接脉冲电源负极，负偏压为300V，脉冲频率20kHz，占空比0.8。电弧靶引弧，电弧靶采用Ti靶，靶电流为85A，靶前面附有挡板，蒸发的Ti离子沉积在挡板上，从而碰撞产生Ar⁺，刻蚀工件表面，去除表面的氧化物。通氩气，氩气流量为190mL/min，炉内气压保持1.0Pa，对工件表面进行离子刻蚀60min。

(3)向炉内连续通入定流量高纯度N₂，高纯度H₂，以及惰性气体Ar，N₂流量为50mL/min，H₂流量为25mL/min，Ar流量为120mL/min。工件转平台接脉冲电源负极，负偏压为300V，脉冲频率20kHz，占空比0.8。电弧靶电流为85A，保持气压1.0Pa，温度500℃，进行120min等离子渗氮。

(4)随后开启炉体冷却水循环系统冷却60min，工件在1.0×10^-7Pa真空状态下随炉冷却至室温，开启真空炉并取出工件。

砂轮研磨态的H13钢，经上述500^oC电弧等离子体辅助渗氮后硬度梯度曲线见图4，其表层硬度为1314.8HV_0.2，表面研磨态增加扩散通道，2h渗氮渗层深度增加，在30-35μm之间，渗氮层中扩散层中没有出现呈脉状分布的渗氮物，氮化物级别为1级，见图5。

砂轮研磨态的H13钢，原始粗糙度为0.80μm，渗氮过程中由于Ar⁺的轰击，渗氮后粗糙度为0.90μm，金相显微镜（500×）下化合物层厚度约为2μm。压痕测试表明表层脆性良好，压痕四周没有明显裂纹，脆性等级为1级。

实施例3—工件表面砂纸研磨

(1)工件为砂纸磨光态（1000#）H13钢，粗糙度Ra0.35μm，用丙酮溶液超声清洗工件20分钟，取出后用吹风机吹干，置于电弧等离子体辅助渗氮装置中进行渗氮处理，依次开启机械泵、分子涡轮泵抽真空至本底真空，加热至600℃，去除真空室内残留物。

(2)保持炉内温度保持500℃，真空室内气压为4.0×10^-3Pa，工件转平台接脉冲电源负极，负偏压为300V，脉冲频率20kHz，占空比0.8。电弧靶引弧，电弧靶采用Ti靶，靶电流为85A，靶前面附有挡板，蒸发的Ti离子沉积在挡板上，从而碰撞产生Ar⁺，刻蚀工件表面，去除表面的氧化物。通氩气，氩气流量为190mL/min，炉内气压保持1.0Pa，对工件表面进行离子刻蚀60min。

(3)向炉内连续通入定流量高纯度N₂，高纯度H₂，以及惰性气体Ar，N₂流量为50mL/min，H₂流量为25mL/min，Ar流量为120mL/min。工件转平台接脉冲电源负极，负偏压为300V，脉冲频率20kHz，占空比0.8。电弧靶电流为85A，保持气压1.0Pa，温度500℃，进行120min等离子渗氮。

(4)随后开启炉体冷却水循环系统冷却60min，工件1.0×10^-7Pa真空状态下随炉冷却至室温，开启真空炉并取出工件。

砂纸磨光态（1000#）H13钢，经上述500℃电弧等离子体辅助渗氮后硬度梯度曲线见图6，表面研磨态增加扩散通道，2h渗氮渗层深度增加，在30-35μm之间，其表层硬度为1312.4HV_0.2渗氮层中扩散层中没有出现呈脉状分布的渗氮物，氮化物级别为1级，见图7。

砂纸磨光态（1000#）H13钢，原始粗糙度为0.35μm，渗氮过程中由于Ar⁺的轰击，渗氮后粗糙度为0.65μm，金相显微镜（500×）下化合物层厚度约为1μm。压痕测试表明表层脆性良好，压痕四周没有明显裂纹，脆性等级为1级。

实施例4—工件表面研磨抛光

(1)工件为机械抛光态的H13钢，粗糙度Ra0.05μm，用丙酮溶液超声清洗工件20分钟，取出后用吹风机吹干，置于电弧等离子体辅助渗氮装置中进行渗氮处理，依次开启机械泵、分子涡轮泵抽真空至本底真空，加热至600℃，去除真空室内残留物。

(2)保持炉内温度保持500℃，真空室内气压为4.0×10^-3Pa，工件转平台接脉冲电源负极，偏压为-300V，脉冲频率20kHz，占空比0.8。电弧靶引弧，电弧靶采用的Ti靶，电弧靶电流为85A，靶前面附有挡板，蒸发的Ti离子沉积在挡板上，从而碰撞产生Ar⁺，刻蚀工件表面，去除表面的氧化物。通氩气，氩气流量为190mL/min，炉内气压保持1.0Pa，对工件表面进行离子刻蚀60min。

(3)向炉内连续通入定流量高纯度N₂，高纯度H₂，以及惰性气体Ar，N₂流量为50mL/min，H₂流量为25mL/min，Ar流量为120mL/min。工件转平台接脉冲电源负极，偏压为-300V，脉冲频率20kHz，占空比0.8。电弧靶电流为85A，保持气压1.0Pa，温度500℃，进行120min等离子渗氮。

(4)随后开启炉体冷却水循环系统冷却60min，工件在1.0×10^-7Pa真空状态下随炉冷却至室温，开启真空炉并取出工件。

机械抛光态的H13钢，经上述500℃电弧等离子体辅助渗氮后硬度梯度曲线见图8，抛光态较研磨态渗速减小，2h渗氮渗层深度在15-20μm之间，其表层硬度为1255.2HV_0.2渗氮层中扩散层中没有出现呈脉状分布的渗氮物，氮化物级别为1级，见图9。

机械抛光态的H13钢，原始粗糙度为0.05μm，渗氮过程中由于Ar⁺的轰击，渗氮后粗糙度为0.40μm，金相显微镜（500×）下化合物层厚度约为1μm。压痕测试表明表层脆性良好，压痕四周没有明显裂纹，脆性等级为1级。