一種冷作模具鋼的表面處理方法
【專利摘要】本發明提出了一種冷作模具鋼的表面處理方法。該方法步驟包括凈化處理、預鍍Ni-P層和化學復合鍍，將經預鍍Ni-P層的冷作模具鋼浸入添加了穩定劑和表面活性劑的鍍液中進行表面活化；化學復合鍍包括在75℃～95℃溫度下，添加有經表面改性后預混合的TiO2和SiO2納米顆粒的鍍液中化學復合鍍30～40分鐘形成Ni-P-TiO2/SiO2鍍層；再于室溫下干燥后經250℃～500℃處理0.5h～3h。本發明的化學鍍方法工藝簡單，容易實現。本發明所得冷作模具鋼成分均勻，表面光滑，提高了模具表面的硬度以及耐磨性，大幅提高了模具的使用壽命，通過硬度實驗，材料表面相對原基底材料，硬度提高了1～4倍，摩擦磨損量降低30%～75%。
【專利說明】一種冷作模具鋼的表面處理方法【技術領域】
[0001]本發明涉及表面化學處理方法，具體講涉及一種冷作模具鋼的表面處理方法。
【背景技術】
[0002]模具工業方興未艾，特別是進入21世紀后，每年都以20%以上的速度在遞增，隨著材料科學以及制造技術的進步，帶動了模具工業向著更精良的方向發展。
[0003]模具選材是整個模具制作過程中非常重要的一個環節，模具選材需要滿足三個原貝U，模具滿足耐磨性、強韌性等工作需求，同時應滿足經濟適用性。
[0004]冷作模具鋼側重硬度、耐磨性，含碳量高，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性為主，冷作模具鋼包括制造沖截用的模具(落料沖孔模、修邊模、沖頭、剪刀)、冷鐓模和冷擠壓模、壓彎模及拉絲模等。適宜于制作在常溫下對金屬進行變形加工的模具(如下料模、彎曲模、剪切模、冷鐓模、冷擠壓模等)用的工具鋼。
[0005]模具要求其基體有高的硬度、足夠的韌性和高的抗彎強度，同時還要求其表面具有耐磨性，以保證沖壓過程的順利進行，模具形狀及加工藝復雜，而且摩擦面積大，磨損可能性大，所以修磨起來困難，因此要求具有更高的耐磨化；模具工作時承受沖壓力大，又由于形狀復雜易于產生應力集中，所以要求具有較高的韌性；模具尺寸大、形狀復雜，所以要求較高的淬透性，較小的變形及開裂傾向性。總之，冷作模具鋼在淬透性、耐磨性與韌性等方面的要求較高。
[0006]冷作模具鋼在工作時，由于被加工材料的變形抗力比較大，模具的工作部分承受很大的壓力、彎曲力、沖擊力及摩擦力。因此，冷作模具的正常報廢原因一般是磨損，也有因斷裂、崩力和變形超差而提前失效的。
[0007]在送變電領域，壓接導線所用液壓模具由于耐磨性不高，導致易于鋁管粘接、服役壽命短等缺點，帶來模具每年的更換費用就十分巨大。而目前依靠單純通過改變基體材料來改善表面性能是非常有限同時也是非常困難的。表面工程技術在模具上的應用，在很大程度上可以彌補材料本身的不足。
[0008]化學鍍是提高材料表面性能的一種重要手段，通過化學方法在材料表面形成鍍層，可以有效改善材料的摩擦磨損性能。同時化學鍍在目前的工業化生產中應用廣泛且成熟，因此通過這種方法提高模具的性能有著良好技術支撐和前景。
[0009]納米科技的發展為傳統產業的提升提供技術支持，納米顆粒具有小尺寸效應，量子尺寸效應，宏觀量子隧道效應和表面效應，納米顆粒具有特別的性質和效應，可增加材料的硬度和耐磨度。而且，隨著技術的進步，納米顆粒的制備成本大幅度降低，為納米的顆粒的大規模工業化應用提供了基礎。
[0010]復合鍍指在電鍍或化學鍍液中將納米顆粒共沉積到金屬晶體中，能產生具有耐磨，耐腐蝕等優異性能的鍍層。性能的產生又依賴于鍍層中的惰性納米顆粒。但是，由于納米顆粒的比表面積大，表面能較高及粒子處于極不穩定狀態，因而相互吸引，具有穩定的傾向，這種傾向使粒子產生團聚從而影響其應用效果。
【發明內容】
[0011]為了克服現有技術的上述缺陷，本發明提供了一種冷作模具鋼的表面處理方法，在冷作模具表面化學鍍沉積N1-P-Si02/Ti02復合鍍層，通過表面改性后，提高模具表面的硬度以及耐磨性，大幅提高模具的使用壽命。
[0012]為實現上述發明目的，本發明采取的技術方案為:
[0013]一種冷作模具鋼的表面處理方法，其步驟包括凈化處理、預鍍N1-P層和化學復合鍍，將經預鍍N1-P層的冷作模具鋼浸入添加了穩定劑和表面活性劑的鍍液中進行表面活化；化學復合鍍包括在75V~95°C溫度下，添加有經表面改性后預混合的TiO2和SiO2納米顆粒的鍍液中化學復合鍍30~40分鐘形成N1-P-Ti02/Si02鍍層；再于室溫下干燥后經250°C~500°C于馬弗爐或箱式爐中處理0.5h~3h。
[0014]進一步的，鍍液:
[0015]硫酸鎳15 ~40g/L
[0016]次磷酸鈉 10~45g/L
[0017]乙酸納 5~45g/L
[0018]乳酸5 ~30g/L。
[0019]利用硫酸調節鍍液的PH至4~6。
[0020]進一步的，凈化處理為將冷作模具鋼依次進行堿洗，酸洗，水洗和干燥。
[0021]將冷作模具鋼經過砂紙磨光，再于酒精與丙酮的溶液中超聲波清洗15~20分鐘進行除油，再于室溫下干燥；然后于45°C~70°C的堿洗液中堿洗5~10分鐘，再水洗；再放入酸洗液中于室溫條件下進行酸洗I~5分鐘；然后進行水洗干燥。
[0022]進一步的，預鍍為于75°C~95°C和在120~180r/min磁力攪拌下，預鍍10~20分鐘。
[0023]進一步的，穩定劑為濃度為I~4mg/L的硫脲或硼酸。
[0024]進一步的，表面活性劑為濃度為50~300mg/L的從十二烷基苯磺酸鈉、十四烷基二甲基芐基氯化銨和十六烷基二甲基芐基氯化銨中選出的一種。
[0025]進一步的，TiO2和SiO2納米顆粒的粒度范圍不同。
[0026]進一步的，TiO2和SiO2納米顆粒的粒度分別為35nm~75nm和20nm~40nm。
[0027]進一步的，納米TiO2的含量為> I~10g/L，納米SiO2的含量為I~15g/L。
[0028]進一步的，化學復合鍍采用磁力間歇攪拌，攪拌速度為120~180r/min，攪拌時間為6~8分鐘，間歇時間為2~4分鐘。
[0029]納米粒子比表面大、表面能高，納米粒子很容易團聚；且納米粒子與表面能比較低的基體的親和性差、二者在相互混合時不能相溶，導致界面出現空隙，存在相分離現象。為了確保納米粒子在材料中以納米級的尺寸存在，納米粒子的表面改性即納米粒子表面與表面改性劑發生作用，改善納米粒子表面的可潤濕性，`增強納米粒子在介質中的界面相容性，使納米粒子容易在有機化合物或水中分散。表面改性劑分子結構必須具有易與納米粒子的表面產生作用的特征基團，這種特征基團可以通過表面改性劑的分子結構設計而獲得。
[0030]納米分體表面改性的方法很多，有加入分散劑進行分散，另外還有對其進行有機或無機物包覆改性。`[0031]分散劑是通過分散劑吸附改變粒子的表面電荷分布，產生靜電穩定效應、空間位阻作用和靜電空間位阻穩定效應來達到分散效果。
[0032]分散劑的種類有表面活性劑、小分子量無機電解質或無機聚合物、聚合物和偶聯劑類。表面活性劑是由親水基和疏水基兩部分組成的雙親分子，主要利用空間位阻作用達到分散效果。偶聯改性是納米粒子表面發生化學偶聯反應，兩組份之間除范德華力、氫鍵或配位鍵相互作用外，還有離子鍵或共價鍵的結合。
[0033]包覆法是用無機化合物或者有機化合物(水溶性或油溶性高分子化合物及脂肪酸皂等)對納米粒子表面進行包覆，對納米粒子的團聚起到減弱或屏蔽，而且由于包覆物而產生了空間位阻斥力，使粒子再團聚十分困難，從而達到改性的目的。包覆的機理可以是吸附、附著、簡單化學反應或者沉積現象的包膜等。
[0034]由于采用了上述技術方案，與現有技術相比，本發明的有益效果包括:
[0035]( I)本發明的化學鍍方法工藝簡單，容易實現。
[0036](2)本發明中加入納米Si02、Ti02顆粒可有效的提高鍍層的硬度和耐磨性能，同時納米Si02、Ti02成本低廉,適合大規模化生產。
[0037](3)本發明中對加入的納米Si02、TiO2顆粒進行顆粒級配，并進行預先混合，有利于形成更密實的鍍層。
[0038](4)本發明中先進行預鍍N1-P鍍層，再進行復合鍍N1-P_Ti02/Si02鍍層，有利于N1-P-Ti02/Si02復合鍍層的結合。
[0039](5)本發明所得冷作模具鋼成分均勻，表面光滑。
[0040]( 6 )本發明通過熱處理工藝可以促進鍍層中新相形成，相變形成金屬間化合物，更加合金化，提高鍍層抗塑性變形能力，同時也提高了鍍層與基體材料的結合力。
[0041](7)本發明所得冷作模具鋼通過硬度實驗，材料表面相對原基底材料，硬度提高了I~4倍,摩擦磨損量降低30%~75%。
【具體實施方式】
[0042]下面結合實例對本發明進行詳細的說明。
[0043]實施例1:
[0044]一種冷作模具鋼的表面處理方法，其步驟包括凈化處理、預鍍N1-P層和化學復合鍍。
[0045]配置鍍液:稱取30g六水合硫酸鎳，25g次磷酸鈉，15g乙酸鈉，20g乳酸，配置成I升鍍液。利用硫酸調節鍍液的PH至5。
[0046]凈化處理為將冷作模具鋼依次進行堿洗，酸洗，水洗和干燥。
[0047]將冷作模具鋼經過砂紙磨光，再于酒精與丙酮的溶液中超聲波清洗15分鐘進行除油，再于室溫下干燥；然后于45°C的堿洗液中堿洗5分鐘，再水洗；再放入酸洗液中于室溫條件下進行酸洗5分鐘；然后進行水洗干燥。
[0048]將處理后的冷作模具鋼打孔懸掛浸入鍍液中。
[0049]預鍍包括于85°C和在120r/min磁力攪拌下，預鍍10分鐘。
[0050]將經預鍍N1-P層的冷作模具鋼浸入添加了 3mg的穩定劑硫脲和IOOmg的表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉鍍液中進行表面活化；[0051]化學復合鍍包括在85°C溫度下，添加有經表面改性后預混合的粒度為35nm~75nm銳鈦礦型的TiO2和粒度為20nm~40nm非晶型的SiO2納米顆粒的鍍液中化學復合鍍30分鐘形成N1-P-Ti02/Si02鍍層，納米TiO2的含量為6g/L，納米SiO2的含量為10g/L，化學復合鍍采用磁力間歇攪拌，攪拌速度為120r/min，攪拌時間為6分鐘，間歇時間為2分鐘。
[0052]再于室溫下干燥后經400°C于馬弗爐中處理Ih。
[0053]通過硬度實驗，所得冷作模具鋼表面相對原基底材料，硬度提高了 I~4倍，摩擦磨損量降低30%~75%。
[0054]實施例2:
[0055]一種冷作模具鋼的表面處理方法，其步驟包括凈化處理、預鍍N1-P層和化學復合鍍。
[0056]配置鍍液:稱取25g六水合硫酸鎳，20g次磷酸鈉，12g乙酸鈉，18g乳酸，配置成I升鍍液。利用硫酸調節鍍液的PH至4.5。
[0057]凈化處理為將冷作模具鋼依次進行堿洗，酸洗，水洗和干燥。
[0058]將冷作模具鋼經過砂紙磨光，再于酒精與丙酮的溶液中超聲波清洗20分鐘進行除油，再于室溫下干燥；然后于70°C的堿洗液中堿洗10分鐘，再水洗；再放入酸洗液中于室溫條件下進行酸洗3分鐘；然后進行水洗干燥。
[0059]預鍍包括于78°C和在160r/min磁力攪拌下，預鍍20分鐘。
[0060]將經預鍍N1-P層的冷作模具鋼浸入添加了 2mg的穩定劑硼酸和50mg的表面活性劑十四烷基二甲基芐基氯化銨鍍液中進行表面活化；
[0061]化學復合鍍包括在78°C溫度下，添加有經表面改性后預混合的粒度為35nm~75nm TiO2和粒度為20nm~40nm的SiO2納米顆粒的鍍液中化學復合鍍40分鐘形成N1-P-Ti02/Si02鍍層，納米TiO2的含量為5g/L，納米SiO2的含量為12g/L，化學復合鍍采用磁力間歇攪拌,攪拌速度為160r/min，攪拌時間為8分鐘，間歇時間為4分鐘。
[0062]再于室溫下干燥后經500°C于箱式爐中處理1.2h。
[0063]實施例3:
[0064]一種冷作模具鋼的表面處理方法，其步驟包括凈化處理、預鍍N1-P層和化學復合鍍。
[0065]配置鍍液:稱取40g六水合硫酸鎳，45g次磷酸鈉，45g乙酸鈉，30g乳酸，配置成I升鍍液。利用硫酸調節鍍液的PH至5.5。
[0066]凈化處理為將冷作模具鋼依次進行堿洗，酸洗，水洗和干燥。
[0067]將冷作模具鋼經過砂紙磨光，再于酒精與丙酮的溶液中超聲波清洗18分鐘進行除油，再于室溫下干燥；然后于60°C的堿洗液中堿洗8分鐘，再水洗；再放入酸洗液中于室溫條件下進行酸洗I分鐘；然后進行水洗干燥。
[0068]預鍍包括于95°C和在180r/min磁力攪拌下，預鍍18分鐘。
[0069]將經預鍍N1-P層的冷作模具鋼浸入添加了 4mg的穩定劑硫脲和300mg的表面活性劑十六烷基二甲基芐基氯化銨鍍液中進行表面活化；
[0070]化學復合鍍包括在95°C溫度下，添加有經表面改性后預混合的粒度為35nm~75nm TiO2和粒度為20nm~40nm的SiO2納米顆粒的鍍液中化學復合鍍35分鐘形成N1-P-Ti02/Si02鍍層，納米TiO2的含量為10g/L，納米SiO2的含量為15g/L，化學復合鍍采用磁力間歇攪拌，攪拌速度為1800r/min，攪拌時間為7分鐘，間歇時間為3分鐘。
[0071]再于室溫下干燥后經250°C于馬弗爐中處理3h。
[0072]通過硬度實驗，所得冷作模具鋼表面相對原基底材料，硬度提高了 I~4倍，摩擦磨損量降低30%~75%。
[0073]最后應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應 涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種冷作模具鋼的表面處理方法，其步驟包括凈化處理、預鍍N1-P層和化學復合鍍，其特征在于:將經預鍍N1-P層的冷作模具鋼浸入添加了穩定劑和表面活性劑的鍍液中進行表面活化；所述化學復合鍍包括在75°C~95°C溫度下，添加有經表面改性后預混合的TiO2和SiO2納米顆粒的鍍液中化學復合鍍30~40分鐘形成N1-P-Ti02/Si02鍍層；再于室溫下干燥后經250°C~500°C處理0.5h~3h。
2.如權利要求1所述的一種冷作模具鋼的表面處理方法，其特征在于:所述鍍液: 硫酸鎳 15~40g/L 次磷酸鈉10~45g/L 乙酸鈉 5~45g/L 乳酸 5~30g/L。
3.如權利要求1所述的一種冷作模具鋼的表面處理方法，其特征在于:所述凈化處理為將冷作模具鋼依次進行堿洗，酸洗，水洗和干燥。
4.如權利要求1所述的一種冷作模具鋼的表面處理方法，其特征在于:所述預鍍為于75°C~95°C和在120~180r/min磁力攪拌下，預鍍10~20分鐘。
5.如權利要求1所述的一種冷作模具鋼的表面處理方法，其特征在于:所述穩定劑為濃度為I~4mg/L的硫脲或硼酸。
6.如權利要求1所述的一種冷作模具鋼的表面處理方法，其特征在于:所述表面活性劑為濃度為50~300m`g/L的從十二烷基苯磺酸鈉、十四烷基二甲基芐基氯化銨和十六烷基二甲基芐基氯化銨中選出的一種。
7.如權利要求1所述的一種冷作模具鋼的表面處理方法，其特征在于:所述TiO2和SiO2納米顆粒的粒度范圍不同。
8.如權利要求7所述的一種冷作模具鋼的表面處理方法，其特征在于:所述TiO2和SiO2納米顆粒的粒度分別為35nm~75nm和20nm~40nm。
9.如權利要求1所述的一種冷作模具鋼的表面處理方法，其特征在于:所述納米TiO2的含量為> I~10g/L，納米SiO2的含量為I~15g/L。
10.如權利要求1所述的一種冷作模具鋼的表面處理方法，其特征在于:所述化學復合鍍采用磁力間歇攪拌，攪拌速度為120~180r/min，攪拌時間為6~8分鐘，間歇時間為2~4分鐘。
【文檔編號】C23C18/36GK103510080SQ201310478521
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月14日 優先權日:2013年10月14日
【發明者】湯廣瑞, 朱寬軍, 劉勝春, 萬建成, 劉彬, 劉臻, 牛海軍, 展雪萍, 劉操蘭, 張軍 申請人:國家電網公司, 中國電力科學研究院