[发明专利]一种高硬度高耐磨性磁性材料粉末成型模具及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模具及制作方法，尤其是用于磁性材料粉末成型的模具以及相应的制作方法。

背景技术

粘结磁性材料是将具有一定永磁性能的磁性材料粉末与粘结剂和其他添加剂按照一定比例均匀混合后用压制、挤出或注射成型等方法，按设计要求直接成型为各种形状的永磁材料。压制成型是永磁铁生产过程的重要工序之一。压制成型模具的硬度、耐磨性、抗细粉粘着性能以及综合使用寿命是直接影响磁体质量和生产效率的重要因素之一。通常磁材成型模具大多采用无磁钢热处理后即使用，由于磁性材料粉末具有尖锐的外形和一定的硬度，再加上高压成型压力的作用，容易造成模具表面产生犁沟和磨损，从而引起粘模、模具开裂、磁体压坯密度不高等后果。因此提高磁体压制成型模具的表面质量和性能具有重要技术意义。

另一方面，TiN、CrN等硬质镀层已经被广泛应用于切削刀具和一些模具。CrN由于具有良好的抗磨性、抗高温氧化性和耐蚀性而引起人们的重视，CrN镀层中可以添加Al、Ti、W等元素，形成Cr-N基三元甚至多元镀层。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种磁性材料粉末成型模具的改进，该模具应具有较高的抗磨粒磨损性能、抗磁性材料粉末粘着性能和较长的使用寿命。

本发明的另一目的是提供一种磁性材料粉末成型模具的制作方法，该方法应当制备简便、工艺稳定且可重复性高，并适合规模化生产。

本发明提供的技术方案是：

一种高硬度高耐磨性磁性材料粉末成型模具，包括无磁模具钢基体，其特征在于在基体表面镀有纳米结构的Cr基氮化物镀层，镀层沿基体表面垂直方向自里向外依次为Cr界面层、CrN过渡层、Cr-TiN/AlN-N调幅结构层；所述Cr-TiN/AlN-N调幅结构层，由CrN(氮化铬)层、TiN(氮化钛)层、CrN层、AlN(氮化铝)层依次规则排列形成的循环层反复循环构成；以上CrN过渡层中，氮元素与铬元素的比例为0～4.3∶1，是一个氮元素逐渐增多的渐变的过程；Cr-TiN/AlN-N调幅结构层中，CrN中氮元素与铬元素的比例为4～4.3∶1，TiN中钛元素与氮元素之间的比例为0.15～0.2∶1、AlN中铝元素与氮元素之间的比例为0.2～0.25∶1。

所述的Cr界面层厚度为0.2-0.4μm；所述的CrN过渡层厚度为0.8～3μm；所述Cr-TiN/AlN-N调幅结构层中交替排列的每个循环层厚度(调幅波长)为小于50nm；Cr-TiN/AlN-N调幅结构层的总厚度为1.5～5.0μm。

所述的Cr-TiN/AlN-N调幅结构层中的每个循环层中的CrN层或TiN层或AlN层的厚度为5～15nm。

一种高硬度高耐磨性磁性材料粉末成型模具的制作方法，依照下列步骤进行：

1)用常规金属加工方法制作模具基体，使其几何形状符合要求；

2)采用闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀设备，将被镀基体放置于该设备真空腔内可旋转的工件架上，基体周围分别布置Cr金属靶、Ti金属靶和Al金属靶，磁控靶为一对Cr矩形靶和Ti、Al矩形靶各一个；溅射靶由直流磁控溅射电源提供恒定电流或恒定功率，被镀基体和溅射靶之间施加直流脉冲负偏压；

3)镀膜之前首先对基体表面用等离子体进行轰击清洗；沉积Cr界面层时仅通入氩气，沉积CrN梯度过渡层和Cr-TiN/AlN-N调幅结构层时同时通入氩气和氮气，氮气的流量用置于Cr靶近表面的光发射谱装置进行闭环控制，以精确调变镀层的成分。

所述方法中Cr、Ti和Al靶电流的输入功率均为0～3kW可调，以用于调节镀层中的各元素的含量。所述方法中在沉积CrN过渡层和Cr-TiN/AlN-N调幅结构层时通入的氩气流量为10sccm(每分钟10毫升)。所述方法中基体直流脉冲偏压为0～500V可调，以获得不同力学和摩擦学性能的镀层。

制备镀层采用了闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀设备。制备时使用了Cr、Al、Ti等单金属靶，在沉积Cr过程中氮气的流量用置于Cr靶近表面的光发射谱装置进行闭环控制，以精确调变镀层的成分。沉积时基体施加直流脉冲偏压。沉积的Cr-TiN/AlN-N调幅结构层具有纳米多层调幅结构，从基体向外依次为Cr界面层1、CrN梯度过渡层2、Cr-TiN/AlN-N调幅结构层3；其中Cr-TiN/AlN-N调幅结构层的调幅波长小于50nm，Cr-TiN/AlN-N调幅结构层中的CrN层、TiN层、CrN层或AlN层的厚度均为5～15nm；硬度可达20～30GPa。

本发明的有益效果在于：