一種增強(qiáng)熱作模具鋼表面耐高溫磨損的陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種增強(qiáng)熱作模具鋼表面耐高溫磨損的陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝設(shè)備，在機(jī)械、國防、冶金、輕功、電子等工業(yè)部口中， 相當(dāng)部分的零部件都是依靠模具成形。模具在制造業(yè)中保證了高產(chǎn)品、高效率的生產(chǎn)和降 低了生產(chǎn)成本。模具工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。模具技術(shù)已成為衡量一個國家產(chǎn)品 制造水平的重要標(biāo)志，模具應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展對模具提出更多和更高的要求。模具壽命 是直接影響加工效率、產(chǎn)品質(zhì)量和成本的重要因素之一，因此，提高模具的使用壽命具有很 大的潛力和巨大的經(jīng)濟(jì)價值。
[0003] 熱作模具鋼化3(4燈SMoSiVl)是最具有代表性且使用最廣泛的熱作模具鋼，具有 良好的紅硬性、較高的初性和優(yōu)良抗熱疲勞性能等。熱作模具鋼主要用在熱鍛模、熱擠壓 模、壓鑄模W及等溫鍛造模具等。H13鋼經(jīng)常規(guī)熱處理工藝澤火、回火后的硬度一般為42~ 48皿C，耐磨性不足，模具使用壽命較短。熱作模具的工作條件相當(dāng)惡劣，在服役過程中模腔 表面受到高溫高速熱烙金屬的反復(fù)沖刷，要承受長時間的高溫高壓、激熱激冷、反復(fù)循環(huán)應(yīng) 力、偏屯、載荷和沖擊載荷和高溫高壓下的摩擦作用等。H13鋼的主要失效形式有=種：熱磨 損、熱疲勞和熱沖蝕。由于模具制造加工周期很長、加工費(fèi)用高，模具質(zhì)量和壽命直接影響 生產(chǎn)產(chǎn)品的表面性能就成為一個迫切需要解決的問題;鑒于模具失效大都由表面開始，從 節(jié)省能源和資源，充分發(fā)揮材料性能潛力并獲得特殊性能和最大經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，對模具鋼 模具進(jìn)行表面改性處理，是綜合改善模具使用壽命的關(guān)鍵。目前在熱作模具行業(yè)中采用的 表面處理技術(shù)是滲氮強(qiáng)化技術(shù)。熱作模具的滲氮強(qiáng)化處理一般是在470~550°C的高溫下進(jìn) 行，進(jìn)行滲氮強(qiáng)化模具表面。然而，在52(TC左右會發(fā)生澤火，模具鋼本身會變紅，鋼體性質(zhì) 發(fā)生變化，降低了模具的使用壽命;滲氮工藝處理周期長，通常需要18~22小時。滲氮技術(shù) 只能滿足承受輕、中等載荷的耐磨、耐疲勞要求;滲氮處理對環(huán)境污染嚴(yán)重，并且工作環(huán)境 差，對工作人員的身體健康傷害大。因此，模具行業(yè)迫切需要采用新技術(shù)來代替滲氮技術(shù)， 提高模具的使用壽命，保護(hù)工作人員的身體健康，并且滿足環(huán)保要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法，所述陶瓷復(fù)合材料能夠增 強(qiáng)熱作模具鋼表面的耐高溫磨損性能，解決了熱作模具鋼在工作過程中的失效問題。
[0005] 本發(fā)明所提供的陶瓷復(fù)合涂層的制備方法，包括如下步驟：
[0006] 采用等離子噴涂將化2〇3和Si化的混合物噴涂于基體的表面，即得到所述陶瓷復(fù)合 涂層。
[0007] 上述的制備方法中，所述混合物中，所述吐2〇3與所述Si化的質(zhì)量百分含量分別可 為94%~100% :6%~0,但所述化2化的添加量不為100%，所述Si化的添加量不為零；
[0008] 所述混合物的組成具體可為下述1)-4)中任一種，均為質(zhì)量百分含量：
[0009] 1)〇2〇3 94%~99%，Si〇2 1%~6%;
[0010] 2)〇2〇3 94%，Si〇2 6%;
[0011] 3)Cr2〇3 97%，Si〇2 3%;
[0012] 4)Cr2〇3 99%，Si〇2 1%。
[0013] 上述的制備方法中，所述吐2〇3和所述Si化均可為粉體材料，所述Cn化的粒徑可為 15~45皿，所述Si化的粒徑可為15~45皿。
[0014] 上述的制備方法中，所述等離子噴涂的條件如下：
[0015] 等離子氣體為Ar，所述Ar的流量可為35~45L/min，具體可為35L/min~45L/min;
[0016] 送粉氣體為此，送粉氣流量可為6~lOL/min，具體可為化/min、9L/min或lOL/min; 送粉率可為28~30g/min，具體可為28g/min或30g/min。
[0017] 電弧電流可為500~650A，具體可為500A、580A或650A，電弧電壓可為65~75V，具 體可為65V、70V或75V，噴涂距離為100~140mm，具體可為100mm、130mm或140mm。
[0018] 所述等離子噴涂的過程為：由直流電驅(qū)動的等離子電弧作為熱源，將所述混合物 (配制的粉末材料)加熱到烙融或半烙融狀態(tài)，并W高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的基體表面，設(shè)置 自動送粉裝置的送粉速率滿足噴涂工藝的需要。
[0019] 上述方法制備的陶瓷復(fù)合涂層也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0020] 本發(fā)明提供的陶瓷復(fù)合涂層能夠增強(qiáng)熱作模具鋼表面的耐高溫磨損性能，如化3。 [0021 ]在采用所述陶瓷復(fù)合材料時，需要將所述熱作模具鋼的表面依次進(jìn)行清洗和機(jī)械 加工等預(yù)處理，可采用乙醇或丙酬對所熱作模具鋼表面進(jìn)行清洗，采用打磨或噴砂處理實(shí) 現(xiàn)對所述熱作模具鋼表面的機(jī)械加工。
[0022] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0023] (1)本發(fā)明陶瓷復(fù)合涂層的顯微硬度高；
[0024] (2)本發(fā)明陶瓷復(fù)合涂層的高溫摩擦系數(shù)低，高溫耐磨性能良好及抗氧化；
[0025] (3)本發(fā)明陶瓷復(fù)合涂層的制備方法，原料廉價、普通，工藝簡單、成本低，利于工 業(yè)化生產(chǎn)。
[0026] 本發(fā)明陶瓷復(fù)合涂層可達(dá)到強(qiáng)化熱作模具基體表面的作用，從而延長熱作模具的 使用壽命。
【附圖說明】
[0027] 圖1為H13與本發(fā)明實(shí)施例1制備的陶瓷復(fù)合涂層的磨痕形貌圖片，其中圖（a)為 H13的磨痕形貌圖片，圖1(b)為陶瓷復(fù)合涂層的磨痕形貌圖片。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。
[0029] 下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。
[0030] 實(shí)施例1、陶瓷復(fù)合涂層的制備W及性能測試
[0031] 首先，選擇微米級化2〇3(粒徑為40~45皿)和Si化(粒徑為40~45皿)粉末作為原材 料;其次，按照質(zhì)量百分比為:吐2〇3:97%和Si〇2:3%的比例進(jìn)行混合配料，待用；最后，采用 等離子噴涂工藝在化3熱作模具鋼表面制備陶瓷復(fù)合涂層。
[0032] 等離子噴涂步驟之前，先對H13熱作模具鋼表面進(jìn)行如下預(yù)處理:采用乙醇對H13 熱作模具鋼表面進(jìn)行清洗，然后采用打磨實(shí)現(xiàn)對化3熱作模具鋼表面的機(jī)械加工。
[0033] 等離子噴涂的工藝如下：
[0034] 在H13熱作模具鋼表面進(jìn)行化2〇3陶瓷復(fù)合涂層制備的工藝是由北京聯(lián)合涂層公司 協(xié)助完成。噴涂試樣的尺寸為。50 X 8mm。
[0035] 等離子噴涂陶瓷復(fù)合涂層的工藝參數(shù)為：電弧電流為580A，電弧電壓為70V，Ar氣 流量為45L/min，氨氣流量為化/min，送粉率為30g/min，噴涂距離為130mm。
[0036] 本發(fā)明制備的陶瓷復(fù)合涂層的性能測試：
[0037] 采用化kon2500-6維氏/努式自動硬度計測試試樣的顯微硬度，載荷為0.5Kgf，加 載時間為10s，平行測試5次，最后取平均值，測試結(jié)果如表1中所示。
[0038] 表1 H13和陶瓷復(fù)合涂層的顯微硬度 「nmol

[0040] 由表1中的數(shù)據(jù)可W看出，經(jīng)過等離子噴涂化2〇3陶瓷復(fù)合涂層之后，熱作模具鋼表 面的顯微硬度從558.4HV提高到了 1479HV，硬度值提高了近3倍。
[0041] 陶瓷復(fù)合涂層的高溫摩擦磨損試驗(yàn)在UMT-3高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，測試溫度 為500°C，磨損時間為15min，載荷10N，對磨球采用直徑為6mm的Al2〇3陶瓷球。測試結(jié)果如表2 中所示。
[0042] 表2 H13和陶瓷復(fù)合涂層的磨損量 「rwvn1

[0044] 由表2中的數(shù)據(jù)可W看出，熱作模具鋼H13在500°C高溫的體積磨損量為1.2mm3,在 其表面等離子噴涂化2〇3陶瓷復(fù)合涂層之后，體積磨損量降低了一半，只有0.6mm 3,說明等離 子噴涂化2〇3陶瓷復(fù)合涂層有效改善了熱作模具鋼H13的高溫摩擦磨損性能。
[0045] 上述測試過程中，H13與陶瓷復(fù)合涂層的磨痕圖片如圖1所示，其中圖1(a)為H13的 磨痕形貌圖片，圖1(b)為陶瓷復(fù)合涂層的磨痕形貌圖片。
[0046] 由圖1(a)和1(b)可W看出，在未進(jìn)行等離子噴涂陶瓷復(fù)合涂層之前，熱作模具鋼 H13的磨痕寬度較大且深，然后在經(jīng)過等離子噴涂化2〇3陶瓷復(fù)合涂層之后，磨痕的寬度和深 度都減小了，磨痕寬度從1.05mm下降到0.742mm，磨痕深度從15皿減小到12.4皿。
[0047] 實(shí)施例2、陶瓷復(fù)合涂層的制備W及性能測試
[004引首先，選擇微米級化203(粒徑為40~45皿)和Si02(粒徑為40~45皿)粉末作為原材 料;其次，按照質(zhì)量百分比為:Cn化:94 %和Si化:6 %的比例進(jìn)行混合配料，待用；最后，采用 等離子噴涂工藝在化3熱作模具鋼表面制備陶瓷復(fù)合涂層。
[0049]等離子噴涂步驟之前，先對化3熱作模具鋼表面進(jìn)行如下預(yù)處理:采用乙醇對化3 熱作模具鋼表面進(jìn)行清洗，然后采用打磨實(shí)現(xiàn)對化3熱作模具鋼表面的機(jī)械加工。
[(K)加]等離子噴涂的工藝如下：
[0051] 在H13熱作模具鋼表面進(jìn)行化2〇3陶瓷復(fù)合涂層制備的工藝是由北京聯(lián)合涂層公司 協(xié)助完成。噴涂試樣的尺寸為。50 X 8mm。
[0052] 等離子噴涂陶瓷復(fù)合涂層的工藝參數(shù)為：電弧電流為500A，電弧電壓為65V，Ar氣 流為35L/min，氨氣流量為化/min，送粉率為28g/min，噴涂距離為100mm。
[0053] 本發(fā)明制備的陶瓷復(fù)合涂層的性能測試：
[0054] 采用化kon2500-6維氏/努式自動硬度計測試試樣的顯微硬度，載荷為0.5Kgf，加 載時間為10s，平行測試5次，最后取平均值，測試結(jié)果如表3中所示。
[0055] 表3 H13和陶瓷復(fù)合涂層的顯微硬度
[0化6]
[

[005引由表3中的數(shù)據(jù)可W看出，經(jīng)過等離子噴涂化203陶瓷復(fù)合涂層之后，熱作模具鋼表 面的顯微硬度從558.4HV提高到了 1320.6HV，硬度值提高了近2.5倍。
[0059] 陶瓷復(fù)合涂層的高溫摩擦磨損試驗(yàn)在UMT-3高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測試溫 度為500°C，磨損時間為15min，載荷10N，對磨球采用直徑為6mm的Ah〇3陶瓷球，測試結(jié)果如 表4中所不。
[0060] 表4 Hl3和陶瓷復(fù)合涂層的磨損量 「nn" 1

L0062J 由巧4甲的數(shù)據(jù)W 者出，飄作候具朔H13巧日00"(J局溫的體積磨頻重刃1.加護(hù)，巧 其表面等離子噴涂吐2〇3陶瓷復(fù)合涂層之后，體積磨損量降低了 35%左右，只有0.79mm3,說 明等離子噴涂化2〇3陶瓷復(fù)合涂層有效改善了熱作模具鋼H13的高溫摩擦磨損性能。
[0063] 實(shí)施例3、陶瓷復(fù)合涂層的制備W及性能測試
[0064] 首先，選擇微米級化2〇3(粒徑為40~45曲1)和Si〇2(粒徑為40~45曲1)粉末作為原材 料;其次，按照質(zhì)量百分比為:吐2〇3 :99 %和Si〇2 :1 %的比例進(jìn)行混合配料，待用；最后，采用 等離子噴涂工藝在化3熱作模具鋼表面制備陶瓷復(fù)合涂層。
[0065] 等離子噴涂步驟之前，先對化3熱作模具鋼表面進(jìn)行如下預(yù)處理:采用乙醇對化3 熱作模具鋼表面進(jìn)行清洗，然后采用打磨實(shí)現(xiàn)對化3熱作模具鋼表面的機(jī)械加工。
[0066] 等離子噴涂的工藝如下：
[0067] 在H13熱作模具鋼表面進(jìn)行化2〇3陶瓷復(fù)合涂層制備的工藝是由北京聯(lián)合涂層公司 協(xié)助完成。噴涂試樣的尺寸為。50 X 8mm。
[006引等離子噴涂陶瓷復(fù)合涂層的工藝參數(shù)為：電弧電流為650A，電弧電壓為75V，Ar氣 流為45L/min，氨氣流量為lOL/min，送粉率為30g/min，噴涂距離為140mm。
[0069] 本發(fā)明制備的陶瓷復(fù)合涂層的性能測試：
[0070] 采用化kon2500-6維氏/努式自動硬度計測試試樣的顯微硬度，載荷為0.5Kgf，加 載時間為10s，平行測試5次，最后取平均值，測試結(jié)果如表5中所示。
[0071] 表5 H13和陶瓷復(fù)合涂層的顯微硬度

L0073J 由表5中的數(shù)惦W 者出，給巧等聞于噴涂化2〇3陶鏡復(fù)合涂層之后，熱作候具鎖表 面的顯微硬度從558.4HV提高到了 1223.4HV，硬度值提高了近2.2倍。
[0074] 陶瓷復(fù)合涂層的高溫摩擦磨損試驗(yàn)在UMT-3高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測試溫 度為500°C，磨損時間為15min，載荷10N，對磨球采用直徑為6mm的Al2〇3陶瓷球。測試結(jié)果如 表6中所示。
[0075] 表6 H13和陶瓷復(fù)合涂層的磨損量 「mvAl

LUU',」 口於〇下口J女乂WHJ IiA但口，？。'| F1哭巧卞|勺]1丄Oiruww L巧佩口Tl半tr、階:]j/4里yy丄.乙mm ，1工 其表面等離子噴涂化2〇3陶瓷復(fù)合涂層之后，體積磨損量降低了 25%左右，只有0.91mm3,說 明等離子噴涂化2〇3陶瓷復(fù)合涂層有效改善了熱作模具鋼H13的高溫摩擦磨損性能。
【主權(quán)項】
1. 一種陶瓷復(fù)合涂層的制備方法，包括如下步驟： 采用等離子噴涂將Cr2〇3和Si02的混合物噴涂于基體的表面，即得到所述陶瓷復(fù)合涂 層。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:所述混合物中，所述Cr2〇3與所述Si0 2 的質(zhì)量百分含量分別為94%~100%和6%~0,但所述Cr2〇3的添加量不為100%，所述Si0 2 的添加量不為零。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于:所述Cr2〇3和所述Si02均為粉體材 料，所述Cr 2〇3的粒徑為15~45μπι，所述S i 02的粒徑為15~45μπι。4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的制備方法，其特征在于:所述等離子噴涂的條件如 下： 等離子氣體為Ar，所述Ar的流量為35~45L/min; 送粉氣體為H2，送粉氣流量為6~10L/min，送粉率為28~30g/min; 電弧電流為500~650A，電弧電壓為65~75V，噴涂距離為100~140mm。5. 權(quán)利要求1-4中任一項所述方法制備的陶瓷復(fù)合涂層。6. 權(quán)利要求5所述陶瓷復(fù)合涂層在增強(qiáng)熱作模具鋼表面的耐高溫磨損性能中的應(yīng)用。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于:所述熱作模具鋼為H13。8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的應(yīng)用，其特征在于:對所述熱作模具鋼表面依次進(jìn)行清洗 和機(jī)械加工后，再向所述熱作模具鋼表面噴涂所述陶瓷復(fù)合涂層。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于:采用乙醇或丙酮對所述熱作模具鋼表面進(jìn) 行清洗;采用打磨或噴砂處理實(shí)現(xiàn)對所述熱作模具鋼表面的機(jī)械加工。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種增強(qiáng)熱作模具鋼表面耐高溫磨損的陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法。所述制備方法包括如下步驟：采用等離子噴涂將Cr2O3和SiO2的混合物噴涂于基體的表面，即得到所述陶瓷復(fù)合涂層，所述混合物中，所述Cr2O3與所述SiO2的質(zhì)量百分含量分別為94％～100％和6％～0，但所述Cr2O3的添加量不為100％，所述SiO2的添加量不為零。本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明陶瓷復(fù)合涂層的顯微硬度高；本發(fā)明陶瓷復(fù)合涂層的高溫摩擦系數(shù)低，高溫耐磨性能良好及抗氧化；本發(fā)明陶瓷復(fù)合涂層的制備方法，原料廉價、普通，工藝簡單、成本低，利于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明陶瓷復(fù)合涂層可達(dá)到強(qiáng)化熱作模具基體表面的作用，從而延長熱作模具的使用壽命。
【IPC分類】C23C4/134, C23C4/02, C23C4/11
【公開號】CN105714232
【申請?zhí)枴緾N201610266550
【發(fā)明人】劉大猛, 龐華, 謝辰, 李進(jìn)興
【申請人】清華大學(xué), 北京德瑞致遠(yuǎn)科技有限公司