一種基于模具基體工作表面的防護(hù)涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于模具基體工作表面的防護(hù)涂層的制備方法，屬于模具防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]模具在加工工件過程中，承受較大的摩擦力、變形壓縮力和拉伸力，同時(shí)需要較快的加工速度保證成品率，而快速的摩擦容易導(dǎo)致模具局部磨損加劇，產(chǎn)生熱效應(yīng)，上述復(fù)雜惡劣工況均對模具壽命產(chǎn)生消極影響，致使其壽命降低，就失效因素來說，涉及到模具總體及其零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料選擇與使用，模具裝配、使用、維護(hù)、保養(yǎng)等。就失效的外因而言，與工作條件密切相關(guān)，包括:應(yīng)力狀況、載荷性質(zhì)、模具溫度、環(huán)境介質(zhì)、摩擦條件。主要的失效方式有過載失效、磨損失效和疲勞失效等形式，其中大約有85%的沖模失效為磨損失效。主要原因是模具在使用過程中零部件之間或模具與工件之間快速的相對運(yùn)動受摩擦、振動或高溫、疲勞，龜裂剝落而磨損，甚至損壞。而影響磨損的因素主要是模具的表面粗糙度、硬度、模具與工件的摩擦系數(shù)、摩擦狀況、受力情況、潤滑狀況等，因此改善模具的主要方式為通過涂層制備改善其表面耐磨、潤滑狀況。
[0003]模具防護(hù)涂層是通過涂層技術(shù)在模具表面形成強(qiáng)化涂層，在保證模具基體性能不下降的前提下對各類模具型腔的刃口、沖頭、型腔的表面進(jìn)行強(qiáng)化，此外還可以對模具的損傷表面進(jìn)行修復(fù)或?qū)σ涯p的表面進(jìn)行再沉積。目前涂層材料的組成方面，氧化物有氧化鉻、氧化鋁、氧化鈦等，碳化物有碳化鉻、碳化鎢、碳化鈦以及它們和金屬的復(fù)合物，氮化物有氮化鈦、氮化硅等，以及鐵基、鎳基、鈷基材料或在這些涂層材料中加入WC、Al2O3、Cr2O3、ZnO等陶瓷顆粒獲得復(fù)合涂層，可顯著提高其抗磨料磨損性能，同時(shí)可以增大或改變摩擦副間的物理、化學(xué)及晶體結(jié)構(gòu)的差異和性質(zhì)，從而提高其抗粘著磨損性能；另外，鉬類涂層潤滑性高，具有優(yōu)異的耐粘著磨損性能;鈷基自熔合金、Ni/Al以及陶瓷涂層可以提高耐熱磨損性能;Ni基自熔合金、自熔合金加銅粉、不銹鋼、超細(xì)Al203、Cr203、WC復(fù)合涂層可以顯著提高零件的耐沖蝕磨損和耐氣蝕磨損能。
[0004]模具防護(hù)涂層的制備可采用氣相沉積技術(shù)、噴涂、復(fù)合電刷鍍技術(shù)、高能束技術(shù)、改性技術(shù)等，而最為常見的為物理氣相沉積及噴涂方式，其中氣相沉積技術(shù)沉積涂層可在較低溫度下進(jìn)行，不改變傳統(tǒng)的制造工藝，但是鍍層厚度一般較低，僅有2_3μπι厚，與基體的結(jié)合強(qiáng)度較差，涂層含有較高的殘余應(yīng)力，在高載、高速下易發(fā)生脆性開裂和剝落，難應(yīng)用于惡劣工況下的模具防護(hù)，同時(shí)該類涂層的制備限制于氣相沉積的制備特點(diǎn):低沉積速率、真空環(huán)境及沉積繞射性不強(qiáng)，對大型模具、復(fù)雜型面難以進(jìn)行加工，特別是過大的殘余應(yīng)力對涂層硬度和結(jié)合強(qiáng)度等力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響，如羅成等人在Crl2MoV表面的TiB2涂層[羅成，董仕杰，熊翔等.Crl2MoV鋼表面電火花沉積TiB2涂層特性研究[J].模具工業(yè)，2009,35(3):63-67]及Samir K等人在TiALN涂層在加工AISI4140鋼的相關(guān)研究[SamirK.Khrais,Y.J.Lin.Wear mechanisms and tool performance of TiAlN PVD coatedinserts during machining of AiSi 4140steel[J].wear262(2007):64-69]均發(fā)現(xiàn)有此問題。而噴涂涂層則是比較理想的解決方法，幾乎適合于各種材料的沉積、工藝簡單、效率高、厚度厚、尺寸大小及形狀不受限制、成本低、經(jīng)濟(jì)效益顯著。然而在高速沖壓過程中(250-400m/s)，采用單一噴涂硬質(zhì)涂層雖可有效地提高涂層表面硬度、提高承載能力，但其潤滑性不足，較高的摩擦系數(shù)將導(dǎo)致工件表面溫度升高、黏連及劃痕的出現(xiàn)，如王振京，李偉等人在沖壓模具上進(jìn)行的噴涂涂層相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)(詳細(xì)請參考文獻(xiàn)[王振京，等離子噴涂復(fù)合陶瓷材料在冷壓模具上應(yīng)用的研究[學(xué)位論文]，河北工業(yè)大學(xué)，2006]、[李偉，超音速火焰噴涂修復(fù)冷卻沖壓模具的應(yīng)用基礎(chǔ)研究[學(xué)位論文]，華中科技大學(xué)，2009])，涂層結(jié)合強(qiáng)度及摩擦系數(shù)明顯存在不足，難以達(dá)到長效潤滑的作用；而單一噴涂潤滑涂層雖然可以提高模具表面潤滑狀態(tài)，但其硬度不足，在高載條件下易于開裂剝落;而將硬質(zhì)涂層與潤滑層復(fù)合沉積，雖從結(jié)構(gòu)上解決了硬度、承載、潤滑問題，但在硬質(zhì)層與潤滑層間界面存在結(jié)合強(qiáng)度低的問題、同時(shí)由于潤滑層、硬質(zhì)層相互獨(dú)立，因此使用效果差。
[0005]目前，國內(nèi)外對于噴涂模具防護(hù)涂層的研究仍局限于調(diào)控涂層組分、組織結(jié)構(gòu)、厚度等提高涂層的性能；同時(shí)通過復(fù)合結(jié)構(gòu)或梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形成潤滑與耐磨層的結(jié)合，一定程度改善涂層的潤滑耐磨結(jié)構(gòu)，但是仍然存在許多缺點(diǎn)與不足:①涂層的耐磨、潤滑效果還有待于進(jìn)一步提高;②在耐磨層上直接噴涂潤滑層過程層間界面結(jié)合強(qiáng)度不足，易發(fā)生剝落;③涂層在重復(fù)使用過程中產(chǎn)生磨肩，與硬質(zhì)的涂層表面反復(fù)作用，影響工件加工過程的潤滑性，同時(shí)破壞模具表面，加速磨損破壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于模具基體工作表面的防護(hù)涂層的制備方法，該方法能夠在模具基體的工作表面制備一種具有高結(jié)合強(qiáng)度、高耐磨、高潤滑的防護(hù)涂層，不僅解決了傳統(tǒng)硬質(zhì)層和潤滑層間界面結(jié)合強(qiáng)度低的問題，而且延長了模具的壽命。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于模具基體工作表面的防護(hù)涂層的制備方法，該方法包括以下步驟:
[0008]步驟一、在模具基體的工作表面噴涂第一涂料以形成硬質(zhì)耐磨涂層；
[0009]步驟二、在所述硬質(zhì)耐磨涂層的表面向內(nèi)凹陷的微結(jié)構(gòu)；
[0010]步驟三、在所述硬質(zhì)耐磨涂層的表面噴涂第二涂料以形成潤滑涂層，完成基于模具基體工作表面防護(hù)涂層的制備。
[0011]本發(fā)明提供的技術(shù)方案將涂層設(shè)計(jì)與微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，使?jié)櫥繉优c硬質(zhì)耐磨層之間的界面形成向內(nèi)凹陷微結(jié)構(gòu)(微孔或微溝槽)，從而有效解決了傳統(tǒng)將硬質(zhì)耐磨涂層與潤滑涂層復(fù)合沉積時(shí)，兩者之間的界面結(jié)合強(qiáng)度低，耐磨性、潤滑性不足的問題，提高了防護(hù)涂層的使用效果及壽命。
[0012]在上述方法中，優(yōu)選地，在步驟二中，所述向內(nèi)凹陷的微結(jié)構(gòu)包括微孔或微溝槽；更優(yōu)選地，所述向內(nèi)凹陷的微結(jié)構(gòu)在硬質(zhì)耐磨涂層的表面形成周期性的陣列；進(jìn)一步優(yōu)選地，在周期性的陣列中，所述向內(nèi)凹陷的微結(jié)構(gòu)在行列方向均是平行。
[0013]在上述方法中，優(yōu)選地，所述相鄰的兩個向內(nèi)凹陷的微結(jié)構(gòu)之間的距離在實(shí)際操作中是可以調(diào)節(jié)的，優(yōu)選為10ym-1mm0
[0014]這些向內(nèi)凹陷的微結(jié)構(gòu)對潤滑涂層具有釘扎作用，能夠調(diào)控潤滑涂層與硬質(zhì)耐磨層之間的結(jié)合狀態(tài)，提高結(jié)合強(qiáng)度。
[0015]在上述方法中，優(yōu)選地，在周期性的陣列中，所述微孔在行列方向均是平行的。所述微孔的形狀包括圓柱形或方柱形，但不限于此。
[0016]在上述方法中，優(yōu)選地，在步驟二中，所述向內(nèi)凹陷的微結(jié)構(gòu)在硬質(zhì)耐磨涂層表面的凹陷深度小于硬質(zhì)耐磨涂層的厚度。
[0017]在上述方法中，優(yōu)選地，所述微孔的孔徑、微溝槽的槽寬以及微溝槽的長度均沒有特別限制，在實(shí)際操作過程中可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[00? 8] 在上述方法中，優(yōu)選地，所述硬質(zhì)耐磨涂層的厚度為100-500μηι；更優(yōu)選地，所述潤滑涂層的厚度為100-500μπι。
[0019]在上述方法中，優(yōu)選地，在步驟二中，采用激光打孔或掃描的的方式在硬質(zhì)耐磨涂層的表面制備向內(nèi)凹陷的微結(jié)構(gòu);更優(yōu)選地，所述激光為納秒激光或超快激光，激光參數(shù)可以根據(jù)加工設(shè)備、微結(jié)構(gòu)的加工要求進(jìn)行調(diào)整，其中，納秒激光參數(shù)的參考值為功率為40W，掃描速度為50mm/min，光斑大小為150微米，頻率為5Hz。
[0020]在上述方法中，優(yōu)選地，在步驟三中，在硬質(zhì)涂層的表面噴涂第二涂料時(shí)，確保第二涂料將微結(jié)構(gòu)(微孔或微溝槽)的內(nèi)部填滿。由于微結(jié)構(gòu)的內(nèi)部存儲了潤滑相，因而在潤滑涂層消耗完畢后，仍可在工件與模具的接觸過程中從微結(jié)構(gòu)的內(nèi)部釋放出潤滑涂成分，降低工件和模具之間的摩擦系數(shù)，保持潤滑性；同時(shí)由于潤滑涂層的硬度較低，對于磨損產(chǎn)生的磨肩可以在滑動過程中收集及存儲在微結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，避免模具與工件的接觸面磨損行為的增加。
[0021]在上述方法中，優(yōu)選地，在步驟一中，所述第一涂料的原料組成包括金屬氧化物或金屬碳化物，但不限于此，本領(lǐng)域中的陶瓷類噴涂涂層的材料均可用于本發(fā)明；其中，所述金屬氧化物包括氧化鉻、氧化鋁、氧化鈦中的一種或幾種的組合;所述金屬碳化物包括碳化鉻、碳化鎢、碳化鈦中的一種或幾種的組合;更優(yōu)選地，所述第一涂料的原料組成包括氧化鋁或碳化硅。噴涂方式?jīng)]有特別限定，可以為熱噴涂或超音速火焰噴涂。
[0022]在上述方法中，優(yōu)選地，在步驟三中，所述潤滑涂層的組成包括硫化鉬或CuNiIn，但不限于此。
[0023]本發(fā)明的有益效果:
[0024]I)與傳統(tǒng)單一結(jié)構(gòu)的涂層相比，本發(fā)明提供的防護(hù)涂層由于具有多層結(jié)構(gòu)(含有潤滑涂層和硬質(zhì)耐磨層)，涂層自身的耐磨性和潤滑性更好，能夠?qū)崿F(xiàn)對