CN101269562A - Fe－Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层及其制备方法 - Google Patents

Fe－Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层及其制备方法 Download PDF

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周小平
胡心彬
王立世
闫锋
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Abstract

一种Fe－Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层及其制备方法，其特征在于：在钢基材料表面有Fe－Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层，涂层总厚度0.1mm～2mm，涂层内微弧氧化Al2O3陶瓷涂层厚度50～200μm。采用热喷涂方法，在钢基材料(电极)表面获得铝涂层，经过热处理后，在铝涂层和型腔表面间界面上及铝层内反应形成FeAl2和FeAl相，使涂层和型腔之间产生冶金结合；再经过微弧氧化处理，在涂层表面获得Al2O3陶瓷膜层。陶瓷复合涂层硬度达到1200HV以上，复合涂层和型腔之间的结合强度达到250MPa以上，耐磨性是W18Cr4V钢(64HRC)的3倍，热疲劳寿命比H13钢(47HRC)提高2倍。可以广泛应用于压铸模的表面处理以及型腔因磨损尺寸超差失效模具的修复，延长压铸模的使用寿命。

Description

Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层及其制备方法，可在钢基材料(电极)表面获得的这种涂层，具有较高的结合强度、硬度，能够较大幅度提高压铸模的耐磨性、耐腐蚀性和抗热疲劳性能，可以广泛应用于压铸模的表面处理以及型腔因磨损尺寸超差失效模具的修复，延长压铸模的使用寿命。
背景技术
磨损、腐蚀和热疲劳是压铸模主要的失效形式，为了提高其使用寿命，采用表面工程技术实施材料表面改性，是材料科学最活跃的前沿领域之一，已成为提高经济效益的重要环节。与钢铁材料相比，陶瓷材料耐磨损、抗腐蚀，但易脆、不易加工。采用等离子喷涂的方法可以将一定厚度的陶瓷材料均布于钢铁表面，能够提高钢铁材料的耐磨性、耐腐蚀性，但是喷涂陶瓷层与基底为机械结合，结合强度低，不能承受较大冲击作用力，应用范围受到很大限制。
微弧氧化的基本原理是使工作电压突破传统的阳极氧化的工作电压范围(法拉第区)，进入高电压放电区，在电极上发生微等离子放电条件下，在基底材料(电极)上原位生成氧化膜。这项技术可以在铝、钛、镁、锆等金属及其合金表面形成具有一系列特别优异性能的陶瓷膜层，与其他许多材料表面改性或涂覆技术相比有许多优越性。膜层性能方面，微弧氧化形成的氧化膜结合强度高，目前最高可达到350MPa以上，微弧氧化膜可以达到极高的硬度，并且硬度可以在很宽的范围内进行调整，其范围一般为1200～3500HV。微弧氧化膜具有很高的耐磨性、耐热性和耐蚀性，摩擦系数小，导热性低，与基底材料的热膨胀系数差别小。
压铸模直接进行微弧氧化处理，不能形成氧化物陶瓷膜，如果采用热喷涂的方法，在压铸模型腔表面喷涂一层铝，再进行微弧氧化，即可获得氧化铝陶瓷涂层。
发明内容
本发明的目的是提供一种Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层及其制备方法，在钢基材料表面制备Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层，采用本发明制备的复合涂层结合强度高，接合热应力小，具有优异的耐磨性、耐腐蚀性和抗热疲劳性能。
本发明的技术方案是：一种Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层，其特征在于：在钢基材料表面有Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层，涂层总厚度0.1mm～2mm，涂层内微弧氧化Al2O3陶瓷涂层厚度50～200μm。
一种Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于：采用热喷涂方法，在钢基材料(电极)表面获得铝涂层，经过热处理后，在铝涂层和型腔表面间界面上及铝层内反应形成FeAl2和FeAl相，使涂层和型腔之间产生冶金结合；再经过微弧氧化处理，在涂层表面获得Al2O3陶瓷膜层。
如上所述的Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于：所述热喷涂方法具有如下特征：火焰喷涂，喷涂材料为-150～+200目铝粉，或电弧喷涂，喷涂材料为2.0mm铝丝。
如上所述的Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于：所述热处理方法具有如下的特征：
(1)加热温度：500～900℃；
(2)保温时间：30～180min；
(3)冷却方式：随炉冷却。
如上所述的Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于：所述微弧氧化处理方法具有如下特征：
(1)电流密度在5～20A/dm2，溶液温度不高于60℃，反应时间为10～60min；
(2)电解液的组成：六偏磷酸钠10～20g/L，硅酸钠5～10g/L，钨酸钠5～10g/L，碳酸钠5～10g/L，氢氧化钠2～5g/L。
如上所述的Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于：
(1)压铸模型腔热喷涂区域喷砂处理；
(2)热喷涂工艺参数：喷涂距离为80～200mm，喷涂角度为80°～90°，喷枪移动速度为10～30cm/s，每次喷涂厚度小于0.10mm，涂层总厚度0.1mm～2mm；
(3)微弧氧化工艺参数：微弧氧化Al2O3陶瓷涂层厚度50～200μm。
本发明获得的Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷涂层硬度1200HV以上，结合强度达到250MPa以上，耐磨性是W18Cr4V钢(64HRC)的3倍，热疲劳寿命比H13钢(47HRC)提高2倍。
附图说明
图1是本发明实施例的涂层的表面显微组织。
图2是本发明实施例的涂层的界面结构。
具体实施方式
实施例1：
基体材料：3Cr2W8V钢。
火焰喷涂工艺参数：喷涂距离为100mm，喷涂角度为80°～90°，喷枪移动速度为15cm/s，每次喷涂厚度小于0.10mm，涂层厚度0.50mm。
热处理工艺参数：加热温度：600℃，保温时间：40min，冷却方式：随炉冷却。
微弧氧化工艺参数：电流密度在10A/dm2，溶液温度50℃，反应时间为40min。
电解液的组成：六偏磷酸钠10g/L，硅酸钠5g/L，钨酸钠5g/L，碳酸钠5g/L，氢氧化钠2g/L。
实施例2：
基体材料：H13钢。
火焰喷涂工艺参数：喷涂距离为150mm，喷涂角度为80°～90°，喷枪移动速度为15cm/s，每次喷涂厚度小于0.10mm，涂层厚度1.0mm。
热处理工艺参数：加热温度：600℃，保温时间：60min，冷却方式：随炉冷却。
微弧氧化工艺参数：电流密度在10A/dm2，溶液温度50℃，反应时间为60min。
电解液的组成：六偏磷酸钠15g/L，硅酸钠10g/L，钨酸钠10g/L，碳酸钠10g/L，氢氧化钠5g/L。
实施例3
基体材料：3Cr2W8V钢。
火焰喷涂工艺参数：喷涂距离为180mm，喷涂角度为80°～90°，喷枪移动速度为15cm/s，每次喷涂厚度小于0.10mm，涂层厚度0.50mm。
热处理工艺参数：加热温度：540℃，保温时间：120min，冷却方式：随炉冷却。
微弧氧化工艺参数：电流密度在15A/dm2，溶液温度30℃，反应时间为60min。
电解液的组成：六偏磷酸钠12g/L，硅酸钠8g/L，钨酸钠8g/L，碳酸钠8g/L，氢氧化钠5g/L。
实施例4
基体材料：H13钢。
火焰喷涂工艺参数：喷涂距离为200mm，喷涂角度为80°～90°，喷枪移动速度为15cm/s，每次喷涂厚度小于0.10mm，涂层厚度1.0mm。
热处理工艺参数：加热温度：550℃，保温时间：180min，冷却方式：随炉冷却。
微弧氧化工艺参数：电流密度在12A/dm2，溶液温度30℃，反应时间为80min。
电解液的组成：六偏磷酸钠18g/L，硅酸钠6g/L，钨酸钠6g/L，碳酸钠6g/L，氢氧化钠3g/L。

Claims (6)

1、一种Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层，其特征在于：在钢基材料表面有Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层，涂层总厚度0.1mm～2mm，涂层内微弧氧化Al2O3陶瓷涂层厚度50～200μm。
2、一种Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于：采用热喷涂方法，在钢基材料(电极)表面获得铝涂层，经过热处理后，在铝涂层和型腔表面间界面上及铝层内反应形成FeAl2和FeAl相，使涂层和型腔之间产生冶金结合；再经过微弧氧化处理，在涂层表面获得Al2O3陶瓷膜层。
3、如权利要求2所述的Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于：所述热喷涂方法具有如下特征：火焰喷涂，喷涂材料为-150～+200目铝粉，或电弧喷涂，喷涂材料为2.0mm铝丝。
4、如权利要求2所述的Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于：所述热处理方法具有如下的特征：
(1)加热温度：500～900℃；
(2)保温时间：30～180min；
(3)冷却方式：随炉冷却。
5、如权利要求2所述的Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于：所述微弧氧化处理方法具有如下特征：
(1)电流密度在5～20A/dm2，溶液温度不高于60℃，反应时间为10～60min；
(2)电解液的组成：六偏磷酸钠10～20g/L，硅酸钠5～10g/L，钨酸钠5～10g/L，碳酸钠5～10g/L，氢氧化钠2～5g/L。
6、如权利要求2或3或4或5所述的Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于：
(1)压铸模型腔热喷涂区域喷砂处理；
(2)热喷涂工艺参数：喷涂距离为80～200mm，喷涂角度为80°～90°，喷枪移动速度为10～30cm/s，每次喷涂厚度小于0.10mm，涂层总厚度0.1mm～2mm；
(3)微弧氧化工艺参数：微弧氧化Al2O3陶瓷涂层厚度50～200μm。
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