CN101992297A - 陶瓷金属复合模具及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种陶瓷金属复合模具，其是在模具基体的工作面上冶金设有一层陶瓷涂层，该陶瓷涂层的密度为理论密度的85～90％，且该陶瓷涂层的硬度及耐磨性大于或等于压制产品。本发明还提供了该模具的制造工艺，本发明具有如下优点：一方面该模具不会对高纯度原料造成接触污染；另一方面，在正规操作下，模具基本不造成磨损，可以极大的保证模具的尺寸精度，陶瓷涂层保护了基体模具钢，使得不易氧化；同时基体也保护了陶瓷涂层不易因外来强烈冲击而出现开裂，使用寿命长。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种模具，特别涉及一种陶瓷金属复合模具。
【背景技术】
近年来，应用于真空蒸发镀膜的原料(氧化物镀膜材料)，已经由最初的高纯度粉末状发展为高纯度、高密度的毫米级颗粒或者小圆片状，根据膜层功能不同，纯度要求达到99.9％～99.999％不等。对于毫米级颗粒或者小圆片的氧化物镀膜材料，现有技术是采用高纯度的氧化物陶瓷粉末，应用粉末冶金的工艺进行成型，为提高颗粒密度，需反复进行压制成型后破碎造粒，最后进行真空烧结。
常规的粉末冶金工艺，采用模具钢制作压模，但氧化物镀膜材料的原料是高纯度的氧化物粉末，具有高纯度，高硬度等特点，硬度远高于模具钢，在压制过程中氧化物粉末与模具内壁进行强烈的摩擦作用，压制成型的原料胚锭表面有严重的发黑、发黄现象，表明有金属等外来物粘污，严重污染了镀膜材料，并且金属模具磨损严重，使用寿命低下。为保证产品的高纯度，需要将成型后的胚料进行表面刮料，每次刮料大约损耗2％～3％，经过反复多次成型刮料后将损耗6％～8％，对于价格昂贵的高纯度氧化物粉末原料，将造成巨大的经济损失。因此应用于该领域的金属模具有待于进一步改进。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种陶瓷金属复合模具，以解决现有技术中模具对原料粉末造成污染的问题，避免了原材料的浪费，并且由于降低了摩擦损耗及氧化损耗极大的延长了模具的使用寿命，降低了生产成本。
本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种陶瓷金属复合模具制作工艺，所制造的陶瓷金属复合模具，可解决现有技术中模具对原料粉末造成污染的问题，避免了原材料的浪费，并且由于降低了摩擦损耗及氧化损耗极大的延长了模具的使用寿命，降低了生产成本。
本发明要解决的技术问题之一是这样实现的：一种陶瓷金属复合模具，其是在模具基体的工作面上冶金设有一层陶瓷涂层，该陶瓷涂层的密度为理论密度的85～90％，且该陶瓷涂层的硬度及耐磨性大于压制产品，或采用与压制产品相同的材料。
本发明要解决的技术问题之二是这样实现的：一种陶瓷金属复合模具制作工艺，具体包括如下步骤：
步骤10、将模具基体经磨削、除油、清洗、干燥后，并使用24目棕刚玉砂喷砂进行粗化；
步骤20、将合金原料粉末通过喷涂设备预先喷涂于基体材料表面，制备一过度粘结层，该涂层厚度控制在30～40μm；
步骤30、以硬度及耐磨性大于压制产品的陶瓷粉末或与压制产品相同材质的陶瓷粉末为陶瓷涂层原料粉末，通过热喷涂设备喷涂在过度粘结层的表面，制备一陶瓷涂层，该陶瓷涂层的厚度控制在200～300μm；
步骤40、对陶瓷涂层进行精密的打磨机械加工，阴模型腔工作面的尺寸公差控制在(+0.04mm，-0.00mm)，上模冲和下模冲工作面的尺寸公差控制在(+0.00mm，-0.04mm)。
本发明具有如下优点：一方面该模具不会对高纯度原料造成接触污染，降低了因清除污染造成的额外人工成本，也有力的保证了产品质量，同时降低了6％～8％的原料成本；另一方面模具使用寿命长，在正规操作下，模具基本不造成磨损，可以极大的保证模具的尺寸精度，陶瓷涂层保护了基体模具钢，使得不易氧化；同时基体也保护了陶瓷涂层不易因外来强烈冲击而出现开裂。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明陶瓷金属复合模具一实施例的结构示意图。
图2为图1的局部放大图。
【具体实施方式】
本发明的一种陶瓷金属复合模具是在模具基体的工作面上冶金设有一层陶瓷涂层，所述陶瓷涂层与模具基体之间通过一过度粘结层连接。该陶瓷涂层的密度为理论密度的85～90％，从而使涂层结合强度高，达到30～60Mpa，且该陶瓷涂层的硬度及耐磨性大于或等于压制产品。所述陶瓷涂层的厚度为200～300μm，尺寸公差是：阴模型腔工作面为(+0.04mm，-0.00mm)，上模冲和下模冲工作面为(+0.00mm，-0.04mm)。
所述模具基体一般为金属基体，对陶瓷涂层起支撑保护作用，由于陶瓷涂层具有高硬度、高脆性等特性，对于厚度仅为200μm～300μm的陶瓷涂层而言，极容易受外力冲击而损坏，选择具有优良强韧性的基体材料有效的支撑保护陶瓷涂层。
所述过度粘结层，由于基体通常为模具钢等金属材料，而陶瓷涂层为陶瓷材料，两者的物理化学性能具有极大的差异，由于两者的热膨胀系数等性能参数不同，两者若直接结合，结合强度较低，有脱落的危险，所以采用与两者结合强度较高的材料为过度粘结层作为过度材料，一般选用合金材料制备该过度粘结层，大大的提高了陶瓷涂层与基体的粘结强度。
所述陶瓷涂层，与压制产品的原料进行直接的接触，涂层需要经受高压，及高强度的摩擦作用，在这个过程中不仅不能对涂层自身造成磨损，且不可污染产品；因此，陶瓷涂层材料的选择，根据压制材料的不同选取，可选择与压制产品的相同材料，或者选择强硬度及耐磨性能远高于压制产品的陶瓷材料。
本发明的陶瓷金属复合模具的制造工艺，包括如下步骤：
步骤10、将模具基体经磨削、除油、清洗、干燥后，并使用24目棕刚玉砂喷砂进行粗化；
步骤20、将合金原料粉末通过喷涂设备预先喷涂于基体材料表面，制备一过度粘结层，该涂层厚度控制在30～40μm；
步骤30、以硬度及耐磨性大于压制产品的陶瓷粉末或与压制产品相同材质的陶瓷粉末为陶瓷涂层原料粉末，通过热喷涂设备喷涂在过度粘结层的表面，制备一陶瓷涂层，该陶瓷涂层的厚度控制在200～300μm；
步骤40、对陶瓷涂层进行精密的打磨机械加工，阴模型腔工作面的尺寸公差控制在(+0.04mm，-0.00mm)，上模冲和下模冲工作面的尺寸公差控制在(+0.00mm，-0.04mm)。
请参考图1和图2，以下将以生产高纯度TiOx毫米级颗粒镀膜材料为例阐述本发明：
采用的模具1包括一上模冲11、一阴模12以及一下模冲13，模具基体111的材料为Cr12模具钢，陶瓷涂层112为TiOx涂层，合金过度粘结层113为Ni/Al合金层，Ni∶Al的质量比为48∶52。其制造工艺如下：
步骤10、将模具1的工作面，包括上模冲11的工作面、阴膜12的工作面以及下模冲13的工作面经磨削、除油、清洗、干燥后，并使用24目棕刚玉砂喷砂进行粗化；
步骤20、将Ni/Al合金粉末通过热喷涂设备喷涂于基体111材料工作面，制备一Ni/Al合金过度粘结层113，该涂层厚度控制在30～40μm；
步骤30、以纯度≥99.9％，平均粒径20～120μm的金红石型TiO2粉末，为陶瓷涂层112原料粉末，通过热喷涂设备喷涂在Ni/Al合金过度粘结层113的表面，制备一陶瓷涂层112，该陶瓷涂层112的厚度控制在200～300μm；值得一提的是，金红石型TiO2粉末在喷涂的过程中会造成氧缺失，最终形成TiOx涂层。
步骤40、对陶瓷涂层112进行精密的打磨机械加工，阴模12的尺寸公差控制在(+0.04mm，-0.00mm)，上模冲11与下模冲13的尺寸公差控制在(+0.00mm，-0.04mm)。
其中所述步骤20和30中的热喷涂设备采用APS-2000型大气等离子喷涂设备，喷涂工艺参数见下表：
之后，对上述步骤所得的模具1进行试用，高纯TiO2粉末经过模具预压成Φ100*20mm圆胚后，圆胚侧边及上下表面无出现发黑、发黄现象，表明无金属等外来物粘污，无需进行表面刮料，可直接投入破碎造粒工序。经过反复多次预压造粒工序，模具1的陶瓷涂层112均无磨损痕迹，表明高密度的TiOx陶瓷涂层的强硬度大于或等于高纯TiO2粉末，压制成型过程中高纯TiO2粉末基本不对陶瓷涂层112造成磨损破坏。即使在压制摩擦过程中的瞬间高温高压造成的原料与陶瓷涂层112间发生元素扩散，由于材料相同，也不会对原料造成污染。并且由于无需刮料等繁琐工序，压制工序工时缩短了10％～20％，不仅降低了人工成本，同时极大的降低了原料成本。
Claims (7)
1.一种陶瓷金属复合模具，其特征在于：在模具基体的工作面上冶金设有一层陶瓷涂层，该陶瓷涂层的密度为理论密度的85～90％，且该陶瓷涂层的硬度及耐磨性大于压制产品，或采用与压制产品相同的材料。
2.根据权利要求1所述的陶瓷金属复合模具，其特征在于：所述陶瓷涂层与模具基体之间通过一由合金材料制成的过度粘结层连接。
3.根据权利要求2所述的陶瓷金属复合模具，其特征在于：所述压制产品为高纯度TiOx毫米级颗粒镀膜材料，所述模具基体的材料为Cr12模具钢，所述陶瓷涂层为TiOx涂层，所述过度粘结层为Ni/Al合金层，Ni∶Al的质量比为48∶52。
4.根据权利要求1所述的陶瓷金属复合模具，其特征在于：所述陶瓷涂层的厚度为200～300μm，尺寸公差是：阴模型腔工作面为(+0.04mm，-0.00mm)，上模冲和下模冲工作面为(+0.00mm，-0.04mm)。
5.一种陶瓷金属复合模具的制造工艺，其特征在于：包括如下步骤：
步骤10、将模具基体经磨削、除油、清洗、干燥后，并使用24目棕刚玉砂喷砂进行粗化；
步骤20、将合金原料粉末通过喷涂设备预先喷涂于基体材料表面，制备一过度粘结层，该涂层厚度控制在30～40μm；
步骤30、以硬度及耐磨性大于压制产品的陶瓷粉末或与压制产品相同材质的陶瓷粉末为陶瓷涂层原料粉末，通过热喷涂设备喷涂在过度粘结层的表面，制备一陶瓷涂层，该陶瓷涂层的厚度控制在200～300μm；
步骤40、对陶瓷涂层进行精密的打磨机械加工，阴模型腔工作面的尺寸公差控制在(+0.04mm，-0.00mm)，上模冲和下模冲工作面的尺寸公差控制在(+0.00mm，-0.04mm)。
6.如权利要求5所述的一种陶瓷金属复合模具的制造工艺，其特征在于：所述陶瓷涂层原料粉末为金红石型TiO2粉末，纯度≥99.9％，平均粒径20μm～120μm；
7.如权利要求5所述的一种陶瓷金属复合模具的制造工艺，其特征在于：所述步骤20和30中的喷涂设备采用APS-2000型大气等离子喷涂设备，其中：
制备所述过度粘结层的喷涂工艺参数为：电流500A、电压60V，Ar气流量45SLM，载气流量5SLM，送粉量5.4Kg/h、喷涂距离100mm；
制备所述陶瓷涂层的喷涂工艺参数为：电流550A、电压65V，Ar气流量40SLM，载气流量5SLM，送粉量0.769Kg/h、喷涂距离80mm。
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