CN102650029A

CN102650029A - 一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法

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Publication number: CN102650029A
Application number: CN201210121864XA
Authority: CN
Inventors: 宋仁国; 王超
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2012-08-29

Abstract

本发明涉及热作模具钢，特指一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法。本发明包括喷涂喂料的制备步骤、H13钢基体预处理步骤、过渡层的制备步骤和纳米陶瓷复合涂层的制备步骤。本发明所述的纳米陶瓷复合涂层材料及其制备方法的有益效果主要体现在：（1）所述纳米陶瓷复合涂层显微硬度高，耐磨性能优良；（2）抗氧化及抗热震性能较好；（3）原料廉价、普通，工艺简单、成本较低，利于工业化生产。所获得的纳米陶瓷复合涂层可达到修复缺陷或强化H13钢基体作用,从而恢复并延长热作模具的使用寿命。

Description

一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法

技术领域

本发明涉及热作模具钢，特指一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法。

背景技术

H13钢是C-Cr-Mo-Si-V型的中合金热作模具钢，是最具有代表性且使用最广泛的热作模具钢，具有良好的红硬性、较高的韧性和优良抗热疲劳性能等，被国内外广泛采用来制造热锻模具、有色金属压铸模具和热挤压模具等；H13钢经常规热处理工艺淬火、回火后的硬度一般为42～48 HRC，耐磨性不足，模具使用寿命较短，另外由于模具在高温状态下，需要长时间与熔融金属液接触，从而造成H13钢的主要失效形式为热磨损（熔损）和热疲劳，因此要求热作模具钢表面具有高硬度、耐热蚀、抗粘结等性能；由于模具制造加工周期很长、加工费用高，模具质量和寿命直接影响生产产品的质量、精密程度、生产效率和生产成本，因此如何进一步提高和改善热作模具钢的表面性能就成为一个迫切需要解决的问题；鉴于模具失效大都由表面开始，采用表面工程方法对H13热作模具钢进行表面处理成为解决模具失效问题的有效途径，能够改善模具钢性能并延长模具的使用寿命。

目前在热作模具表面强化及修复中常用的表面技术有：化学热处理、表面涂覆处理、表面加工强化处理、电刷镀修复技术及电弧堆焊修复技术等，但是上述工艺却存在一次性成本高、表面硬度低、使用寿命短等缺点；而等离子喷涂制备纳米陶瓷复合涂层具有优异的耐摩擦磨损、抗氧化、抗热震等优良性能，可以对金属部件提供全方位的有效保护，被广泛应用于很多领域；但是等离子喷涂制备的传统陶瓷涂层（即微米级涂层）也存在一些不足，如涂层的韧性较差、与金属基体结合不牢固等，这些缺点严重限制了等离子喷涂陶瓷涂层的应用范围。

发明内容

为解决等离子喷涂制备传统陶瓷涂层材料技术中存在的上述不足，本发明提供了一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法。

一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法，包括喷涂喂料的制备步骤、H13钢基体预处理步骤、过渡层的制备步骤和纳米陶瓷复合涂层的制备步骤，其特征在于：所述的喷涂喂料的制备步骤为：将纳米级Al₂O₃和纳米级TiO₂混合均匀后的混合料配成料浆通过液相喷雾造粒，粉体烧结后，筛选出40 μm-60 μm的喷涂喂料；所述过渡层的制备步骤为：采用等离子喷涂设备在经过预处理的基体试样上直接进行喷涂作业，喷涂的镍包铝涂层厚度为50～90μm，镍包铝过渡层的等离子喷涂工艺参数为：喷涂材料是KF-2镍包铝粉末；喷涂功率30kw；主气流量40L/h；送粉压力0.4MPa；喷涂距离120mm；所述纳米陶瓷复合涂层的制备步骤为：在制备好的过渡层之上采用等离子喷涂制备Al₂O₃/TiO₂纳米陶瓷复合涂层，等离子喷涂工艺参数为：喷涂功率25～40kw；主气流量40L/h；送粉压力0.4MPa；喷涂距离90mm。

所述的一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法，其特征在于：所述纳米Al₂O₃为α相，颗粒最大尺寸不超过60 nm；所述纳米TiO₂为金红石相，颗粒最大尺寸不超过10 nm。

所述的一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法，其特征在于：所述混合料中TiO₂的质量分数为3%~40%。

所述的一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法，其特征在于：所述粉体烧结的条件为800℃×1 h。

所述的一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法，其特征在于：H13钢基体预处理步骤为超声波清洗以去除试样表面的油污及其它污垢，然后利用射吸式喷砂机对试样表面进行喷砂处理，最后再次对已经粗化的表面进行超声清洗，以除去残留的杂物。

本发明所述的纳米陶瓷复合涂层材料及其制备方法的有益效果主要体现在：（1）所述纳米陶瓷复合涂层显微硬度高，耐磨性能优良；（2）抗氧化及抗热震性能较好；（3）原料廉价、普通，工艺简单、成本较低，利于工业化生产。

所获得的纳米陶瓷复合涂层可达到修复缺陷或强化H13钢基体作用,从而恢复并延长热作模具的使用寿命。

具体实施方式

下面结合具体方式对本发明进行进一步描述：

为达到发明目的本发明采用的技术方案是：

首先选择纳米级Al₂O₃（颗粒最大尺寸为60 nm）和TiO₂（颗粒最大尺寸为10 nm）粉末为原材料，纳米Al₂O₃以α相存在；纳米TiO₂以金红石相存在；其次通过液相喷雾再造粒方法制备出适合等离子喷涂的微米级喂料，其工艺流程为：（1）不同成分的混合料：97% Al₂O₃+3%TiO₂（质量分数，简称AT3，下同）；87% Al₂O₃+13%TiO₂（AT13）；80% Al₂O₃+20%TiO₂（AT20）；60% Al₂O₃+40%TiO₂（AT40），将混合料配成浆料；（2）喷雾造粒；（3）粉体烧结；（4）粉体烧结(800℃×1 h)；（5）筛选出40 μm-60 μm的喷涂喂料，最后采用等离子喷涂技术在H13热作模具钢表面制备纳米陶瓷复合涂层。

所述的等离子喷涂制备纳米陶瓷复合涂层材料工艺如下：

采用上海瑞法喷涂机械有限公司DH-1080等离子喷涂设备在H13热作模具钢表面进行纳米陶瓷复合涂层制备，该设备由喷枪（最大使用功率为：Ar: 700A×72V =50.4 kw；N₂: 600A×85V =51kw）；电源（最大输入功率：100 kw；最大输出功率：80kw；最大电能消耗：60^o/h）；控制柜；转接箱；热交换器送粉器（送粉气压＞0.4P）。

所用的H13热作模具钢的成分(质量分数%)见表1。

表1 H13钢化学成分(质量分数%)

元素

C

Si

Mn

Cr

Mo

V

P

S

Fe

含量

0.40

0.90

0.32

5.15

1.50

1.15

≤0.03

余量

喷涂试样的尺寸为60mm×40mm×5mm。等离子喷涂工艺流程为：

1．H13钢基体预处理：超声波清洗以去除试样表面的氧化物、油污及其他污垢，然后利用射吸式喷砂机对试样表面进行喷砂处理，然后再次对已经粗化的表面进行超声清洗，以除去残留的金刚砂等杂物。

2．过渡层：由于陶瓷面层与金属基体性质差别大，为提高涂层的结合力及性能需要在陶瓷面层与基体之间喷涂中间层进行过渡，过渡层采用等离子喷涂设备在经过预处理的基体试样上直接进行喷涂作业，喷涂的镍包铝涂层厚度50～90μm，镍包铝过渡层的等离子喷涂工艺参数为：喷涂材料是KF-2镍包铝粉末；喷涂功率30kw；主气流量40L/h；送粉压力0.4MPa；喷涂距离120mm。

3．纳米陶瓷复合涂层：在制备好的过渡层之上采用等离子喷涂制备Al₂O₃/TiO₂纳米陶瓷复合涂层，等离子喷涂工艺参数为：。TiO₂含量（质量百分数，wt%）3%～40%；喷涂功率25～40kw；主气流量40L/h；送粉压力0.4MPa；喷涂距离90mm。

实施例1

混合料：97% Al₂O₃+3%TiO₂（质量分数，简称AT3，下同），纳米Al₂O₃以α相存在，粒径范围50~55nm；纳米TiO₂以金红石相存在，粒径范围5~8nm；粉体烧结后，筛选出40 μm-45 μm的喷涂喂料。

喷涂材料：过渡层为KF-2镍包铝粉末；表层为AT3喷涂喂料。

纳米陶瓷复合涂层制备：将KF-2镍包铝粉末用等离子喷涂到H13钢表面，形成55μm 的过渡层；然后再将AT3粉末用等离子喷涂到过渡层之上，形成厚度为0.15mm左右的纳米陶瓷复合涂层，喷涂功率分别为20、25、30、35kw。

实施例2

混合料：87% Al₂O₃+13%TiO₂（AT13），纳米Al₂O₃以α相存在，粒径范围45~50nm；纳米TiO₂以金红石相存在，粒径范围8~10nm；粉体烧结后，筛选出55μm-60 μm的喷涂喂料。

喷涂材料：过渡层为KF-2镍包铝粉末；表层为AT13喷涂喂料。

纳米陶瓷复合涂层制备：将KF-2镍包铝粉末用等离子喷涂到H13钢表面，形成75μm 的过渡层；然后再将AT13粉末用等离子喷涂到过渡层之上，形成厚度为0.15mm左右的纳米陶瓷复合涂层，喷涂功率分别为20、25、30、35kw。

实施例3

混合料：80% Al₂O₃+20%TiO₂（AT20），纳米Al₂O₃以α相存在，粒径范围50~55nm；纳米TiO₂以金红石相存在，粒径范围5~8nm；粉体烧结后，筛选出50 μm-55μm的喷涂喂料。

喷涂材料：过渡层为KF-2镍包铝粉末；表层为AT20喷涂喂料。

纳米陶瓷复合涂层制备：将KF-2镍包铝粉末用等离子喷涂到H13钢表面，形成80μm 的过渡层；然后再将AT20粉末用等离子喷涂到过渡层之上，形成厚度为0.15mm左右的纳米陶瓷复合涂层。喷涂功率30kw，喷涂功率分别为20、25、30、35kw。

实施例4

混合料：60% Al₂O₃+40%TiO₂（AT40），纳米Al₂O₃以α相存在，粒径范围45~50nm；纳米TiO₂以金红石相存在，粒径范围8~10nm；粉体烧结后，筛选出50 μm-55μm的喷涂喂料。

喷涂材料：过渡层为KF-2镍包铝粉末；表层为AT40喷涂喂料。

纳米陶瓷复合涂层制备：将KF-2镍包铝粉末用等离子喷涂到H13钢表面，形成90μm 的过渡层；然后再将AT40粉末用等离子喷涂到过渡层之上，形成厚度为0.15mm左右的纳米陶瓷复合涂层，喷涂功率分别为20、25、30、35kw。

采用HMV-IT 显微硬度计测试试样的显微硬度；采用WS-2005涂层附着力自动划痕仪对涂层与基体的结合力进行测试；涂层的摩擦磨损试验在HT_500高温摩擦磨损试验机进行；涂层的抗热震性能试验按照热喷涂封严涂层航空工业标准HB7236-1995进行测试，将制备的试样加热到预定的温度（1000℃）保温5分钟取出，然后迅速放入室温约20℃的水中进行冷却，观察涂层表面状态，重复该试验过程，直到试样涂层表面出现5%面积的脱落，以此判定为该涂层失效，并记录每种试样失效所经过的热循环次数。

下表为四种实例下制备样品的显微硬度值。

表2 纳米陶瓷复合涂层的显微硬度

粉末/功率	25kw	30kw	35kw	40kw
					AT3硬度(HV)	1163	1236	1157	1242
AT13硬度(HV)	953	1159	1263	1134
					AT20硬度(HV)	1015	1178	1153	1229
AT40硬度(HV)	971	1039	1147	1121

等离子喷涂制备的AT3涂层与基体的平均结合力为57.5N，AT13涂层的结合力为65.25N，AT20涂层的结合力为71N，AT40涂层的结合力为74N。

下表为四种实例下制备样品的磨损量。

表3 纳米陶瓷复合涂层的磨损失重量

粉末名称	25kw磨损失重(g)	30kw磨损失重(g)	35kw磨损失重(g)	40kw磨损失重(g)
					AT3	0.004	0.003	0.004	0.004
AT13	0.006	0.004	0.005	0.006
					AT20	0.011	0.007	0.005	0.003
AT40	0.015	0.005	0.009	0.019

下表为四种实例下制备样品的抗热震性能。

表4 热震试验纳米陶瓷复合涂层失效所经过的次数

粉末\喷涂功率	25kw	30kw	35kw	40kw
					AT3	7	10	17	13
AT13	10	19	35	33
					AT20	13	27	31	23
AT40	11	21	33	31

Claims

1.一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法，包括喷涂喂料的制备步骤、H13钢基体预处理步骤、过渡层的制备步骤和纳米陶瓷复合涂层的制备步骤，其特征在于：所述的喷涂喂料的制备步骤为：将纳米级Al₂O₃和纳米级TiO₂混合均匀后的混合料配成料浆通过液相喷雾造粒，粉体烧结后，筛选出40 μm-60 μm的喷涂喂料；所述过渡层的制备步骤为：采用等离子喷涂设备在经过预处理的基体试样上直接进行喷涂作业，喷涂的镍包铝涂层厚度为50～90μm，镍包铝过渡层的等离子喷涂工艺参数为：喷涂材料是KF-2镍包铝粉末；喷涂功率30kw；主气流量40L/h；送粉压力0.4MPa；喷涂距离120mm；所述纳米陶瓷复合涂层的制备步骤为：在制备好的过渡层之上采用等离子喷涂制备Al₂O₃/TiO₂纳米陶瓷复合涂层，等离子喷涂工艺参数为：喷涂功率25～40kw；主气流量40L/h；送粉压力0.4MPa；喷涂距离90mm。

2.如权利要求1所述的一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法，其特征在于：所述纳米Al₂O₃为α相，颗粒最大尺寸不超过60 nm；所述纳米TiO₂为金红石相，颗粒最大尺寸不超过10 nm。

3.如权利要求1所述的一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法，其特征在于：所述混合料中TiO₂的质量分数为3%~40%。

4.如权利要求1所述的一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法，其特征在于：所述粉体烧结的条件为800℃×1 h。

5.如权利要求1所述的一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法，其特征在于：H13钢基体预处理步骤为超声波清洗以去除试样表面的油污及其它污垢，然后利用射吸式喷砂机对试样表面进行喷砂处理，最后再次对已经粗化的表面进行超声清洗，以除去残留的杂物。