CN105714232A - 一种增强热作模具钢表面耐高温磨损的陶瓷复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种增强热作模具钢表面耐高温磨损的陶瓷复合涂层及其制备方法 Download PDF

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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas

Abstract

本发明公开了一种增强热作模具钢表面耐高温磨损的陶瓷复合涂层及其制备方法。所述制备方法包括如下步骤：采用等离子喷涂将Cr2O3和SiO2的混合物喷涂于基体的表面，即得到所述陶瓷复合涂层，所述混合物中，所述Cr2O3与所述SiO2的质量百分含量分别为94％～100％和6％～0，但所述Cr2O3的添加量不为100％，所述SiO2的添加量不为零。本发明具有如下有益效果：本发明陶瓷复合涂层的显微硬度高；本发明陶瓷复合涂层的高温摩擦系数低，高温耐磨性能良好及抗氧化；本发明陶瓷复合涂层的制备方法，原料廉价、普通，工艺简单、成本低，利于工业化生产。本发明陶瓷复合涂层可达到强化热作模具基体表面的作用，从而延长热作模具的使用寿命。

Description

一种增强热作模具钢表面耐高温磨损的陶瓷复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种增强热作模具钢表面耐高温磨损的陶瓷复合涂层及其制备方法。
背景技术
模具是工业生产的基础工艺设备，在机械、国防、冶金、轻功、电子等工业部门中，相当部分的零部件都是依靠模具成形。模具在制造业中保证了高产品、高效率的生产和降低了生产成本。模具工业在国民经济中占有重要地位。模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志，模具应用领域的不断扩展对模具提出更多和更高的要求。模具寿命是直接影响加工效率、产品质量和成本的重要因素之一，因此，提高模具的使用寿命具有很大的潜力和巨大的经济价值。
热作模具钢H13(4Cr5MoSiV1)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。热作模具钢主要用在热锻模、热挤压模、压铸模以及等温锻造模具等。H13钢经常规热处理工艺淬火、回火后的硬度一般为42～48HRC，耐磨性不足，模具使用寿命较短。热作模具的工作条件相当恶劣，在服役过程中模腔表面受到高温高速热熔金属的反复冲刷，要承受长时间的高温高压、激热激冷、反复循环应力、偏心载荷和冲击载荷和高温高压下的摩擦作用等。H13钢的主要失效形式有三种：热磨损、热疲劳和热冲蚀。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，从节省能源和资源，充分发挥材料性能潜力并获得特殊性能和最大经济效益出发，对模具钢模具进行表面改性处理，是综合改善模具使用寿命的关键。目前在热作模具行业中采用的表面处理技术是渗氮强化技术。热作模具的渗氮强化处理一般是在470～550℃的高温下进行，进行渗氮强化模具表面。然而，在520℃左右会发生淬火，模具钢本身会变红，钢体性质发生变化，降低了模具的使用寿命；渗氮工艺处理周期长，通常需要18～22小时。渗氮技术只能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求；渗氮处理对环境污染严重，并且工作环境差，对工作人员的身体健康伤害大。因此，模具行业迫切需要采用新技术来代替渗氮技术，提高模具的使用寿命，保护工作人员的身体健康，并且满足环保要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种陶瓷复合涂层及其制备方法，所述陶瓷复合材料能够增强热作模具钢表面的耐高温磨损性能，解决了热作模具钢在工作过程中的失效问题。
本发明所提供的陶瓷复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
采用等离子喷涂将Cr2O3和SiO2的混合物喷涂于基体的表面，即得到所述陶瓷复合涂层。
上述的制备方法中，所述混合物中，所述Cr2O3与所述SiO2的质量百分含量分别可为94％～100％：6％～0，但所述Cr2O3的添加量不为100％，所述SiO2的添加量不为零；
所述混合物的组成具体可为下述1)-4)中任一种，均为质量百分含量：
1)Cr2O394％～99％，SiO21％～6％；
2)Cr2O394％，SiO26％；
3)Cr2O397％，SiO23％；
4)Cr2O399％，SiO21％。
上述的制备方法中，所述Cr2O3和所述SiO2均可为粉体材料，所述Cr2O3的粒径可为15～45μm，所述SiO2的粒径可为15～45μm。
上述的制备方法中，所述等离子喷涂的条件如下：
等离子气体为Ar，所述Ar的流量可为35～45L/min，具体可为35L/min～45L/min；
送粉气体为H2，送粉气流量可为6～10L/min，具体可为6L/min、9L/min或10L/min；送粉率可为28～30g/min，具体可为28g/min或30g/min。
电弧电流可为500～650A，具体可为500A、580A或650A，电弧电压可为65～75V，具体可为65V、70V或75V，喷涂距离为100～140mm，具体可为100mm、130mm或140mm。
所述等离子喷涂的过程为：由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将所述混合物(配制的粉末材料)加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的基体表面，设置自动送粉装置的送粉速率满足喷涂工艺的需要。
上述方法制备的陶瓷复合涂层也属于本发明的保护范围。
本发明提供的陶瓷复合涂层能够增强热作模具钢表面的耐高温磨损性能，如H13。
在采用所述陶瓷复合材料时，需要将所述热作模具钢的表面依次进行清洗和机械加工等预处理，可采用乙醇或丙酮对所热作模具钢表面进行清洗，采用打磨或喷砂处理实现对所述热作模具钢表面的机械加工。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明陶瓷复合涂层的显微硬度高；
(2)本发明陶瓷复合涂层的高温摩擦系数低，高温耐磨性能良好及抗氧化；
(3)本发明陶瓷复合涂层的制备方法，原料廉价、普通，工艺简单、成本低，利于工业化生产。
本发明陶瓷复合涂层可达到强化热作模具基体表面的作用，从而延长热作模具的使用寿命。
附图说明
图1为H13与本发明实施例1制备的陶瓷复合涂层的磨痕形貌图片，其中图(a)为H13的磨痕形貌图片，图1(b)为陶瓷复合涂层的磨痕形貌图片。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、陶瓷复合涂层的制备以及性能测试
首先，选择微米级Cr2O3(粒径为40～45μm)和SiO2(粒径为40～45μm)粉末作为原材料；其次，按照质量百分比为：Cr2O3：97％和SiO2：3％的比例进行混合配料，待用；最后，采用等离子喷涂工艺在H13热作模具钢表面制备陶瓷复合涂层。
等离子喷涂步骤之前，先对H13热作模具钢表面进行如下预处理：采用乙醇对H13热作模具钢表面进行清洗，然后采用打磨实现对H13热作模具钢表面的机械加工。
等离子喷涂的工艺如下：
在H13热作模具钢表面进行Cr2O3陶瓷复合涂层制备的工艺是由北京联合涂层公司协助完成。喷涂试样的尺寸为Ф50×8mm。
等离子喷涂陶瓷复合涂层的工艺参数为：电弧电流为580A，电弧电压为70V，Ar气流量为45L/min，氢气流量为9L/min，送粉率为30g/min，喷涂距离为130mm。
本发明制备的陶瓷复合涂层的性能测试：
采用Tukon2500-6维氏/努式自动硬度计测试试样的显微硬度，载荷为0.5Kgf，加载时间为10s，平行测试5次，最后取平均值，测试结果如表1中所示。
表1H13和陶瓷复合涂层的显微硬度
样品 1 2 3 4 5 平均值
H13 510HV 560HV 606HV 550HV 566HV 558.4HV
复合涂层 1396HV 1424HV 1453HV 1561HV 1561HV 1479HV
由表1中的数据可以看出，经过等离子喷涂Cr2O3陶瓷复合涂层之后，热作模具钢表面的显微硬度从558.4HV提高到了1479HV，硬度值提高了近3倍。
陶瓷复合涂层的高温摩擦磨损试验在UMT-3高温摩擦磨损试验机进行，测试温度为500℃，磨损时间为15min，载荷10N，对磨球采用直径为6mm的Al2O3陶瓷球。测试结果如表2中所示。
表2H13和陶瓷复合涂层的磨损量
样品名称 H13 复合涂层
磨损量/mm3 1.2 0.6
由表2中的数据可以看出，热作模具钢H13在500℃高温的体积磨损量为1.2mm3，在其表面等离子喷涂Cr2O3陶瓷复合涂层之后，体积磨损量降低了一半，只有0.6mm3，说明等离子喷涂Cr2O3陶瓷复合涂层有效改善了热作模具钢H13的高温摩擦磨损性能。
上述测试过程中，H13与陶瓷复合涂层的磨痕图片如图1所示，其中图1(a)为H13的磨痕形貌图片，图1(b)为陶瓷复合涂层的磨痕形貌图片。
由图1(a)和1(b)可以看出，在未进行等离子喷涂陶瓷复合涂层之前，热作模具钢H13的磨痕宽度较大且深，然后在经过等离子喷涂Cr2O3陶瓷复合涂层之后，磨痕的宽度和深度都减小了，磨痕宽度从1.05mm下降到0.742mm，磨痕深度从15μm减小到12.4μm。
实施例2、陶瓷复合涂层的制备以及性能测试
首先，选择微米级Cr2O3(粒径为40～45μm)和SiO2(粒径为40～45μm)粉末作为原材料；其次，按照质量百分比为：Cr2O3：94％和SiO2：6％的比例进行混合配料，待用；最后，采用等离子喷涂工艺在H13热作模具钢表面制备陶瓷复合涂层。
等离子喷涂步骤之前，先对H13热作模具钢表面进行如下预处理：采用乙醇对H13热作模具钢表面进行清洗，然后采用打磨实现对H13热作模具钢表面的机械加工。
等离子喷涂的工艺如下：
在H13热作模具钢表面进行Cr2O3陶瓷复合涂层制备的工艺是由北京联合涂层公司协助完成。喷涂试样的尺寸为Ф50×8mm。
等离子喷涂陶瓷复合涂层的工艺参数为：电弧电流为500A，电弧电压为65V，Ar气流为35L/min，氢气流量为6L/min，送粉率为28g/min，喷涂距离为100mm。
本发明制备的陶瓷复合涂层的性能测试：
采用Tukon2500-6维氏/努式自动硬度计测试试样的显微硬度，载荷为0.5Kgf，加载时间为10s，平行测试5次，最后取平均值，测试结果如表3中所示。
表3H13和陶瓷复合涂层的显微硬度
由表3中的数据可以看出，经过等离子喷涂Cr2O3陶瓷复合涂层之后，热作模具钢表面的显微硬度从558.4HV提高到了1320.6HV，硬度值提高了近2.5倍。
陶瓷复合涂层的高温摩擦磨损试验在UMT-3高温摩擦磨损试验机上进行，测试温度为500℃，磨损时间为15min，载荷10N，对磨球采用直径为6mm的Al2O3陶瓷球，测试结果如表4中所示。
表4H13和陶瓷复合涂层的磨损量
样品名称 H13 复合涂层
磨损量/mm3 1.2 0.79
由表4中的数据可以看出，热作模具钢H13在500℃高温的体积磨损量为1.2mm3，在其表面等离子喷涂Cr2O3陶瓷复合涂层之后，体积磨损量降低了35％左右，只有0.79mm3，说明等离子喷涂Cr2O3陶瓷复合涂层有效改善了热作模具钢H13的高温摩擦磨损性能。
实施例3、陶瓷复合涂层的制备以及性能测试
首先，选择微米级Cr2O3(粒径为40～45μm)和SiO2(粒径为40～45μm)粉末作为原材料；其次，按照质量百分比为：Cr2O3：99％和SiO2：1％的比例进行混合配料，待用；最后，采用等离子喷涂工艺在H13热作模具钢表面制备陶瓷复合涂层。
等离子喷涂步骤之前，先对H13热作模具钢表面进行如下预处理：采用乙醇对H13热作模具钢表面进行清洗，然后采用打磨实现对H13热作模具钢表面的机械加工。
等离子喷涂的工艺如下：
在H13热作模具钢表面进行Cr2O3陶瓷复合涂层制备的工艺是由北京联合涂层公司协助完成。喷涂试样的尺寸为Ф50×8mm。
等离子喷涂陶瓷复合涂层的工艺参数为：电弧电流为650A，电弧电压为75V，Ar气流为45L/min，氢气流量为10L/min，送粉率为30g/min，喷涂距离为140mm。
本发明制备的陶瓷复合涂层的性能测试：
采用Tukon2500-6维氏/努式自动硬度计测试试样的显微硬度，载荷为0.5Kgf，加载时间为10s，平行测试5次，最后取平均值，测试结果如表5中所示。
表5H13和陶瓷复合涂层的显微硬度
样品 1 2 3 4 5 平均值
H13 510HV 560HV 606HV 550HV 566HV 558.4HV
复合涂层 1204HV 1171HV 1282HV 1301HV 1159HV 1223.4HV
由表5中的数据可以看出，经过等离子喷涂Cr2O3陶瓷复合涂层之后，热作模具钢表面的显微硬度从558.4HV提高到了1223.4HV，硬度值提高了近2.2倍。
陶瓷复合涂层的高温摩擦磨损试验在UMT-3高温摩擦磨损试验机上进行，测试温度为500℃，磨损时间为15min，载荷10N，对磨球采用直径为6mm的Al2O3陶瓷球。测试结果如表6中所示。
表6H13和陶瓷复合涂层的磨损量
样品名称 H13 复合涂层
磨损量/mm3 1.2 0.91
由表6中的数据可以看出，热作模具钢H13在500℃高温的体积磨损量为1.2mm3，在其表面等离子喷涂Cr2O3陶瓷复合涂层之后，体积磨损量降低了25％左右，只有0.91mm3，说明等离子喷涂Cr2O3陶瓷复合涂层有效改善了热作模具钢H13的高温摩擦磨损性能。

Claims (9)

1.一种陶瓷复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
采用等离子喷涂将Cr2O3和SiO2的混合物喷涂于基体的表面，即得到所述陶瓷复合涂层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述混合物中，所述Cr2O3与所述SiO2的质量百分含量分别为94％～100％和6％～0，但所述Cr2O3的添加量不为100％，所述SiO2的添加量不为零。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述Cr2O3和所述SiO2均为粉体材料，所述Cr2O3的粒径为15～45μm，所述SiO2的粒径为15～45μm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述等离子喷涂的条件如下：
等离子气体为Ar，所述Ar的流量为35～45L/min；
送粉气体为H2，送粉气流量为6～10L/min，送粉率为28～30g/min；
电弧电流为500～650A，电弧电压为65～75V，喷涂距离为100～140mm。
5.权利要求1-4中任一项所述方法制备的陶瓷复合涂层。
6.权利要求5所述陶瓷复合涂层在增强热作模具钢表面的耐高温磨损性能中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述热作模具钢为H13。
8.根据权利要求6或7所述的应用，其特征在于：对所述热作模具钢表面依次进行清洗和机械加工后，再向所述热作模具钢表面喷涂所述陶瓷复合涂层。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：采用乙醇或丙酮对所述热作模具钢表面进行清洗；采用打磨或喷砂处理实现对所述热作模具钢表面的机械加工。
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