CN106148876A - 一种新型的铝合金压铸模具表面强化涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的用于铝合金压铸模具表面强化的陶瓷涂层及其制备方法。针对铝合金压铸模具工作过程中出现的溶蚀、微裂纹等失效形式，采用等离子喷涂工艺在预处理的模具表面喷涂镍铬合金中间层及氧化锆陶瓷涂层，由于陶瓷涂层具有较大的孔隙率，再利用化学后处理对陶瓷涂层进行致密，防止腐蚀介质通过涂层的孔隙直接腐蚀金属基体。本发明所述的用于铝合金压铸模具表面强化的较为致密的陶瓷涂层耐熔融铝合金腐蚀、抗热震性能好、制备工艺简单、成本较低，也可用于铝合金压铸模具的表面修复，延长模具使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的陶瓷涂层及其制备方法，特别是涉及铝合金压铸模具表面强化的陶瓷涂层及其制备方法。
背景技术
铝合金压铸是利用高压将熔融的铝合金高速压入一精密的金属模具型腔内，铝合金液体在压力的作用下凝固形成铸件的一种铸造法。压铸模具作为压铸生产的关键装备，它的性能及使用寿命直接影响铝合金铸件的质量和成本。但铝合金压铸模具的工作条件非常恶劣，有与熔融铝合金直接接触引起的腐蚀及模具工作过程中反复受到热态金属加热和冷却介质冷却的交替作用引起的热疲劳而产生的裂纹。这些腐蚀和裂纹是压铸模具最常见的失效形式。虽然可以通过调整模具材料的合金成分来提高模具的性能和使用寿命，但目前其性能和使用寿命都有待进一步提高。
压铸模具最常见的失效形式基本都是模具工作表面的失效形式。若对铝合金压铸模具进行适当的表面处理，可大幅提高模具的耐腐蚀和耐热疲劳性能，从而可以提高模具的质量、延长模具的使用寿命。目前，铝合金压铸模具基本上都需要经过氮化处理。氮化处理在一定程度上也提高了模具工作表面的耐腐蚀性和耐热疲劳性能，但模具的使用寿命还有待进一步提高，进而进一步降低压铸的生产成本。涂层技术作为材料表面技术的重要手段，旨在用极少量的材料提高工件表面的工作性能，从而达到提高产品质量、延长工件的使用寿命、降低生产成本、节约资源和能源的目的。
等离子喷涂技术具有涂层沉积率高、涂层质量好、成本低等优点，利用等离子喷涂技术得到的氧化锆涂层，具有良好的耐高温、防腐耐磨、优异的化学稳定性等特点，被广泛地应用于航空、航天或柴油机燃烧室等高温、强腐蚀的工作环境中，防止金属基体高温腐蚀。但是等离子喷涂的氧化锆涂层具有很高的孔隙率，腐蚀介质可以通过涂层中的孔隙，直接腐蚀金属基体，导致涂层脱落失效。因此，对等离子喷涂得到的陶瓷涂层进行致密化处理，可有效提高涂层在高温、强腐蚀的介质中的防护性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有铝合金压铸模具的耐腐蚀性能不理想及在压铸过程中受频繁的冷热循环模具表面易产生微裂纹的技术问题，提供一种在铝合金压铸模具的工作表面制备较为致密的陶瓷涂层的技术工艺。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：
采用等离子喷涂工艺，利用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，以氩气作为保护气，将合金粉末和陶瓷粉末加热到熔融或半熔融状态，高速喷向经过预处理的模具工作表面，在模具的工作表面形成以合金涂层为粘结层的陶瓷涂层，然后经过化学后处理，通过化学试剂高温分解得到的氧化物对陶瓷涂层进行优化，得到较为致密的陶瓷涂层。该涂层具有很好的耐腐蚀性能及抗热疲劳性能，有效地提高了模具的使用寿命。
为了得到稳定的、性能优良的陶瓷涂层，通过不断探索，确定合理的化学后处理条件，使用过低的硫酸锆溶液浓度及后处理温度，涂层致密不够而影响其抗腐蚀性能，而过浓的硫酸锆溶液及过高的后处理温度则会导致中间层过度氧化而导致涂层脱落。
铝合金压铸模具表面强化涂层的制备方法，其步骤为：
步骤（1）将压铸模具表面进行除油清洗，喷砂粗化至表面粗糙度Ra3级；
步骤（2）采用等离子喷涂工艺向步骤（1）得到的压铸模具表面喷涂镍铬合金粉末，再喷涂氧化锆陶瓷粉末，得到以镍铬合金为粘结层的氧化锆陶瓷涂层；
步骤（3）往步骤（2）得到的陶瓷涂层表面喷洒硫酸锆溶液；
步骤（4）将步骤（3）得到的压铸模具加热，将陶瓷涂层进行致密化处理。
步骤（2）中所述的喷涂镍铬合金中间层的等离子喷涂参数为：喷涂功率35kw、主气流量40L/min、送粉速度60g/min、喷涂距离120mm；喷涂氧化锆陶瓷的等离子喷涂参数为：喷涂功率50kw、主气流量40L/min、送粉速度35g/min、喷涂距离90mm。
步骤（2）中所述的镍铬合金成分为质量百分比20%Cr，余量Ni，粒度为200～325目；氧化锆陶瓷粉末为质量百分比为8%的氧化钇稳定氧化锆，粒度为200～325目。
步骤（3）中所述的硫酸锆溶液浓度为0.01～0.5mol/L,平均喷洒量为0.01ml/cm2。
步骤（4）中所述的加热温度为400～700℃，加热时间为12～48小时。
为使铝合金压铸模具强化涂层具有理想的耐腐蚀性能及抗热疲劳性能，且与基体的结合强度最佳，所述的中间层的厚度为0.1～0.2mm；陶瓷涂层的厚度为0.2～0.4mm。
本发明的原理是利用等离子喷涂工艺，将镍铬合金粉末和陶瓷粉末加热到熔融或半熔融状态，高速喷向经过预处理的模具工作表面，形成以镍铬合金为粘结层的陶瓷涂层，然后通过后续的化学处理，得到较为致密的陶瓷涂层。本发明制备的陶瓷涂层通过化学后处理，平均孔隙率由喷涂得到的15%降低到3%，在铝合金压铸工艺中具有较高的耐腐蚀性能及抗热疲劳性能，使压铸模具的使用寿命提高2-3倍，能有效地提高模具的使用寿命，降低压铸生产的成本，易操作、生产率高，也可以对已经产生微裂纹的模具表面进行修复，降低模具材料及能源的损耗。
附图说明
图1为等离子喷涂得到的涂层横截面SEM图。
图2为化学后处理后涂层横截面的SEM图。
具体实施方式
实施例1
本实施例用于铝合金压铸模具表面的强化涂层，模具材料为H13模具钢，在模具的工作表面附有以镍铬合金为粘结层的较为致密的氧化锆陶瓷涂层，粘结层厚度为0.1mm，陶瓷涂层厚度为0.2mm。
上述用于铝合金压铸模具表面强化涂层的制备方法，步骤是：
步骤（1）将压铸模具表面用丙酮进行除油清洗，用0.4MPa压力喷16#金刚砂粗化至表面粗糙度Ra3级；
步骤（2）采用等离子喷涂工艺向步骤（1）得到的压铸模具表面喷涂镍铬合金，镍铬合金成分为质量百分比20%Cr，余量Ni，粒度为200～325目，喷涂参数为：喷涂功率35kw、主气流量40L/min、送粉速度60g/min、喷涂距离120mm；再向喷有镍铬合金涂层的模具表面喷涂质量百分比为8%的氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末，粒度为200～325目，喷涂参数为：喷涂功率50kw、主气流量40L/min、送粉速度35g/min、喷涂距离90mm；
步骤（3）往步骤（2）得到的陶瓷涂层表面喷洒0.05mol/L的硫酸锆溶液，平均喷洒量为0.01ml/cm2；
步骤（4）将步骤（3）得到的压铸模具在400℃加热48小时，将陶瓷涂层进行致密化处理。
实施例2
本实施例用于铝合金压铸模具表面的强化涂层，模具材料为H13模具钢，在模具的工作表面附有以镍铬合金为粘结层的较为致密的氧化锆陶瓷涂层，粘结层厚度为0.1mm，陶瓷涂层厚度为0.2mm。
上述用于铝合金压铸模具表面强化涂层的制备方法，步骤是：
步骤（1）将压铸模具表面用丙酮进行除油清洗，用0.4MPa压力喷16#金刚砂粗化至表面粗糙度Ra3级；
步骤（2）采用等离子喷涂工艺向步骤（1）得到的压铸模具表面喷涂镍铬合金，镍铬合金成分为质量百分比20%Cr，余量Ni，粒度为200～325目，喷涂参数为：喷涂功率35kw、主气流量40L/min、送粉速度60g/min、喷涂距离120mm；再向喷有镍铬合金涂层的模具表面喷涂质量百分比为8%的氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末，粒度为200～325目，喷涂参数为：喷涂功率50kw、主气流量40L/min、送粉速度35g/min、喷涂距离90mm；
步骤（3）往步骤（2）得到的陶瓷涂层表面喷洒0.05mol/L的硫酸锆溶液，平均喷洒量为0.01ml/cm2；
步骤（4）将步骤（3）得到的压铸模具在500℃加热36小时，将陶瓷涂层进行致密化处理。
实施例3
本实施例用于铝合金压铸模具表面的强化涂层，模具材料为H13模具钢，在模具的工作表面附有以镍铬合金为粘结层的较为致密的氧化锆陶瓷涂层，粘结层厚度为0.1mm，陶瓷涂层厚度为0.2mm。
上述用于铝合金压铸模具表面强化涂层的制备方法，步骤是：
步骤（1）将压铸模具表面用丙酮进行除油清洗，用0.4MPa压力喷16#金刚砂粗化至表面粗糙度Ra3级；
步骤（2）采用等离子喷涂工艺向步骤（1）得到的压铸模具表面喷涂镍铬合金，镍铬合金成分为质量百分比20%Cr，余量Ni，粒度为200～325目，喷涂参数为：喷涂功率35kw、主气流量40L/min、送粉速度60g/min、喷涂距离120mm；再向喷有镍铬合金涂层的模具表面喷涂质量百分比为8%的氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末，粒度为200～325目，喷涂参数为：喷涂功率50kw、主气流量40L/min、送粉速度35g/min、喷涂距离90mm；
步骤（3）往步骤（2）得到的陶瓷涂层表面喷洒0.2mol/L的硫酸锆溶液，平均喷洒量为0.01ml/cm2；
步骤（4）将步骤（3）得到的压铸模具在600℃加热24小时，将陶瓷涂层进行致密化处理。
实施例4
本实施例用于铝合金压铸模具表面的强化涂层，模具材料为H13模具钢，在模具的工作表面附有以镍铬合金为粘结层的较为致密的氧化锆陶瓷涂层，粘结层厚度为0.1mm，陶瓷涂层厚度为0.2mm。
上述用于铝合金压铸模具表面强化涂层的制备方法，步骤是：
步骤（1）将压铸模具表面用丙酮进行除油清洗，用0.4MPa压力喷16#金刚砂粗化至表面粗糙度Ra3级；
步骤（2）采用等离子喷涂工艺向步骤（1）得到的压铸模具表面喷涂镍铬合金，镍铬合金成分为质量百分比20%Cr，余量Ni，粒度为200～325目，喷涂参数为：喷涂功率35kw、主气流量40L/min、送粉速度60g/min、喷涂距离120mm；再向喷有镍铬合金涂层的模具表面喷涂质量百分比为8%的氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末，粒度为200～325目，喷涂参数为：喷涂功率50kw、主气流量40L/min、送粉速度35g/min、喷涂距离90mm；
步骤（3）往步骤（2）得到的陶瓷涂层表面喷洒0.2mol/L的硫酸锆溶液，平均喷洒量为0.01ml/cm2；
步骤（4）将步骤（3）得到的压铸模具在700℃加热12小时，将陶瓷涂层进行致密化处理。
通过图1和图2所示的涂层横截面的SEM图可以看出，化学后处理后，氧化锆陶瓷涂层得到了有效的致密。
以上所述内容仅为本发明的基本说明，任何依据本发明的技术方案所做的等效变换，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种新型的铝合金压铸模具表面强化涂层，其特征在于：所述的强化涂层为采用等离子喷涂技术，以镍铬合金中间层为粘结层，进行化学后处理得到的较为致密的陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述的一种新型的铝合金压铸模具表面强化涂层，其特征在于：所述的中间层厚度为0.1～0.2mm；陶瓷涂层的厚度为0.2～0.4mm。
3.根据权利要求1所述的一种新型的铝合金压铸模具表面强化涂层，其特征在于：所述的中间层为镍铬合金，铬质量百分比20%，镍为余量；陶瓷涂层为质量百分比为8%的氧化钇稳定氧化锆。
4.根据权利要求1-3所述的一种新型的铝合金压铸模具表面强化涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺包括如下步骤：
步骤（1）将压铸模具表面进行除油清洗，喷砂粗化至表面粗糙度Ra3级；
步骤（2）采用等离子喷涂工艺向步骤（1）得到的压铸模具表面喷涂镍铬合金粉末，再喷涂氧化锆陶瓷粉末，得到以镍铬合金为粘结层的氧化锆陶瓷涂层；
步骤（3）往步骤（2）得到的陶瓷涂层表面喷洒硫酸锆溶液；
步骤（4）将步骤（3）得到的压铸模具加热，将陶瓷涂层进行致密化处理。
5.根据权利要求4所述的一种新型的铝合金压铸模具表面强化涂层的制备工艺，其特征在于：步骤（2）中所述的喷涂镍铬合金中间层的等离子喷涂参数为：喷涂功率35kw、主气流量40L/min、送粉速度60g/min、喷涂距离120mm；喷涂氧化锆陶瓷的等离子喷涂参数为：喷涂功率50kw、主气流量40L/min、送粉速度35g/min、喷涂距离90mm。
6.根据权利要求4所述的一种新型的铝合金压铸模具表面强化涂层的制备工艺，其特征在于：步骤（2）中所述的镍铬合金成分为质量百分比20%Cr，余量Ni，粒度为200～325目；氧化锆陶瓷粉末为质量百分比为8%的氧化钇稳定氧化锆，粒度为200～325目。
7.根据权利要求4所述的一种新型的铝合金压铸模具表面强化涂层的制备工艺，其特征在于：步骤（3）中所述的硫酸锆溶液浓度为0.01～0.5mol/L,平均喷洒量为0.01ml/cm2。
8.根据权利要求4所述的一种新型的铝合金压铸模具表面强化涂层的制备工艺，其特征在于：步骤（4）中所述的加热温度为400～700℃，加热时间为12～48小时。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 312000 A2(2) Workshop 328 Yuedongnan Road, Shaoxing City, Zhejiang Province Applicant after: Shaoxing Keting New Material Technology Co.,Ltd. Address before: 312000 A2(2) Workshop 328 Yuedongnan Road, Shaoxing City, Zhejiang Province Applicant before: SHAOXING HAOCHENG NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 312000 A2(2) Workshop 328 Yuedongnan Road, Shaoxing City, Zhejiang Province Patentee after: Shaoxing keting New Material Co.,Ltd. Address before: 312000 A2(2) Workshop 328 Yuedongnan Road, Shaoxing City, Zhejiang Province Patentee before: Shaoxing Keting New Material Technology Co.,Ltd. |