CN108115109B - 一种塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具，包括模具基体和设置在其上方的表面附着层，表面附着层由下至上依次为高塑性金属层和耐热陶瓷层；其中，高塑性金属层的厚度为1～500μm，耐热陶瓷层的厚度为1～50μm。本发明的压铸模具表面高塑形金属层通过激光熔覆，等离子束表面冶金或电子束表面合金化获得，使金属层与模具基体间呈冶金结合，能够有效的提高压铸模具的使用寿命，耐热陶瓷层的制备通过等离子喷涂，化学气相沉积或物理气相沉积方法。获得的表面高塑形金属层和耐热陶瓷层使得压铸模具拥有优异的抗变形性能、耐热疲劳性能、耐腐蚀性能和耐磨性能。

Description

一种塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷叠层涂层压铸模具及其制造技术领域，具体涉及一种塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具及其制备方法。
背景技术
高硬度多层薄膜的高硬度在材料组合上的多样性和其性能上的可选择性，展示了这类薄膜在压铸模具的表面强化和表面改性领域广阔的应用前景。
压铸是利用高压强制将金属溶液压入形状复杂的金属模具内，并在压力下凝固形成铸件的一种精密鋳造法。在铸造过程中模具需要承受大的冲击力，使用条件非常恶劣，而且在压铸生产中要经受频繁的冷热循环在压铸模具表面易产生疲劳裂纹。目前使用的添加合金和渗碳、渗氮的方式能够增大硬度，但也由于脆性大及易发生失效，使得压铸模具的效果不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具及其制备方法，能够解决现有模具中的耐腐蚀性能不理想、抗变形能力不理想及在压铸生产中要经受频繁的冷热循环压铸模具表面易产生疲劳裂纹的技术问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具，包括模具基体和设置在其上方的表面附着层，表面附着层由下至上依次为高塑性金属层和耐热陶瓷层；其中，高塑性金属层的厚度为1～500μm，耐热陶瓷层的厚度为1～50μm。
优选地，所述高塑性金属层为含有铜合金、镍单质、镍钴合金、镍铬合金、钽单质和钽合金中的一种或几种成分的涂层。
优选地，高塑性金属层的厚度设置满足加热和冷却过程中模具基体不发生可累积的塑性变形。
优选地，高塑性金属层与模具基体表面间为冶金结合。
优选地，耐热陶瓷层所用材料要求在其加热和冷却过程中受力不开裂。
优选地，耐热陶瓷层为含有ZrO2、SiC、TiN、Al2O3、碳化钛、碳化硅、氧化铬、TiAlC、TiAlCN、氮化钛、氧化钛和ZrB2中的一种或几种成分的涂层。
本发明还公开了一种塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)在清洁处理过的模具基体表面冶金结合制备厚度为1～500μm的高塑性金属层，且保证该高塑性金属层在加热和冷却过程中模具基体不发生可累积塑性变形；
2)在制得的高塑性金属层表面制备厚度为1～50μm的耐热陶瓷层，且保证该耐热陶瓷层在加热和冷却过程中受力不开裂；
3)经冷却后制得塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具。
优选地，清洁处理是指去除模具基体表面的氧化膜，并用超声波或辉光放电法清洁模具基体表面。
优选地，步骤1)中，制备高塑性金属层采用激光熔覆法、等离子束表面冶金法或电子束表面合金化法；
步骤2)中，制备耐热陶瓷层采用等离子喷涂法、化学气相沉积法或物理气相沉积法。
优选地，所述高塑性金属层为含有铜合金、镍单质、镍钴合金、镍铬合金、钽单质和钽合金中的一种或几种成分的涂层；
所述耐热陶瓷层为含有ZrO2、SiC、TiN、Al2O3、碳化钛、碳化硅、氧化铬、TiAlC、TiAlCN、氮化钛、氧化钛或ZrB2成分的涂层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的金属陶瓷叠层涂层包括模具基体和表面附着层，表面附着层包括高塑性金属层和耐热陶瓷层，高塑性金属层的厚度设置满足在其加热和冷却过程中模具基体不发生可累计的塑性变形，耐热陶瓷层的材料选择保证在其加热和冷却过程中受力不开裂。涂层的选择满足力学性能的同时又具有晓得导热系数，解决了现有模具中的耐腐蚀性能不理想、抗变形能力不理想及在压铸生产中要经受频繁的冷热循环压铸模具表面易产生疲劳裂纹的技术问题。
本发明公开的制备方法，压铸模具表面的高塑性金属层通过激光熔覆，等离子束表面冶金或电子束表面合金化获得，使金属层与模具基体间呈冶金结合，能够有效的提高压铸模具的使用寿命，耐热陶瓷层的制备通过等离子喷涂，化学气相沉积或物理气相沉积方法。获得的表面高塑形金属层+耐热陶瓷层使得压铸模具拥有优异的抗变形性能、耐热疲劳性能、耐腐蚀性能和耐磨性能，进而将模具寿命显著提高5-40倍，该制备方法操作简单，处理效率高。
附图说明
图1为本发明的塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具的结构示意图。
其中，1为模具基体；2为表面附着层；21为高塑性金属层；22为耐热陶瓷层。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
参见图1，一种塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具，由模具基体1和表面附着层2构成；表面附着层2由高塑性金属层21和耐热陶瓷层22叠层构成；其中，高塑性金属层21的厚度设置满足在其加热和冷却过程中模具基体不发生可累计的塑性变形，厚度为50um；耐热陶瓷层22的材料选择保证在其加热和冷却过程中受力不开裂，厚度为10um。
高塑形金属层21为钽单质主要组成成分的涂层。高塑性金属层21与模具基体1表面间为冶金结合，高塑形金属层21的屈服强度大于刚好发生可累计塑性变形的屈服强度。耐热陶瓷层22为含有ZrO2+ZrB2为主要成分的涂层，ZrO2质量百分比为50％，余量为ZrB2。
上述塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)使用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨去除模具表面氧化物，去除模具基体表面的氧化膜，并用丙酮溶液的超声波清洁基体表面，使表面干净备用，清洗时间为15min；
2)使用等离子束表面冶金方法制备在加热和冷却过程中模具基体不发生可累积塑性变形的高塑性金属层，并使模具基体和高塑形金属层之间实现冶金结合，该高塑性金属层的厚度为50um；
其中，等离子束表面冶金方法为：采用大功率自动稳压直流徒降外特性等离子电源，使设备在供电电压波动10％的条件下，输出电流变化小于5％，熔覆电流为350A。具备引弧灭弧同步的送粉与段粉功能。要求：高塑性金属层与模具基体表面间为冶金结合。
3)使用物理气相沉积方法在高塑性金属层表面制备加热和冷却过程中受力不开裂的耐热陶瓷层耐，热陶瓷层的厚度为10um；
其中，该物理气相沉积为溅射镀膜技术的磁控溅射，工艺参数为：0.6kV(高速低温)，15W/cm2，氩气压力为4×10-2Pa。要求：高塑性金属层的屈服强度大于刚好发生可累积塑性变形的屈服强度。
4)冷却，制得塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具。
实施例2
一种塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具，包括模具基体1和表面附着层2，表面附着2由高塑性金属层21和耐热陶瓷层22叠层构成；其中，高塑性金属层21的厚度设置满足在其加热和冷却过程中模具基体不发生可累积的塑性变形，厚度为80um；耐热陶瓷层22的材料选择保证在其加热和冷却过程中受力不开裂，厚度为15um。
高塑性金属层21为钽单质主要组成成分的涂层。高塑性金属层21与模具基体1表面间为冶金结合，高塑性金属层21的屈服强度大于刚好发生可累积塑性变形的屈服强度。耐热陶瓷层22为含有ZrO2+ZrB2为主要成分的涂层，ZrO2质量百分比为50％，余量为ZrB2。
上述塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)使用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨去除模具表面氧化物，去除模具基体表面的氧化膜，并用丙酮溶液的超声波清洁基体表面，使表面干净备用，清洗时间为15min；
2)使用等离子束表面冶金方法制备在加热和冷却过程中模具基体不发生可累积塑性变形的高塑性金属层，并使模具基体和高塑形金属层之间实现冶金结合，该高塑性金属层的厚度为80um；
其中，采用大功率自动稳压直流徒降外特性等离子电源，使设备在供电电压波动10％的条件下，输出电流变化小于5％，熔覆电流为320A。具备引弧灭弧同步的送粉与段粉功能。满足高塑性金属层与模具基体表面间为冶金结合。
3)使用物理气相沉积方法在高塑性金属层表面制备加热和冷却过程中受力不开裂的耐热陶瓷层耐，热陶瓷层的厚度为10um；
其中，物理气相沉积为溅射镀膜技术的磁控溅射，工艺参数为：0.7kV(高速低温)，17W/cm2，氩气压力为2×10-2Pa。高塑性金属层的屈服强度大于刚好发生可累积塑性变形的屈服强度。
4)冷却，制得塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具。
实施例3
一种塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具，包括模具基体1和表面附着层2；表面附着层2由高塑性金属层21和耐热陶瓷层22叠层构成；其中，高塑性金属层21的厚度设置满足在其加热和冷却过程中模具基体不发生可累积的塑性变形，厚度为50um；耐热陶瓷层22的材料选择保证在其加热和冷却过程中受力不开裂，厚度为10um。
高塑性金属层21为钽单质、镍单质主要组成成分的涂层，40％为镍单质，余量为钽单质。高塑性金属层21与模具基体1表面间为冶金结合，高塑性金属层21的屈服强度大于刚好发生可累积塑性变形的屈服强度。耐热陶瓷层22为含有Al2O3+TiAlC为主要成分的涂层，Al2O3质量百分比为50％，余量为TiAlC。
上述塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)使用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨去除模具表面氧化物，去除模具基体表面的氧化膜，并用丙酮溶液的超声波清洁基体表面，使表面干净备用，清洗时间为20min；
2)使用激光熔覆方法制备在加热和冷却过程中模具基体不发生可累积塑性变形的高塑性金属层，采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以钽单质、镍单质为熔覆材料，熔覆材料的成分为重量百分比，40％为镍单质，余量为钽单质，粒度200目，激光熔覆前采用球磨机充分混合均匀，并使模具基体和高塑形金属层之间实现冶金结合；
该高塑性金属层的厚度为50um，激光熔覆参数为：激光功率1000W、光斑直径φ2mm、光斑移动速度20m/s。且激光熔覆过程中采用侧吹12～18L/min氩气对熔覆区域进行保护。
3)使用物理气相沉积方法在高塑性金属层表面制备加热和冷却过程中受力不开裂的耐热陶瓷层耐，热陶瓷层的厚度为10um；
其中，物理气相沉积为溅射镀膜技术的磁控溅射，工艺参数为：0.6kV(高速低温)，15W/cm2，氩气压力为4×10-2Pa。高塑性金属层的屈服强度大于刚好发生可累积塑性变形的屈服强度。
4)冷却，制得塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具。
实施例4
一种塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具，包括模具基体1和表面附着层2；表面附着层2由高塑性金属层21和耐热陶瓷层22叠层构成；其中，高塑性金属层21的厚度设置满足在其加热和冷却过程中模具基体不发生可累积的塑性变形，厚度为80um；耐热陶瓷层22的材料选择保证在其加热和冷却过程中受力不开裂，厚度为15um。
高塑性金属层21为钽单质、镍单质主要组成成分的涂层，40％为镍单质，余量为钽单质。高塑性金属层21与模具基体1表面间为冶金结合，高塑性金属层21的屈服强度大于刚好发生可累积塑性变形的屈服强度。耐热陶瓷层22为含有Al2O3+TiAlC为主要成分的涂层，Al2O3质量百分比为50％，余量为TiAlC。
上述塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)使用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨去除模具表面氧化物，去除模具基体表面的氧化膜，并用丙酮溶液的超声波清洁基体表面，使表面干净备用，清洗时间为20min；
2)使用激光熔覆方法制备在加热和冷却过程中模具基体不发生可累积塑性变形的高塑性金属层，采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以钽单质、镍单质为熔覆材料，熔覆材料的成分为重量百分比，40％为镍单质，余量为钽单质，粒度300目，激光熔覆前采用球磨机充分混合均匀，并使模具基体和高塑性金属层之间实现冶金结合；
该高塑性金属层的厚度为80um，激光熔覆参数为：激光功率1200W、光斑直径φ2mm、光斑移动速度18m/s。且激光熔覆过程中采用侧吹12～18L/min氩气对熔覆区域进行保护。
3)使用物理气相沉积方法在高塑性金属层表面制备加热和冷却过程中受力不开裂的耐热陶瓷层耐，热陶瓷层的厚度为10um。该物理气相沉积为溅射镀膜技术的磁控溅射，工艺参数为：0.6kV(高速低温)，15W/cm2，氩气压力为4×10-2Pa。高塑形金属层的屈服强度大于刚好发生可累积塑性变形的屈服强度。
4)冷却，制得塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具。
综上所述，本发明利用纯金属具有良好的塑形，陶瓷(氮化物、碳化物)具有高硬度，两者的结合能够获得优异的力学性能。由于金属与陶瓷(如氮化物)的晶体结构及滑移系不同，对位错的移动和裂纹的扩展起阻碍作用，这将会引起硬度的升高，再者塑形好的金属与高硬度的陶瓷颗粒交替形成层状结构，金属可以减缓高硬度层的残余应力或剪切应力，对薄膜的韧性、结合强度和耐磨性有益处。

Claims (7)

1.一种塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具，其特征在于，包括模具基体(1)和设置在其上方的表面附着层(2)，表面附着层(2)由下至上依次为高塑性金属层(21)和耐热陶瓷层(22)；其中，高塑性金属层(21)的厚度为50～80μm，耐热陶瓷层(22)的厚度为10～15μm；
所述高塑性金属层(21)为含有铜合金、镍单质、镍钴合金、镍铬合金、钽单质和钽合金中的一种或几种成分的涂层；
高塑性金属层(21)的厚度设置满足加热和冷却过程中模具基体(1)不发生可累积的塑性变形；
高塑性金属层(21)与模具基体(1)表面间为冶金结合。
2.根据权利要求1所述的塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具，其特征在于，耐热陶瓷层(22)所用材料要求在其加热和冷却过程中受力不开裂。
3.根据权利要求1或2所述的塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具，其特征在于，耐热陶瓷层(22)为含有ZrO2、SiC、TiN、Al2O3、碳化钛、氧化铬、TiAlC、TiAlCN、氧化钛和ZrB2中的一种或几种成分的涂层。
4.一种权利要求1所述塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在清洁处理过的模具基体(1)表面冶金结合制备厚度为50～80μm的高塑性金属层(21)，且保证该高塑性金属层(21)的厚度设置满足加热和冷却过程中模具基体(1)不发生可累积的塑性变形，所述高塑性金属层(21)为含有铜合金、镍单质、镍钴合金、镍铬合金、钽单质和钽合金中的一种或几种成分的涂层；
2)在制得的高塑性金属层(21)表面制备厚度为10～15μm的耐热陶瓷层(22)，且保证该耐热陶瓷层(22)所用材料要求在其加热和冷却过程中受力不开裂；
3)经冷却后制得塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具。
5.根据权利要求4所述的塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具的制备方法，其特征在于，清洁处理是指去除模具基体(1)表面的氧化膜，并用超声波或辉光放电法清洁模具基体(1)表面。
6.根据权利要求4所述的塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具的制备方法，其特征在于，步骤1)中，制备高塑性金属层(21)采用激光熔覆法、等离子束表面冶金法或电子束表面合金化法；
步骤2)中，制备耐热陶瓷层(22)采用等离子喷涂法、化学气相沉积法或物理气相沉积法。
7.根据权利要求4所述的塑性金属陶瓷叠层涂层压铸模具的制备方法，其特征在于，所述耐热陶瓷层(22)为含有ZrO2、SiC、TiN、Al2O3、碳化钛、氧化铬、TiAlC、TiAlCN、氧化钛和ZrB2中的一种或几种成分的涂层。
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