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】
[0001] 本发明设及一种增强热作模具钢表面耐高溫磨损的陶瓷复合涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 模具是工业生产的基础工艺设备，在机械、国防、冶金、轻功、电子等工业部口中， 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。
[0003] 热作模具钢化3(4灯SMoSiVl)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、较高的初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W及等溫锻造模具等。H13钢经常规热处理工艺泽火、回火后的硬度一般为42~ 48皿C，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 表面受到高溫高速热烙金属的反复冲刷，要承受长时间的高溫高压、激热激冷、反复循环应 力、偏屯、载荷和冲击载荷和高溫高压下的摩擦作用等。H13钢的主要失效形式有=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°C的高溫下进 行，进行渗氮强化模具表面。然而，在52(TC左右会发生泽火，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】
[0004] 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溫磨损性能，解决了热作模具钢在工作过程中的失效问题。
[0005] 本发明所提供的陶瓷复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
[0006] 采用等离子喷涂将化2〇3和Si化的混合物喷涂于基体的表面，即得到所述陶瓷复合 涂层。
[0007] 上述的制备方法中，所述混合物中，所述吐2〇3与所述Si化的质量百分含量分别可 为94%~100% :6%~0,但所述化2化的添加量不为100%，所述Si化的添加量不为零；
[0008] 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：
[0009] 1)〇2〇3 94%~99%，Si〇2 1%~6%;
[0010] 2)〇2〇3 94%，Si〇2 6%;
[0011] 3)Cr2〇3 97%，Si〇2 3%;
[0012] 4)Cr2〇3 99%，Si〇2 1%。
[0013] 上述的制备方法中，所述吐2〇3和所述Si化均可为粉体材料，所述Cn化的粒径可为 15~45皿，所述Si化的粒径可为15~45皿。
[0014] 上述的制备方法中，所述等离子喷涂的条件如下：
[0015] 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;
[0016] 送粉气体为此，送粉气流量可为6~lOL/min，具体可为化/min、9L/min或lOL/min; 送粉率可为28~30g/min，具体可为28g/min或30g/min。
[0017] 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。
[0018] 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)加热到烙融或半烙融状态，并W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。
[0019] 上述方法制备的陶瓷复合涂层也属于本发明的保护范围。
[0020] 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溫磨损性能，如化3。 [0021 ]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，可采用乙醇或丙酬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。
[0022] 本发明具有如下有益效果：
[0023] (1)本发明陶瓷复合涂层的显微硬度高；
[0024] (2)本发明陶瓷复合涂层的高溫摩擦系数低，高溫耐磨性能良好及抗氧化；
[0025] (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。
[0026] 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】
[0027] 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】
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 实施例1、陶瓷复合涂层的制备W及性能测试
[0031] 首先，选择微米级化2〇3(粒径为40~45皿)和Si化(粒径为40~45皿)粉末作为原材 料;其次，按照质量百分比为:吐2〇3:97%和Si〇2:3%的比例进行混合配料，待用；最后，采用 等离子喷涂工艺在化3热作模具钢表面制备陶瓷复合涂层。
[0032] 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化3热作模具钢表面的机械加工。
[0033] 等离子喷涂的工艺如下：
[0034] 在H13热作模具钢表面进行化2〇3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。50 X 8mm。
[0035] 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，氨气流量为化/min，送粉率为30g/min，喷涂距离为130mm。
[0036] 本发明制备的陶瓷复合涂层的性能测试：
[0037] 采用化kon2500-6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。
[0038] 表1 H13和陶瓷复合涂层的显微硬度 「nmol
[0040] 由表1中的数据可W看出，经过等离子喷涂化2〇3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。
[0041] 陶瓷复合涂层的高溫摩擦磨损试验在UMT-3高溫摩擦磨损试验机进行，测试溫度 为500°C，磨损时间为15min，载荷10N，对磨球采用直径为6mm的Al2〇3陶瓷球。测试结果如表2 中所示。
[0042] 表2 H13和陶瓷复合涂层的磨损量 「rwvn1
[0044] 由表2中的数据可W看出，热作模具钢H13在500°C高溫的体积磨损量为1.2mm3,在 其表面等离子喷涂化2〇3陶瓷复合涂层之后，体积磨损量降低了一半，只有0.6mm 3,说明等离 子喷涂化2〇3陶瓷复合涂层有效改善了热作模具钢H13的高溫摩擦磨损性能。
[0045] 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。
[0046] 由图1(a)和1(b)可W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化2〇3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15皿减小到12.4皿。
[0047] 实施例2、陶瓷复合涂层的制备W及性能测试
[004引首先，选择微米级化203(粒径为40~45皿)和Si02(粒径为40~45皿)粉末作为原材 料;其次，按照质量百分比为:Cn化:94 %和Si化:6 %的比例进行混合配料，待用；最后，采用 等离子喷涂工艺在化3热作模具钢表面制备陶瓷复合涂层。
[0049]等离子喷涂步骤之前，先对化3热作模具钢表面进行如下预处理:采用乙醇对化3 热作模具钢表面进行清洗，然后采用打磨实现对化3热作模具钢表面的机械加工。
[(K)加]等离子喷涂的工艺如下：
[0051] 在H13热作模具钢表面进行化2〇3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。50 X 8mm。
[0052] 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，氨气流量为化/min，送粉率为28g/min，喷涂距离为100mm。
[0053] 本发明制备的陶瓷复合涂层的性能测试：
[0054] 采用化kon2500-6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。
[0055] 表3 H13和陶瓷复合涂层的显微硬度
[0化6]
[
[005引由表3中的数据可W看出，经过等离子喷涂化203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。
[0059] 陶瓷复合涂层的高溫摩擦磨损试验在UMT-3高溫摩擦磨损试验机上进行，测试溫 度为500°C，磨损时间为15min，载荷10N，对磨球采用直径为6mm的Ah〇3陶瓷球，测试结果如 表4中所不。
[0060] 表4 Hl3和陶瓷复合涂层的磨损量 「nn" 1
L0062J 由巧4甲的数据W 者出，飘作候具朔H13巧日00"(J局温的体积磨频重刃1.加护，巧 其表面等离子喷涂吐2〇3陶瓷复合涂层之后，体积磨损量降低了 35%左右，只有0.79mm3,说 明等离子喷涂化2〇3陶瓷复合涂层有效改善了热作模具钢H13的高溫摩擦磨损性能。
[0063] 实施例3、陶瓷复合涂层的制备W及性能测试
[0064] 首先，选择微米级化2〇3(粒径为40~45曲1)和Si〇2(粒径为40~45曲1)粉末作为原材 料;其次，按照质量百分比为:吐2〇3 :99 %和Si〇2 :1 %的比例进行混合配料，待用；最后，采用 等离子喷涂工艺在化3热作模具钢表面制备陶瓷复合涂层。
[0065] 等离子喷涂步骤之前，先对化3热作模具钢表面进行如下预处理:采用乙醇对化3 热作模具钢表面进行清洗，然后采用打磨实现对化3热作模具钢表面的机械加工。
[0066] 等离子喷涂的工艺如下：
[0067] 在H13热作模具钢表面进行化2〇3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。50 X 8mm。
[006引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，氨气流量为lOL/min，送粉率为30g/min，喷涂距离为140mm。
[0069] 本发明制备的陶瓷复合涂层的性能测试：
[0070] 采用化kon2500-6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。
[0071] 表5 H13和陶瓷复合涂层的显微硬度
L0073J 由表5中的数惦W 者出，给巧等闻于喷涂化2〇3陶镜复合涂层之后，热作候具锁表 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。
[0074] 陶瓷复合涂层的高溫摩擦磨损试验在UMT-3高溫摩擦磨损试验机上进行，测试溫 度为500°C，磨损时间为15min，载荷10N，对磨球采用直径为6mm的Al2〇3陶瓷球。测试结果如 表6中所示。
[0075] 表6 H13和陶瓷复合涂层的磨损量 「mvAl
LUU',」 口於〇下口J女乂WHJ IiA但口，？。'| F1哭巧卞|勺]1丄Oiruww L巧佩口Tl半tr、階:]j/4里yy丄.乙mm ，1工 其表面等离子喷涂化2〇3陶瓷复合涂层之后，体积磨损量降低了 25%左右，只有0.91mm3,说 明等离子喷涂化2〇3陶瓷复合涂层有效改善了热作模具钢H13的高溫摩擦磨损性能。
【主权项】
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Cr2〇3和Si02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Cr2〇3与所述Si0 2 的质量百分含量分别为94%~100%和6%~0,但所述Cr2〇3的添加量不为100%，所述Si0 2 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Cr2〇3和所述Si02均为粉体材 料，所述Cr 2〇3的粒径为15~45μπι，所述S i 02的粒径为15~45μπι。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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】C23C4/134, C23C4/02, C23C4/11
【公开号】CN105714232
【申请号】CN201610266550
【发明人】刘大猛, 庞华, 谢辰, 李进兴
【申请人】清华大学, 北京德瑞致远科技有限公司