本发明公开了一种模具材料耐热涂层的制备方法，属于涂层材料制备技术领域。
背景技术：
热模锻工艺是将金属毛坯加热至锻造温度，在模锻锤或热模锻压力机上进行锻造，然后再切除飞边得到锻件。热锻模对高温状态下的金属进行加工，除了需要承受巨大的机械应力之外，还需要承受冷热交变作用，在金属流动时还会产生摩擦效应，产生很高的热应力。由于在服役过程中受到的作用力很复杂，需要在高温高应力状态下连续工作, 所以热锻模的寿命普遍比较低。如何提高热锻模具的使用寿命，降低锻件成本是热加工行业中急需解决的问题。
在热锻模工艺中，工艺参数包括设备性能工件材料，润滑和模具材料，表面处理方法一起决定了模具工件的接触边界条件，这种边界条件直接影响模具的失效机理。热锻模工作条件较差，型腔需要承受很大的冲击力和大于次的冷热交变载荷，并且长时间处于600℃以上的高温环境，所以锻模的寿命较短。影响锻模寿命的除了复杂的工作环境之外，还和材料、结构设计、制造工艺以及使用维护有关。锻模作为锻造生产中必不可少的工装，而且占锻件成本的比例很高，如何提高热锻模的寿命，是业界十分关注的问题。
涂层是指附着在某一基体材料上起某种特殊作用，且与基体材料具有一定结合强度的薄层材料。它可以克服基体材料的某种缺陷，改善其表面特性，如光学特性、电学特性、耐侵蚀及腐蚀、耐磨损性和提高机械强度等，它属于一种有支撑体的薄膜。现有技术制备的模具材料耐热涂层强度低，在高温、应力等作用下易龟裂、脱落，同时涂层耐久性较差，使用寿命较短。
技术实现要素：
本发明主要解决的技术问题：针对目前的模具材料耐热涂层强度低，在高温、应力等作用下易龟裂、脱落，同时涂层耐久性较差，使用寿命较短的问题，提供一种模具材料耐热涂层的制备方法，该方法首先将氧化硅、高岭土、硅酸钠等混合球磨成粉，随后与去离子水、聚乙烯吡咯烷酮搅拌制成混合液，再将甲基硅树脂与氢氧化钠溶液、苯酚等搅拌反应，得到的反应物与石油醚搅拌，随后静置收集有机层进行蒸馏处理，再将得到的有机硅改性酚醛树脂与混合液、偶联剂等搅拌制成粘结剂，再利用碳化硅、碳化铬、石墨烯等制备的混合粉末与磷酸二氢铝溶液搅拌制成填料，最后将填料与粘结剂、羧甲基纤维素等搅拌制成涂料，将涂料用常规方式涂覆在模具表面后固化即可得到模具材料耐热涂层，本发明制得的耐热涂层强度高，具有优异的耐高温及耐久性能，涂覆后有效延长了模具使用寿命，具有广阔的应用空间。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
（1）称取5～8g氧化硅、6～10g高岭土、15～20g硅酸钠和3～5g氧化铝，加入到球磨机中球磨2～3h，过100～200目筛，得到混合粉末，将混合粉末加入到烧杯中，再加入100～200mL去离子水和6～8g聚乙烯吡咯烷酮，搅拌20～30min，得到混合液，备用；
（2）称取8～10g甲基硅树脂加入到带有温度计和回流装置的三口烧瓶中，将烧瓶置于水浴锅中，升温至90～100℃，再加入100～200mL质量分数为20%氢氧化钠溶液，搅拌反应2～3h，随后再加入5～7g苯酚，搅拌20～30min，待苯酚全部溶解后，向烧瓶中通入200～300mL甲醛，搅拌反应2～3h，反应结束，向反应物中加入100～200mL石油醚，搅拌20～30min，静置分层，收集有机层，将有机层于90～100℃蒸馏2～3h，得到有机硅改性酚醛树脂；
（3）将上述有机硅改性酚醛树脂加入到烧杯中，再加入步骤（1）备用的混合液，搅拌均匀后，再加入0.1～0.3g偶联剂KH-550、6～8g硼粉和8～12g缩合磷酸铝，搅拌30～40min，得到粘结剂，备用；
（4）称取10～20g碳化硅、6～8g碳化铬、5～8g碳化钨、3～5g石墨烯和8～12g镍粉加入到粉碎机中进行粉碎，过100～200目筛，得到混合粉末，将混合粉末加入到烧杯中，再加入50～60mL质量分数为20%磷酸二氢铝溶液，搅拌5～10min，得到填料；
（5）按重量份数计，称取50～60份上述填料、20～30份步骤（3）备用的粘结剂、6～8份N,N-二苯基-对苯二胺、3～5份羧甲基纤维素和3～5份聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚，加入到搅拌机中，搅拌10～20min后，得到涂料，用丙酮清洗待涂覆模具表面并晾干，将涂料用喷枪均匀喷涂于模具表面，控制涂覆厚度为0.5～0.8mm，将涂覆后的模具置于烘箱中，在280～300℃固化40～50min，随后将模具取出并自然冷却至室温，得到模具材料耐热涂层。
经检测，本发明制得的耐热涂层能耐800～1200℃高温，且在高温环境下连续使用16～28h，涂层表面未出现开裂、剥落现象，涂层附着力达0级，涂层使用寿命延长了1～3年，且涂覆本发明耐热涂层后的模具材料使用寿命较原先延长了2～3年。
本发明的有益效果是：
（1）本发明制得的耐热涂层强度高，附着力较强，且涂层耐高温性能优异，在高温环境下长时间连续工作亦不会发生龟裂、脱落现象；
（2）本发明制得的耐热涂层还具有优异的耐磨、抗氧化、防腐蚀性能，对模具材料具有很好的保护作用，有效延长自身及模具材料使用寿命。
具体实施方式
首先称取5～8g氧化硅、6～10g高岭土、15～20g硅酸钠和3～5g氧化铝，加入到球磨机中球磨2～3h，过100～200目筛，得到混合粉末，将混合粉末加入到烧杯中，再加入100～200mL去离子水和6～8g聚乙烯吡咯烷酮，搅拌20～30min，得到混合液，备用；随后称取8～10g甲基硅树脂加入到带有温度计和回流装置的三口烧瓶中，将烧瓶置于水浴锅中，升温至90～100℃，再加入100～200mL质量分数为20%氢氧化钠溶液，搅拌反应2～3h，随后再加入5～7g苯酚，搅拌20～30min，待苯酚全部溶解后，向烧瓶中通入200～300mL甲醛，搅拌反应2～3h，反应结束，向反应物中加入100～200mL石油醚，搅拌20～30min，静置分层，收集有机层，将有机层于90～100℃蒸馏2～3h，得到有机硅改性酚醛树脂；将上述有机硅改性酚醛树脂加入到烧杯中，再加入上述步骤备用的混合液，搅拌均匀后，再加入0.1～0.3g偶联剂KH-550、6～8g硼粉和8～12g缩合磷酸铝，搅拌30～40min，得到粘结剂，备用；再称取10～20g碳化硅、6～8g碳化铬、5～8g碳化钨、3～5g石墨烯和8～12g镍粉加入到粉碎机中进行粉碎，过100～200目筛，得到混合粉末，将混合粉末加入到烧杯中，再加入50～60mL质量分数为20%磷酸二氢铝溶液，搅拌5～10min，得到填料；最后按重量份数计，称取50～60份上述填料、20～30份上述步骤备用的粘结剂、6～8份N,N-二苯基-对苯二胺、3～5份羧甲基纤维素和3～5份聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚，加入到搅拌机中，搅拌10～20min后，得到涂料，用丙酮清洗待涂覆模具表面并晾干，将涂料用喷枪均匀喷涂于模具表面，控制涂覆厚度为0.5～0.8mm，将涂覆后的模具置于烘箱中，在280～300℃固化40～50min，随后将模具取出并自然冷却至室温，得到模具材料耐热涂层。
实例1
首先称取5g氧化硅、6g高岭土、15g硅酸钠和3g氧化铝，加入到球磨机中球磨2h，过100目筛，得到混合粉末，将混合粉末加入到烧杯中，再加入100mL去离子水和6g聚乙烯吡咯烷酮，搅拌20min，得到混合液，备用；随后称取8g甲基硅树脂加入到带有温度计和回流装置的三口烧瓶中，将烧瓶置于水浴锅中，升温至90℃，再加入100mL质量分数为20%氢氧化钠溶液，搅拌反应2h，随后再加入5g苯酚，搅拌20min，待苯酚全部溶解后，向烧瓶中通入200mL甲醛，搅拌反应2h，反应结束，向反应物中加入100mL石油醚，搅拌20min，静置分层，收集有机层，将有机层于90℃蒸馏2h，得到有机硅改性酚醛树脂；将上述有机硅改性酚醛树脂加入到烧杯中，再加入上述步骤备用的混合液，搅拌均匀后，再加入0.1g偶联剂KH-550、6g硼粉和8g缩合磷酸铝，搅拌30min，得到粘结剂，备用；再称取10g碳化硅、6g碳化铬、5g碳化钨、3g石墨烯和8g镍粉加入到粉碎机中进行粉碎，过100目筛，得到混合粉末，将混合粉末加入到烧杯中，再加入50mL质量分数为20%磷酸二氢铝溶液，搅拌5min，得到填料；最后按重量份数计，称取50份上述填料、20份上述步骤备用的粘结剂、6份N,N-二苯基-对苯二胺、3份羧甲基纤维素和3份聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚，加入到搅拌机中，搅拌10min后，得到涂料，用丙酮清洗待涂覆模具表面并晾干，将涂料用喷枪均匀喷涂于模具表面，控制涂覆厚度为0.5mm，将涂覆后的模具置于烘箱中，在280℃固化40min，随后将模具取出并自然冷却至室温，得到模具材料耐热涂层。
经实例检测，本发明制得的耐热涂层能耐800℃高温，且在高温环境下连续使用16h，涂层表面未出现开裂、剥落现象，涂层附着力达0级，涂层使用寿命延长了1年，且涂覆本发明耐热涂层后的模具材料使用寿命较原先延长了2年。
实例2
首先称取7g氧化硅、8g高岭土、18g硅酸钠和4g氧化铝，加入到球磨机中球磨2.5h，过150目筛，得到混合粉末，将混合粉末加入到烧杯中，再加入150mL去离子水和7g聚乙烯吡咯烷酮，搅拌25min，得到混合液，备用；随后称取9g甲基硅树脂加入到带有温度计和回流装置的三口烧瓶中，将烧瓶置于水浴锅中，升温至95℃，再加入150mL质量分数为20%氢氧化钠溶液，搅拌反应2.5h，随后再加入6g苯酚，搅拌25min，待苯酚全部溶解后，向烧瓶中通入250mL甲醛，搅拌反应2.5h，反应结束，向反应物中加入150mL石油醚，搅拌25min，静置分层，收集有机层，将有机层于95℃蒸馏2.5h，得到有机硅改性酚醛树脂；将上述有机硅改性酚醛树脂加入到烧杯中，再加入上述步骤备用的混合液，搅拌均匀后，再加入0.2g偶联剂KH-550、7g硼粉和10g缩合磷酸铝，搅拌35min，得到粘结剂，备用；再称取15g碳化硅、7g碳化铬、7g碳化钨、4g石墨烯和10g镍粉加入到粉碎机中进行粉碎，过150目筛，得到混合粉末，将混合粉末加入到烧杯中，再加入55mL质量分数为20%磷酸二氢铝溶液，搅拌8min，得到填料；最后按重量份数计，称取55份上述填料、25份上述步骤备用的粘结剂、7份N,N-二苯基-对苯二胺、4份羧甲基纤维素和4份聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚，加入到搅拌机中，搅拌15min后，得到涂料，用丙酮清洗待涂覆模具表面并晾干，将涂料用喷枪均匀喷涂于模具表面，控制涂覆厚度为0.7mm，将涂覆后的模具置于烘箱中，在290℃固化45min，随后将模具取出并自然冷却至室温，得到模具材料耐热涂层。
经实例检测，本发明制得的耐热涂层能耐1000℃高温，且在高温环境下连续使用22h，涂层表面未出现开裂、剥落现象，涂层附着力达0级，涂层使用寿命延长了2年，且涂覆本发明耐热涂层后的模具材料使用寿命较原先延长了2.5年。
实例3
首先称取8g氧化硅、10g高岭土、20g硅酸钠和5g氧化铝，加入到球磨机中球磨3h，过200目筛，得到混合粉末，将混合粉末加入到烧杯中，再加入200mL去离子水和8g聚乙烯吡咯烷酮，搅拌30min，得到混合液，备用；随后称取10g甲基硅树脂加入到带有温度计和回流装置的三口烧瓶中，将烧瓶置于水浴锅中，升温至100℃，再加入200mL质量分数为20%氢氧化钠溶液，搅拌反应3h，随后再加入7g苯酚，搅拌30min，待苯酚全部溶解后，向烧瓶中通入300mL甲醛，搅拌反应3h，反应结束，向反应物中加入200mL石油醚，搅拌30min，静置分层，收集有机层，将有机层于100℃蒸馏3h，得到有机硅改性酚醛树脂；将上述有机硅改性酚醛树脂加入到烧杯中，再加入上述步骤备用的混合液，搅拌均匀后，再加入0.3g偶联剂KH-550、8g硼粉和12g缩合磷酸铝，搅拌40min，得到粘结剂，备用；再称取20g碳化硅、8g碳化铬、8g碳化钨、5g石墨烯和12g镍粉加入到粉碎机中进行粉碎，过200目筛，得到混合粉末，将混合粉末加入到烧杯中，再加入60mL质量分数为20%磷酸二氢铝溶液，搅拌10min，得到填料；最后按重量份数计，称取60份上述填料、30份上述步骤备用的粘结剂、8份N,N-二苯基-对苯二胺、5份羧甲基纤维素和5份聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚，加入到搅拌机中，搅拌20min后，得到涂料，用丙酮清洗待涂覆模具表面并晾干，将涂料用喷枪均匀喷涂于模具表面，控制涂覆厚度为0.8mm，将涂覆后的模具置于烘箱中，在300℃固化50min，随后将模具取出并自然冷却至室温，得到模具材料耐热涂层。
经实例检测，本发明制得的耐热涂层能耐1200℃高温，且在高温环境下连续使用28h，涂层表面未出现开裂、剥落现象，涂层附着力达0级，涂层使用寿命延长了3年，且涂覆本发明耐热涂层后的模具材料使用寿命较原先延长了3年。