专利名称：铝合金压铸模具及在其内腔表面形成防护涂层的制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铝合金压铸模具及在其内腔表面形成防护涂层的制备工艺。
背景技术：
压铸是一种利用高压强制将金属熔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铸造法。铸造铝合金具有低密度、高强度、成型性好、耐腐蚀等优点， 铝合金压铸技术的应用提高了材料利用率，同时能以低成本、高速度和高精度压铸出形状复杂和表面质量好的零部件。压铸模具作为压铸生产的关键装备，其性能的优劣将直接影响铝合金压铸件的质量和成本。目前应用最为广泛的铝合金压铸模具材料为热作模具钢。 铝合金压铸模具的使用条件非常恶劣，不仅由于直接接触熔融铝合金而面临严重的腐蚀， 而且由于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。因此，铝合金压铸模具最常见的失效形式是腐蚀和疲劳裂纹。虽然通过合金成分调整可在一定程度上提高目前应用最为广泛的热作模具钢制铝合金压铸模具的性能，但其性能仍有待进一步提升。若对铝合金压铸模具进行适当的表面处理，可大幅度提高模具的耐腐蚀性能和耐热疲劳性能，从而提高模具的质量和使用寿命。热作模具钢渗硼处理后可显著提高其在熔融铝合金中的耐腐蚀性能，但由于渗硼层自身脆性较大、结构不够致密以及渗层较薄，在使用过程中易发生涂层失效。氮化处理也可显著提高热作模具钢的耐蚀性能和耐热疲劳性能，但也存在上述问题。物理气相沉积和热喷涂也是较为常用的在热作模具钢表面制备氮化物和硼化物金属陶瓷涂层的技术，但所制备涂层的结合强度仍有待进一步提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为解决现有的铝合金压铸模具耐腐蚀性能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，本发明提供一种铝合金压铸模具及在其内腔表面形成防护涂层的制备工艺，其压铸模具的内腔表面具有采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以ZrB2+Co粉末为熔覆材料，制备的与压铸模具的内腔表面呈冶金结合的ZrB2复合涂层。ZrB2复合涂层具有优异的耐腐蚀性能、耐热疲劳性能和耐磨性能，且与热作模具钢制作的压铸模具内腔表面呈冶金结合；能有效提高铝合金压铸模具的使用寿命。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种铝合金压铸模具，由热作模具钢材料制作而成，压铸模具的内腔表面具有防护涂层，所述的防护涂层为采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以ZrB2+Co粉末为熔覆材料，制备的与压铸模具的内腔表面呈冶金结合的ZrB2复合涂层。激光熔覆是一种新的表面改性技术，通过在基体表面添加熔覆材料并利用高功率密度的激光束使之与基体表面薄层一起熔凝的方法，在基体表面形成与其为冶金结合且无气孔、裂纹等缺陷的高性能表面涂层。该技术可以将高熔点的合金材料或陶瓷材料熔覆在低熔点的基体表面，以较低的成本在基体上制备出高性能的表面涂层。激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好等特点。而且激光熔覆的快速熔凝过程还可以获得微米或纳米晶结构涂层。激光熔覆工件前处理工艺简单，且熔覆不需要在真空环境下进行，工件尺寸基本不受限制，可以用于加工复杂表面或者大尺寸模具。现有技术中激光熔覆技术主要用于对金属零件表面修复、耐磨和耐蚀性能的提高，其常用材料主要有三类自熔性合金粉末，可分为镍基、钴基和铁基自熔合金，其主要特点是含有硼和硅；金属陶瓷复合粉末，由金属陶瓷硬质相和金属或合金粘结相组成，主要有(Co、Ni)-WC和(NiCr、NiCrADCr3C2等系列，具有很高的硬度和良好的耐磨性；氧化物陶瓷粉末，具有优良的抗高温隔热、耐磨、耐蚀等性能。熔覆材料的选择重点在于与基体材料的相容性方面，同时兼顾其在熔融铝液中的耐蚀性能。本发明的发明人通过不断探索，大胆创新，采用ZrB2+Co粉末作为熔覆材料， ZrB2陶瓷具有高熔点、高强度、高硬度、高化学稳定性，良好的导电、导热、耐蚀性能，以及优异的耐熔融金属腐蚀的性能；同时加入金属钴作为粘结剂以提高ZrB2材料的熔覆性能并缩小ZrB2复合涂层与基体的热膨胀差异提高涂层的结合强度。为使防护涂层具有理想的耐腐蚀性能、耐磨损性能和耐热疲劳性能，且与基体结合强度最佳，作为优选，所述的ZrB2复合涂层的厚度为O. f 2mm。所述的熔覆材料的成分为重量百分比，5 20%Co，余量ZrB2，粒度200 500目，激光熔覆前采用球磨机充分混合均匀。适量的Co可以提高ZrB2材料的熔覆性能并缩小ZrB2复合涂层与基体的热膨胀差异提高涂层的结合强度，同时过高的Co含量会影响涂层的耐磨损性能，影响涂层的使用寿命。熔覆材料粉末粒度太细易发生团聚，熔覆过程中熔池内流动性差不易于成型；粉末粒度太粗熔覆过程中流动性较差，熔覆形成的涂层容易存在裂纹、孔洞等缺陷。在铝合金压铸模具内腔表面形成防护涂层的制备工艺，其步骤为
1)铝合金压铸模具内腔预处理
将加工好的热作模具钢材料的压铸模具的内腔表面用砂纸打磨后，进行除油清洗，然后吹干备用；
2)激光熔覆
采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以ZrB2+Co粉末为熔覆材料，压铸模具为基体，在所述压铸模具的内腔表面形成与基体表面呈冶金结合的，且具有与基体完全不同成分的ZrB2复合涂层。为达到良好的除油清洗效果，所述的除油是将压铸模具放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗，然后用去离子水冲洗，超声除油时间为:T5min。所述激光熔覆参数为激光功率100(T2500W、光斑直径Φ2-4πιπι、光斑移动速度 5^20mm/s ;所述激光熔覆过程采用侧吹12 18L/min氩气对熔覆区域进行保护。由于涂层材料与金属基体之间的热膨胀系数等物理性能差别很大，使涂层与金属基体之间的匹配性不好，熔覆层易产生裂纹等缺陷，严重影响熔覆层的质量。为了获得具有特定宏观力学、微观组织结构的均匀致密的涂层，必须根据粉末种类、数量和粒度的不同，选择合适的激光熔覆工艺参数。激光熔覆工艺参数主要包括激光功率、光斑直径、激光扫描速度、熔覆材料的添加方式等。功率密度的增加、扫描速度减小、熔覆层平整度增加、开裂倾向减少。但功率过大，扫描速度太慢，会造成熔覆层合金烧损，稀释率增加，热影响区增大。激光熔覆层宽度主要由光斑尺寸决定。熔覆材料化学成分对熔覆层质量影响最大、最复杂。一般情况下，碳、硼含量高，熔覆层硬度高、开裂倾向大；镍、钴含量高，开裂倾向小。硅、硼含量高，熔覆层平整度高。因此，只有各工艺参数之间实现良好的搭配，才能获得符合实际性能要求的涂层。本发明的发明人在综合考虑金属基体材料、涂层材料及其性能要求等因数，结合激光熔覆的工艺特点，经过前期的理论设计和后续大量的实验研究，采用上述工艺制备的涂层组织细小、不存在缺陷且与基体呈冶金结合，涂层显微硬度值在HV2500左右，可提高模具寿命3-5 倍以上。本发明的有益效果是，本发明的铝合金压铸模具的内腔表面具有采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以ZrB2+Co粉末为熔覆材料，制备的与压铸模具的内腔表面呈冶金结合的ZrB2复合涂层，ZrB2复合涂层具有优异的耐腐蚀性能、耐热疲劳性能和耐磨性能， 且与热作模具钢制作的压铸模具内腔表面呈冶金结合；能有效提高铝合金压铸模具的使用寿命。本发明的铝合金压铸模具防护涂层的制备工艺，具有生产设备及工艺简单的优点，且熔覆不需要在真空环境下进行，工件尺寸基本不受限制，因此可以用于加工复杂表面或者大尺寸模具。制备的涂层组织细小、不存在缺陷且与基体呈冶金结合，涂层显微硬度值在 HV2500左右，可提高模具寿命3-5倍以上。
具体实施例方式实施例I :
一种铝合金压铸模具，由热作模具钢材料制作而成，压铸模具的内腔表面具有防护涂层，所述的防护涂层为采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以ZrB2+Co粉末为熔覆材料，制备的与压铸模具的内腔表面呈冶金结合的ZrB2复合涂层。ZrB2复合涂层的厚度为
0.1mm。熔覆材料的成分为重量百分比，5%Co，余量ZrB2，粒度200目，激光熔覆前采用球磨机充分混合均匀。该铝合金压铸模具内腔形成防护涂层的制备工艺，其工艺步骤为
I)压铸模具内腔预处理将加工好的热作模具钢材料的压铸模具的内腔表面分别用 400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨，将压铸模具放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗，超声辅助除油时间为3飞min，然后用去离子水冲洗，吹干备用。2)激光熔覆采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以ZrB2+Co粉末为熔覆材料，熔覆材料的成分为重量百分比，5%Co，余量ZrB2，粒度200目，激光熔覆前采用球磨机充分混合均匀。压铸模具为基体，在所述压铸模具的内腔表面形成与基体表面呈冶金结合的， 且具有与基体完全不同成分的厚度在0. Imm的ZrB2复合涂层。激光熔覆参数为激光功率 1000W、光斑直径0 2臟、光斑移动速度20臟/8。且激光熔覆过程采用侧吹12 18L/min氩气对熔覆区域进行保护。实施例2:
一种铝合金压铸模具，由热作模具钢材料制作而成，压铸模具的内腔表面具有防护涂层，所述的防护涂层为采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以ZrB2+Co粉末为熔覆材料，制备的与压铸模具的内腔表面呈冶金结合的ZrB2复合涂层。ZrB2复合涂层的厚度为
0.5mm。熔覆材料的成分为重量百分比，10%Co，余量ZrB2，粒度200目，激光熔覆前采用球磨机充分混合均匀。
该铝合金压铸模具内腔形成防护涂层的制备工艺，其工艺步骤为
O压铸模具内腔预处理将加工好的热作模具钢材料的压铸模具的内腔表面分别用 400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨，将压铸模具放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗，超声辅助除油时间为3飞min，然后用去离子水冲洗，吹干备用。2)激光熔覆采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以ZrB2+Co粉末为熔覆材料，熔覆材料的成分为重量百分比，10%Co，余量ZrB2，粒度200目，激光熔覆前采用球磨机充分混合均匀。压铸模具为基体，在所述压铸模具的内腔表面形成与基体表面呈冶金结合的， 且具有与基体完全不同成分的厚度在O. 5mm的ZrB2复合涂层。激光熔覆参数为激光功率 1500W、光斑直径Φ4πιπι、光斑移动速度15mm/s。且激光熔覆过程采用侧吹12 18L/min氩气对熔覆区域进行保护。实施例3:
一种铝合金压铸模具，由热作模具钢材料制作而成，压铸模具的内腔表面具有防护涂层，所述的防护涂层为采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以ZrB2+Co粉末为熔覆材料，制备的与压铸模具的内腔表面呈冶金结合的ZrB2复合涂层。ZrB2复合涂层的厚度为 1.5mm。熔覆材料的成分为重量百分比，15%Co，余量ZrB2，粒度300目，激光熔覆前采用球磨机充分混合均匀。该铝合金压铸模具内腔形成防护涂层的制备工艺，其工艺步骤为
I)压铸模具预处理将加工好的热作模具钢材料的压铸模具的内腔表面分别用400#、 600#、1000#的砂纸逐级打磨，将压铸模具放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗，超声辅助除油时间为:T5min，然后用去离子水冲洗，吹干备用。2)激光熔覆采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以ZrB2+Co粉末为熔覆材料，熔覆材料的成分为重量百分比，15%Co，余量ZrB2，粒度300目，激光熔覆前采用球磨机充分混合均匀。压铸模具为基体，在所述压铸模具的内腔表面形成与基体表面呈冶金结合的， 且具有与基体完全不同成分的厚度在I. 5mm的ZrB2复合涂层。激光熔覆参数为激光功率 2000W、光斑直径Φ3πιπι、光斑移动速度10mm/s。且激光熔覆过程采用侧吹12 18L/min氩气对熔覆区域进行保护。实施例4
一种铝合金压铸模具，由热作模具钢材料制作而成，压铸模具的内腔表面具有防护涂层，所述的防护涂层为采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以ZrB2+Co粉末为熔覆材料，制备的与压铸模具的内腔表面呈冶金结合的ZrB2复合涂层。ZrB2复合涂层的厚度为 2mm。熔覆材料的成分为重量百分比，20%Co，余量ZrB2，粒度500目，激光熔覆前采用球磨机充分混合均匀。该铝合金压铸模具内腔形成防护涂层的制备工艺，其工艺步骤为
I)压铸模具预处理将加工好的热作模具钢材料的压铸模具的内腔表面分别用400#、 600#、1000#的砂纸逐级打磨，将压铸模具放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗，超声辅助除油时间为:T5min，然后用去离子水冲洗，吹干备用。2)激光熔覆采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以ZrB2+Co粉末为熔覆材料，熔覆材料的成分为重量百分比，20%Co，余量ZrB2,粒度500目，激光熔覆前采用球磨机充分混合均匀。压铸模具为基体，在所述压铸模具的内腔表面形成与基体表面呈冶金结合的，且具有与基体完全不同成分的厚度在2mm的ZrB2复合涂层。激光熔覆参数为激光功率2000W、光斑直径02mm、光斑移动速度10mm/s。且激光熔覆过程采用侧吹12 18L/min氩气对熔覆区域进行保护。
权利要求
1.一种铝合金压铸模具，由热作模具钢材料制作而成，其特征是所述压铸模具的内腔表面具有防护涂层，所述的防护涂层为采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以 ZrB2+Co粉末为熔覆材料，制备的与压铸模具的内腔表面呈冶金结合的ZrB2复合涂层。
2.根据权利要求I所述的铝合金压铸模具，其特征是所述的ZrB2复合涂层的厚度为O.1 2mm。
3.根据权利要求I所述的铝合金压铸模具，其特征是所述的熔覆材料的成分为重量百分比，5 20%Co，余量ZrB2，粒度20(Γ500目，激光熔覆前采用球磨机充分混合均匀。
4.一种在铝合金压铸模具内腔表面形成如权利要求I至3任一项所述防护涂层的制备工艺，其特征是工艺步骤为1)铝合金压铸模具内腔预处理将加工好的热作模具钢材料的压铸模具的内腔表面用砂纸打磨后，进行除油清洗，然后吹干备用；2)激光熔覆采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以ZrB2+Co粉末为熔覆材料，压铸模具为基体，在所述压铸模具的内腔表面形成与基体表面呈冶金结合的，且具有与基体完全不同成分的ZrB2复合涂层。
5.如权利要求4所述的在铝合金压铸模具内腔表面形成防护涂层的制备工艺，其特征是步骤I)中所述的除油采用超声除油，除油时间为3 5min。
6.如权利要求4所述的在铝合金压铸模具内腔表面形成防护涂层的制备工艺，其特征是步骤2)中所述激光熔覆参数为激光功率100(T2500W、光斑直径Φ2-4πιπι、光斑移动速度5 20mm/s。
7.如权利要求4所述的在铝合金压铸模具内腔表面形成防护涂层的制备工艺，其特征是所述激光熔覆过程采用侧吹12 18L/min氩气对熔覆区域进行保护。
全文摘要
本发明涉及一种铝合金压铸模具及其形成防护涂层的制备工艺。压铸模具的内腔表面具有采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以ZrB2+Co粉末为熔覆材料，制备的与压铸模具的内腔表面呈冶金结合的ZrB2复合涂层。铝合金压铸模具内腔形成防护涂层的制备工艺步骤为1)压铸模具预处理；2)激光熔覆。本发明具有优异的耐腐蚀性能、耐热疲劳性能和耐磨性能；本发明解决了现有的铝合金压铸模具耐腐蚀性能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。
文档编号C23C24/10GK102601340SQ20121012160
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月24日 优先权日2012年4月24日
发明者冯宗建 申请人:江苏泽金激光科技有限公司