CN105506625B - 一种基于模具基体工作表面的防护涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于模具基体工作表面的防护涂层的制备方法。该方法包括：1)在模具基体的工作表面喷涂第一涂料以形成硬质耐磨涂层；2)在硬质耐磨涂层的表面制备向内凹陷的微结构；3)在硬质涂层的表面喷涂第二涂料以形成润滑涂层，完成基于模具基体工作表面防护涂层的制备。该方法能够在模具基体的工作表面制备一种具有高结合强度、高耐磨、高润滑的防护涂层，不仅解决了传统硬质耐磨层和润滑涂层之间界面结合强度低的问题，而且延长了模具的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于模具基体工作表面的防护涂层的制备方法，属于模具防护技术领域。
背景技术
模具在加工工件过程中，承受较大的摩擦力、变形压缩力和拉伸力，同时需要较快的加工速度保证成品率，而快速的摩擦容易导致模具局部磨损加剧，产生热效应，上述复杂恶劣工况均对模具寿命产生消极影响，致使其寿命降低，就失效因素来说，涉及到模具总体及其零部件的结构设计，材料选择与使用，模具装配、使用、维护、保养等。就失效的外因而言，与工作条件密切相关，包括：应力状况、载荷性质、模具温度、环境介质、摩擦条件。主要的失效方式有过载失效、磨损失效和疲劳失效等形式，其中大约有85％的冲模失效为磨损失效。主要原因是模具在使用过程中零部件之间或模具与工件之间快速的相对运动受摩擦、振动或高温、疲劳，龟裂剥落而磨损，甚至损坏。而影响磨损的因素主要是模具的表面粗糙度、硬度、模具与工件的摩擦系数、摩擦状况、受力情况、润滑状况等，因此改善模具的主要方式为通过涂层制备改善其表面耐磨、润滑状况。
模具防护涂层是通过涂层技术在模具表面形成强化涂层，在保证模具基体性能不下降的前提下对各类模具型腔的刃口、冲头、型腔的表面进行强化，此外还可以对模具的损伤表面进行修复或对已磨损的表面进行再沉积。目前涂层材料的组成方面，氧化物有氧化铬、氧化铝、氧化钛等，碳化物有碳化铬、碳化钨、碳化钛以及它们和金属的复合物，氮化物有氮化钛、氮化硅等，以及铁基、镍基、钴基材料或在这些涂层材料中加入WC、A12O3、Cr2O3、ZnO等陶瓷颗粒获得复合涂层，可显著提高其抗磨料磨损性能，同时可以增大或改变摩擦副间的物理、化学及晶体结构的差异和性质，从而提高其抗粘着磨损性能；另外,钼类涂层润滑性高，具有优异的耐粘着磨损性能；钴基自熔合金、Ni/A1以及陶瓷涂层可以提高耐热磨损性能；Ni基自熔合金、自熔合金加铜粉、不锈钢、超细A12O3、Cr2O3、WC复合涂层可以显著提高零件的耐冲蚀磨损和耐气蚀磨损能。
模具防护涂层的制备可采用气相沉积技术、喷涂、复合电刷镀技术、高能束技术、改性技术等，而最为常见的为物理气相沉积及喷涂方式，其中气相沉积技术沉积涂层可在较低温度下进行，不改变传统的制造工艺，但是镀层厚度一般较低，仅有2-3μm厚，与基体的结合强度较差，涂层含有较高的残余应力，在高载、高速下易发生脆性开裂和剥落，难应用于恶劣工况下的模具防护，同时该类涂层的制备限制于气相沉积的制备特点：低沉积速率、真空环境及沉积绕射性不强，对大型模具、复杂型面难以进行加工，特别是过大的残余应力对涂层硬度和结合强度等力学性能产生较大的影响，如罗成等人在Cr12MoV表面的TiB2涂层[罗成,董仕杰,熊翔等.Cr12MoV钢表面电火花沉积TiB2涂层特性研究[J].模具工业,2009,35(3):63-67]及Samir K等人在TiALN涂层在加工AISI4140钢的相关研究[SamirK.Khrais,Y.J.Lin.Wear mechanisms and tool performance of TiAlN PVD coatedinserts during machining of AiSi 4140steel[J].wear262(2007):64-69]均发现有此问题。而喷涂涂层则是比较理想的解决方法，几乎适合于各种材料的沉积、工艺简单、效率高、厚度厚、尺寸大小及形状不受限制、成本低、经济效益显著。然而在高速冲压过程中(250-400m/s)，采用单一喷涂硬质涂层虽可有效地提高涂层表面硬度、提高承载能力，但其润滑性不足，较高的摩擦系数将导致工件表面温度升高、黏连及划痕的出现，如王振京，李伟等人在冲压模具上进行的喷涂涂层相关研究中发现(详细请参考文献[王振京,等离子喷涂复合陶瓷材料在冷压模具上应用的研究[学位论文]，河北工业大学，2006]、[李伟,超音速火焰喷涂修复冷却冲压模具的应用基础研究[学位论文]，华中科技大学，2009])，涂层结合强度及摩擦系数明显存在不足，难以达到长效润滑的作用；而单一喷涂润滑涂层虽然可以提高模具表面润滑状态，但其硬度不足，在高载条件下易于开裂剥落；而将硬质涂层与润滑层复合沉积，虽从结构上解决了硬度、承载、润滑问题，但在硬质层与润滑层间界面存在结合强度低的问题、同时由于润滑层、硬质层相互独立，因此使用效果差。
目前，国内外对于喷涂模具防护涂层的研究仍局限于调控涂层组分、组织结构、厚度等提高涂层的性能；同时通过复合结构或梯度结构的设计形成润滑与耐磨层的结合，一定程度改善涂层的润滑耐磨结构，但是仍然存在许多缺点与不足：①涂层的耐磨、润滑效果还有待于进一步提高；②在耐磨层上直接喷涂润滑层过程层间界面结合强度不足，易发生剥落；③涂层在重复使用过程中产生磨屑，与硬质的涂层表面反复作用，影响工件加工过程的润滑性，同时破坏模具表面，加速磨损破坏。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于模具基体工作表面的防护涂层的制备方法，该方法能够在模具基体的工作表面制备一种具有高结合强度、高耐磨、高润滑的防护涂层，不仅解决了传统硬质层和润滑层间界面结合强度低的问题，而且延长了模具的寿命。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于模具基体工作表面的防护涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、在模具基体的工作表面喷涂第一涂料以形成硬质耐磨涂层；
步骤二、在所述硬质耐磨涂层的表面向内凹陷的微结构；
步骤三、在所述硬质耐磨涂层的表面喷涂第二涂料以形成润滑涂层，完成基于模具基体工作表面防护涂层的制备。
本发明提供的技术方案将涂层设计与微结构设计相结合，使润滑涂层与硬质耐磨层之间的界面形成向内凹陷微结构(微孔或微沟槽)，从而有效解决了传统将硬质耐磨涂层与润滑涂层复合沉积时，两者之间的界面结合强度低，耐磨性、润滑性不足的问题，提高了防护涂层的使用效果及寿命。
在上述方法中，优选地，在步骤二中，所述向内凹陷的微结构包括微孔或微沟槽；更优选地，所述向内凹陷的微结构在硬质耐磨涂层的表面形成周期性的阵列；进一步优选地，在周期性的阵列中，所述向内凹陷的微结构在行列方向均是平行。
在上述方法中，优选地，所述相邻的两个向内凹陷的微结构之间的距离在实际操作中是可以调节的，优选为100μm-1mm。
这些向内凹陷的微结构对润滑涂层具有钉扎作用，能够调控润滑涂层与硬质耐磨层之间的结合状态，提高结合强度。
在上述方法中，优选地，在周期性的阵列中，所述微孔在行列方向均是平行的。所述微孔的形状包括圆柱形或方柱形，但不限于此。
在上述方法中，优选地，在步骤二中，所述向内凹陷的微结构在硬质耐磨涂层表面的凹陷深度小于硬质耐磨涂层的厚度。
在上述方法中，优选地，所述微孔的孔径、微沟槽的槽宽以及微沟槽的长度均没有特别限制，在实际操作过程中可以进行调节。
在上述方法中，优选地，所述硬质耐磨涂层的厚度为100-500μm；更优选地，所述润滑涂层的厚度为100-500μm。
在上述方法中，优选地，在步骤二中，采用激光打孔或扫描的的方式在硬质耐磨涂层的表面制备向内凹陷的微结构；更优选地，所述激光为纳秒激光或超快激光，激光参数可以根据加工设备、微结构的加工要求进行调整，其中，纳秒激光参数的参考值为功率为40W，扫描速度为50mm/min，光斑大小为150微米，频率为5Hz。
在上述方法中，优选地，在步骤三中，在硬质涂层的表面喷涂第二涂料时，确保第二涂料将微结构(微孔或微沟槽)的内部填满。由于微结构的内部存储了润滑相，因而在润滑涂层消耗完毕后，仍可在工件与模具的接触过程中从微结构的内部释放出润滑涂成分，降低工件和模具之间的摩擦系数，保持润滑性；同时由于润滑涂层的硬度较低，对于磨损产生的磨屑可以在滑动过程中收集及存储在微结构的内部，避免模具与工件的接触面磨损行为的增加。
在上述方法中，优选地，在步骤一中，所述第一涂料的原料组成包括金属氧化物或金属碳化物，但不限于此，本领域中的陶瓷类喷涂涂层的材料均可用于本发明；其中，所述金属氧化物包括氧化铬、氧化铝、氧化钛中的一种或几种的组合；所述金属碳化物包括碳化铬、碳化钨、碳化钛中的一种或几种的组合；更优选地，所述第一涂料的原料组成包括氧化铝或碳化硅。喷涂方式没有特别限定，可以为热喷涂或超音速火焰喷涂。
在上述方法中，优选地，在步骤三中，所述润滑涂层的组成包括硫化钼或CuNiIn，但不限于此。
本发明的有益效果：
1)与传统单一结构的涂层相比，本发明提供的防护涂层由于具有多层结构(含有润滑涂层和硬质耐磨层)，涂层自身的耐磨性和润滑性更好，能够实现对模具工件间磨损、黏连等作用的有效保护，延长模具的使用寿命。
2)本发明提供的技术方案在硬质耐磨层的表面进行了微结构加工，这些微结构的存在提高了润滑涂层在硬质耐磨层上的结合力，从而使涂层整体的结合强度得到了提高。
3)硬质耐磨层表面的微结构还起了缓释与容纳的作用；一方面，微结构中存储的润滑剂可以在润滑涂层消耗完毕后进一步释放出来，对接触表面进行润滑，保持涂层的润滑性及耐磨性；另一方面，摩擦过程中产生的磨屑会被收集到这些微结构中，从而在摩擦过程中能够保持接触面无杂质，防止对接触面的进一步损害。
4)本发明提供的技术方案将结构设计与涂层设计相结合，采用硬质耐磨涂层、润滑涂层与微结构相结合的方式制备防护涂层，操作简单方便，实用性强，可放大生产，填补了国内外模具防护涂层的市场空白，具有巨大的军事及商业应用加价值。
附图说明
图1为防护涂层的制备示意图；
图2为硬质耐磨涂层的制备示意图；
图3为硬质耐磨涂层上微孔或微沟槽的加工示意图；其中，微孔的孔径或微沟槽的槽宽为a，相邻两个微孔或微沟槽之间的距离为b，微孔或微沟槽的深度为d；
图4为润滑涂层的加工示意图；
图5为本发明提供的防护涂层与传统涂层之间的作用比较分析图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本发明提供了一种基于模具基体工作表面的防护涂层，该图层的制备流程如图1所示，其包括以下步骤：
1)零件的清洗
将待加工的基材置于丙酮溶液中，然后放入超声波清洗试验机中进行超声清洗，清洗时间为30min；完成超声清洗后，用吹风机将基材吹干后置于酒精溶液中，再次进行超声波清洗，清洗时间为30min，最后用吹风机将基材吹干。
2)硬质耐磨涂层的制备
将基材放于喷涂车间中，在喷涂填料口填充适量SiC的粉末，采用低温等离子喷涂技术进行喷涂(如图2所示)，喷涂过程中通过调节喷涂工艺参数在基材的工作表面制备厚度为200μm的硬质耐磨涂层。
3)硬质耐磨涂层表面微结构的制备
采用激光打孔的方式在硬质耐磨涂层的表面制备不同形状、间距及深度的微孔或微沟槽，调整激光加工的功率密度、脉冲宽度及扫描次数、速度进行工艺控制，使微孔或微沟槽在硬质耐磨涂层的表面排成周期性的阵列(如图3所示)，图中微孔的孔径或微沟槽的槽宽为a，相邻两个微孔或微沟槽之间的距离为b(b的取值在100μm-1mm之间)，微孔或微沟槽的深度为d(d的取值小于硬质耐磨涂层的厚度)。
4)界面清理
对加工后的硬质耐磨涂层的表面进行超声清洗，并通过离子束轰击及其他后处理方式对激光加工后产生的缺陷及污染物进行去除。
5)润滑涂层的制备
将基材放于喷涂车间中，更换喷涂粉末，将MoS2粉末放入喷涂料口，通过调整喷涂的距离、喷枪的速度进行润滑涂层的制备(该润滑涂层的厚度为200μm，如图4所示)，制备过程中首先对微孔或微沟槽进行填充，随后在硬质耐磨涂层的表面制备厚度为200μm的润滑涂层，完成防护涂层的制备。
实施例2
本实施例提供了一种基于模具基体工作表面的防护涂层，该图层的制备流程如图1所示，其包括以下步骤：
1)零件的清洗
将待加工的基材置于丙酮溶液中，然后放入超声波清洗试验机中进行超声清洗，清洗时间为30min；完成超声清洗后，用吹风机将基材吹干后置于酒精溶液中，再次进行超声清洗，清洗时间为30min，最后用吹风机将基材吹干。
2)硬质耐磨涂层的制备
将基材放于喷涂车间中，在喷涂填料口填充适量氧化铝的粉末，采用低温等离子喷涂技术进行喷涂，喷涂过程中通过调节喷涂工艺参数使基材的工作表面获得厚度为200μm的硬质耐磨涂层。
3)微结构的制备
采用激光打孔的方式在硬质耐磨涂层的表面制备不同形状、间距及深度的微孔或微沟槽，调整激光加工的功率密度、脉冲宽度及扫描次数、速度进行工艺控制，使微孔或微沟槽在硬质耐磨涂层的表面排成周期性的阵列。
4)界面清理
对加工后的硬质耐磨涂层的表面进行超声清洗，并通过离子束轰击及其他后处理方式对激光加工后产生的缺陷及污染物进行去除。
5)润滑涂层的制备
将基材放于喷涂车间中，更换喷涂粉末，将MoS2粉末放入喷涂料口，通过调整喷涂的距离、喷枪的速度进行润滑涂层的制备(该润滑涂层的厚度为200μm)，制备过程中首先对微孔或微沟槽进行填充，随后在硬质耐磨涂层的表面制备厚度为200μm的润滑涂层，完成防护涂层的制备。
将本发明提供的防护涂层与传统的硬质或润滑涂层进行作用比较，如图5所示，从图中可以看出：传统的硬质涂层，由于涂层中没有微结构，因而涂层在使用过程中摩擦系数较高，易于产生磨屑；而传统润滑涂层在使用过程中则在界面处易于形成分层，导致涂层失效脱落；这些磨屑都很容易与涂层表面反复作用，影响工件加工过程中的润滑性，同时破坏模具表面，加速磨损破坏；
本发明提供的防护涂层，其硬质耐磨涂层与润滑涂层连接的界面存在向内凹陷的微结构(微孔或微沟槽)，该微结构中及硬质耐磨涂层表面均存储有润滑涂层，因此一方面在润滑涂层和硬质耐磨层之间形成了有效的连接，提高了润滑涂层结合强度，减少了分层脱落的可能性；另一方面当最外面的润滑涂层消耗完毕后，这些微结构仍可以释放出润滑涂层成分，以降低工件与模具之间的摩擦系数，保持润滑性。由此可见，本发明提供的防护涂层较传统涂层具有更好的耐磨性和润滑性，且涂层各部分的结合牢度更强。
Claims (8)
1.一种基于模具基体工作表面的防护涂层的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一、在模具基体的工作表面喷涂第一涂料以形成硬质耐磨涂层；
步骤二、在所述硬质耐磨涂层的表面制备向内凹陷的微结构；
步骤三、在所述硬质耐磨涂层的表面喷涂第二涂料以形成润滑涂层，完成基于模具基体工作表面防护涂层的制备；其中，
在步骤一中，所述第一涂料的原料组成包括金属氧化物或金属碳化物；所述金属氧化物包括氧化铬、氧化铝、氧化钛中的一种或几种的组合；所述金属碳化物包括碳化铬、碳化钨、碳化钛中的一种或几种的组合；所述硬质耐磨涂层的厚度为100-500μm；
在步骤二中，所述向内凹陷的微结构在硬质耐磨涂层表面的凹陷深度小于硬质耐磨涂层的厚度；
在步骤三中，在硬质涂层的表面喷涂第二涂料时，确保第二涂料将微结构的内部填满，所述润滑涂层的厚度为100-500μm，所述第二涂料的原料组成包括硫化钼或CuNiIn。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：在步骤二中，所述向内凹陷的微结构包括微孔或微沟槽。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：所述向内凹陷的微结构在硬质耐磨涂层的表面形成周期性的阵列。
4.根据权利要求3所述的方法，其中：在周期性的阵列中，所述向内凹陷的微结构在行列方向均是平行。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其中：所述相邻的两个向内凹陷的微结构之间的距离为100μm-1mm。
6.根据权利要求2所述的方法，其中：在步骤二中，所述微孔的形状包括圆柱形或方柱形。
7.根据权利要求1所述的方法，其中：在步骤二中，采用激光打孔或扫描的方式在硬质耐磨涂层的表面制备向内凹陷的微结构。
8.根据权利要求1所述的方法，其中：所述第一涂料的原料组成包括氧化铝或碳化硅。
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Address after: 100024 North East military villa, eight Li bridge, Chaoyang District, Beijing Patentee after: China Institute of Aeronautical Manufacturing Technology Address before: 100024 North East military villa, eight Li bridge, Chaoyang District, Beijing Patentee before: Beijing Aviation Manufacturing Engineering Institute of China Aviation Industry Group Company |
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