CN108044079B - 一种高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具及其制备方法 - Google Patents

一种高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高强合金与耐热陶瓷压铸模具，包括模具基体和表面附着层两部分，表面附着层包含高强合金层和耐热陶瓷层；所述高强合金层的屈服临界应变值高于其加热过程中的热膨胀应变，或者高于其残余应变与其加热过程中热膨胀应变的代数和；所述耐热陶瓷层在低于800℃的工作环境下，能够保持室温状态下的强度、硬度及化学稳定性。制造步骤为：a去除氧化膜，清洗模具基体。b采用喷涂技术制备高强合金层。c制备耐热陶瓷层。d冷却。通过制备该种高强合金与耐热陶瓷叠层涂层保护模具在加工制造过程中的开裂及产生热裂纹，防止热应变导致的模具损坏，同时兼具较高的强度和耐磨性，涂层本身的导热差且抗应变能力强，极大的提高了模具的寿命。

Description

一种高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具及其制备方法
技术领域
本发明属于合金/陶瓷叠层涂层压铸模具及其制造技术领域，具体涉及一种高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具及其制备方法。
背景技术
在压铸生产中模具损坏最常见的形式是裂纹、开裂，启动是导致模具损坏的主要原因，热、机械、操作冲速都是产生应力之源，包括机械应力和热应力，应力产生于模具加工制造过程中。压铸的基本原理是在高压下将熔融金属逼进永久性模具中，在模具中它迅速地凝固成为预定形状的产品。
通过改善模具的设计和工序控制可以减少次品，极大提高了资源利用率，同时模具的寿命也可以为工业生产节约成本，提升竞争力，决定模具寿命的主要因素有模具材料的选取、模具加工及热处理、压铸生产过程的控制。虽然通过合金成分的调控可在一定程度上提高提高目前应用最为广泛的压铸模具的性能，但是其模具制造技术在防止模具裂纹、防止热应变、同时兼具较高的强度和耐磨性、抗应变能力上仍有待提高。
若对压铸模具进行适当的表面处理，可在一定程度上提高模具的抗热裂纹、抗热应变、耐磨性能，从而提高模具的质量和使用寿命。模具表面可通过渗硼、渗氮处理，处理后可以提高模具的耐磨性能，表面熔覆合金涂层能提高模具的抗热裂纹、抗热应变性能，可提高模具的耐热疲劳性能，但是由于渗硼层自身脆性较大、结构不致密以及渗层较薄，在使用过程中易发生涂层失效。熔覆合金涂层由于涂层容易产生气孔，涂层与基体的粘结强度不高，所以涂层与基体的结合强度及其抗热裂纹、抗热应变、耐磨性能有待进一步提高。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具及其制备方法，能够解决现有压铸模具中的抗热裂纹、抗热应变、耐磨性能不理想及其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：
一种高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具，包括模具基体和其上方的表面附着层，表面附着层由下至上依次为高强合金层和耐热陶瓷层；其中：
所述高强合金层的屈服临界应变值高于其加热过程中的热膨胀应变，或者高于其残余应变与其加热过程中热膨胀应变的代数和；
所述耐热陶瓷层在低于800℃的工作环境下，能够保持室温状态下的强度、硬度及化学稳定性。
优选地，所述高强合金层的临界屈服应变大于其加热过程中热膨胀应变的110%。
优选地，高强合金层为含有钨、铍青铜和钛合金中的一种或几种成分的合金涂层。
优选地，耐热陶瓷层为含有ZrO2、Al2O3、氮化铝、氮化硼、氮化硅、SiC、TiN、碳化钛、碳化硅、氧化铬、TiAlC、TiAlCN、氮化钛、氧化钛、ZrB2和碳化钨中的一种或多种成分的合金涂层。
优选地，高强合金层的厚度为0.5~5μm，耐热陶瓷层的厚度为100nm~2μm。
本发明还公开了一种高强合金与耐热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制备厚度为0.5~5μm的高强合金层，高强合金层的屈服临界应变值高于其加热过程中的热膨胀应变；
2）在制得的高强合金层表面制备厚度为100nm~2μm的耐热陶瓷层，且耐热陶瓷层采用的材料在低于800℃的工作环境下，能够保持室温状态下的强度、硬度及化学稳定性；
3）经冷却后制得高强合金与耐热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，制备高强合金层采用热喷涂法，火焰喷涂粒子的速度为40~100m/s，喷嘴到模具基体间的距离为100~250mm，喷涂的粉末直径为15~300μm。
优选地，步骤2）中，采用薄膜化学气相沉积法、薄膜物理气相沉积法或表面复合离子处理法制备耐热陶瓷层。
所述高强合金层为含有钨、铍青铜和钛合金中的一种或几种成分的合金涂层；
优选地，所述耐热陶瓷层为含有ZrO2、Al2O3、氮化铝、氮化硼、氮化硅、SiC、TiN、碳化钛、碳化硅、氧化铬、TiAlC、TiAlCN、氮化钛、氧化钛、ZrB2和碳化钨中的一种或多种成分的合金涂层。
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5-36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1，一种高强合金与耐热陶瓷叠层涂层：包括模具基体1和表面附着层2构成；其中，表面附着层由高强合金层21和耐热陶瓷层叠层22构成；其中，该高强合金层的屈服临界应变值高于其加热过程中的热膨胀应变，或者高于其残余应变与其加热过程中热膨胀应变的代数和，高强合金层为钨、铍青铜，其中钨的质量百分含量为40%，余量为铍青铜，其厚度为0.1um，高强合金层与模具基体间为机械结合，高强合金层的临界屈服应变大于加热过程中热膨胀应变的110%。该耐热陶瓷层为碳化硅陶瓷层，厚度为1000nm，通过薄膜化学气相沉积技术制备耐热陶瓷层，使得该模具在低于800℃的工作环境下都能保持室温状态下的强度，硬度和化学稳定性。
上述高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具的制造技术，其工艺步骤为：
a）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。
b）将清洗后的模具表面预处理，采用热喷涂技术制备屈服临界应变值高于其加热过程中的热膨胀应变的高强钨、铍青铜合金层，该高强合金层的厚度为0.1um，该热喷涂的参数为：火焰喷涂粒子的速度60m/s，喷嘴到基体间的距离为150mm，粉末直径为15~300um，高强合金层的临界屈服应变大于加热过程中热膨胀应变的110%。
c）采用薄膜化学气相沉积技术制备在低于800℃的工作环境下都能保持室温状态下的强度、硬度和化学稳定性的碳化钨耐热陶瓷层，工艺参数为：所选用的初始反应物为聚碳酸硅烷，温度350℃~800℃，压强为1.01×105Pa。
d）冷却至室温。
实施例2
一种高强合金与耐热陶瓷叠层涂层，包括模具基体和表面附着层构成；其中，表面附着层由高强合金层和耐热陶瓷层叠层构成；其中，该高强合金层的屈服临界应变值高于其加热过程中的热膨胀应变，或者高于其残余应变与其加热过程中热膨胀应变的代数和，高强合金层为钨、铍青铜合金，其中铈的质量百分含量为40%，余量为钽，其厚度为0.2um，高强合金层与模具基体间为机械结合，高强合金层的临界屈服应变大于加热过程中热膨胀应变的110%。该耐热陶瓷层为碳化钨陶瓷层，厚度为1500nm，通过薄膜化学气相沉积技术制备耐热陶瓷层，使得该模具在低于800℃的工作环境下都能保持室温状态下的强度，硬度和化学稳定性。
上述高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具的制造技术，其工艺步骤为：
a）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。
b）将清洗后的模具表面预处理，采用热喷涂技术制备屈服临界应变值高于其加热过程中的热膨胀应变的高强钽、铈合金层，该高强合金层的厚度为0.2um，该热喷涂的参数为：火焰喷涂粒子的速度70m/s，喷嘴到基体间的距离为180mm，粉末直径为15~300um，高强合金层的临界屈服应变大于加热过程中热膨胀应变的110%。
c）采用薄膜化学气相沉积技术制备在低于800℃的工作环境下都能保持室温状态下的强度、硬度和化学稳定性的碳化硅耐热陶瓷层，工艺参数为：所选用的初始反应物CH3SiCl3-H2，温度为800℃~1200℃，压强为1.013×105Pa。
d）冷却至室温。
实施例3：
一种高强合金与耐热陶瓷叠层涂层，包括模具基体和表面附着层构成；其中，表面附着层由高强合金层和耐热陶瓷层叠层构成；其中，该高强合金层的屈服临界应变值高于其加热过程中的热膨胀应变，或者高于其残余应变与其加热过程中热膨胀应变的代数和，高强合金层为钨、钛合金，其中钛的质量百分含量为50%，余量为钽，其厚度为0.1um，高强合金层与模具基体间为机械结合，高强合金层的临界屈服应变大于加热过程中热膨胀应变的110%。该耐热陶瓷层为ZrO2陶瓷层，厚度为1000nm，使用薄膜化学气相沉积技术制备耐热陶瓷层，使得模具在低于800℃的工作环境下都能保持室温状态下的强度，硬度和化学稳定性。
上述高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具的制造技术，其工艺步骤为：
a）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。
b）将清洗后的模具表面预处理，采用热喷涂技术制备屈服临界应变值高于其加热过程中的热膨胀应变的高强钨、钛合金层，该高强合金层的厚度为0.1um，该热喷涂的参数为：火焰喷涂粒子的速度60m/s，喷嘴到基体间的距离为150mm，粉末直径为15~300um，高强合金层的临界屈服应变大于加热过程中热膨胀应变的110%。
c）采用薄膜化学气相沉积技术制备在低于800℃的工作环境下都能保持室温状态下的强度、硬度和化学稳定性的ZrO2耐热陶瓷层，薄膜化学气相沉积技术，工艺参数为：初始反应物Zr-2，4戊二醇，温度为300℃~430℃，压强为1.01×105Pa。
d）冷却至室温。
实施例4：
一种高强合金与耐热陶瓷叠层涂层，包括模具基体和表面附着层构成；其中，表面附着层由高强合金层和耐热陶瓷层叠层构成；其中，该高强合金层的屈服临界应变值高于其加热过程中的热膨胀应变，或者高于其残余应变与其加热过程中热膨胀应变的代数和，高强合金层为钨、钛合金，其中铈的质量百分含量为50%，余量为钽，其厚度为0.2um，高强合金层与模具基体间为机械结合，高强合金层的临界屈服应变大于加热过程中热膨胀应变的110%。该耐热陶瓷层为碳化钨陶瓷层，厚度为1500nm，通过薄膜化学气相沉积技术制备耐热陶瓷层，使得该模具在低于800℃的工作环境下都能保持室温状态下的强度，硬度和化学稳定性。
上述高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具的制造技术，其工艺步骤为：
a）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。
b）将清洗后的模具表面预处理，采用热喷涂技术制备屈服临界应变值高于其加热过程中的热膨胀应变的高强钽、钛合金层，该高强合金层的厚度为0.2um，该热喷涂的参数为：火焰喷涂粒子的速度70m/s，喷嘴到基体间的距离为180mm，粉末直径为15~300um，高强合金层的临界屈服应变大于加热过程中热膨胀应变的110%。
c）采用薄膜化学气相沉积技术制备在低于800℃的工作环境下都能保持室温状态下的强度、硬度和化学稳定性的ZrO2耐热陶瓷层，薄膜化学气相沉积技术，工艺参数为：初始反应物为Zr(C3H7O)2，温度<450℃，工作室内压力为1.013×105Pa。
d）冷却至室温。

Claims (8)

1.一种高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具，其特征在于，包括模具基体(1)和其上方的表面附着层(2)，表面附着层(2)由下至上依次为高强合金层(21)和耐热陶瓷层(22)；其中：
所述高强合金层(21)的屈服临界应变值高于其加热过程中的热膨胀应变，或者高于其残余应变与其加热过程中热膨胀应变的代数和；
所述高强合金层(21)的厚度为0.1μm或0.2μm，耐热陶瓷层(22)的厚度为100nm～2μm；
所述高强合金层(21)为含有钨和铍青铜的合金涂层；
所述耐热陶瓷层(22)在低于800℃的工作环境下，能够保持室温状态下的强度、硬度及化学稳定性。
2.根据权利要求1所述的高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具，其特征在于，所述高强合金层(21)的屈服临界应变值高于其加热过程中热膨胀应变的110％。
3.根据权利要求1所述的高强合金与耐热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、Al2O3、氮化铝、氮化硼、氮化硅、TiN、碳化钛、碳化硅、氧化铬、TiAlC、TiAlCN、氧化钛、ZrB2和碳化钨中的一种或多种成分的合金涂层。
4.一种高强合金与耐热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)表面制备厚度为0.1μm或0.2μm的高强合金层(21)，高强合金层(21)的屈服临界应变值高于其加热过程中的热膨胀应变，或者高于其残余应变与其加热过程中热膨胀应变的代数和；且高强合金层(21)为含有钨和铍青铜的合金涂层；
2)在制得的高强合金层(21)表面制备厚度为100nm～2μm的耐热陶瓷层(22)，且耐热陶瓷层(22)采用的材料在低于800℃的工作环境下，能够保持室温状态下的强度、硬度及化学稳定性；
3)经冷却后制得高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具。
5.根据权利要求4所述的高强合金与耐热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所述的高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具的制备方法，其特征在于，步骤1)中，制备高强合金层(21)采用热喷涂法，火焰喷涂粒子的速度为40～100m/s，喷嘴到模具基体(1)间的距离为100～250mm，喷涂的粉末直径为15～300μm。
7.根据权利要求4所述的高强合金与耐热陶瓷叠层涂层压铸模具的制备方法，其特征在于，步骤2)中，采用薄膜化学气相沉积法、薄膜物理气相沉积法或表面复合离子处理法制备耐热陶瓷层(22)。
8.根据权利要求4所述的高强合金与耐热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、Al2O3、氮化铝、氮化硼、氮化硅、TiN、碳化钛、碳化硅、氧化铬、TiAlC、TiAlCN、氧化钛、ZrB2和碳化钨中的一种或多种成分的合金涂层。
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