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CN108115110A - 一种具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具及其制备方法 - Google Patents

一种具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附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拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具及其制备方法，包括模具基体和其表面的具有拉伸预应力的陶瓷层；模具基体和陶瓷层之间通过熔覆法形成冶金结合。制备包括以下步骤：1)将模具基体表面的氧化膜去除，清洗、烘干后备用；2)将配制的陶瓷粉末采用激光熔覆法覆于步骤1)处理过的模具基体表面，预热处理，制备具有拉伸预应力的陶瓷层，实现陶瓷层和模具基体的冶金结合；3)冷却至室温，制得具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具。本发明具有生产设备及工艺简单的优点，且熔覆无需在真空环境下进行，工件尺寸基本不受限制，因此可用于加工复杂表面或者大尺寸模具。所制备的涂层含有的拉伸预应力有效的提高了抗热疲劳性能。

Description

一种具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具及其制备方法
技术领域
本发明属于预应力涂层抗粘附压铸模具制造技术领域，具体涉及一种具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具及其制备方法。
背景技术
由于压铸模具在加工制造过程中模具表面局部温度高，出模时合金粘附在模具上无法带出，模具表面粘附了一层合金物，导致压铸的产品相应表面存在不光滑、粗糙而且凹凸不平的铸件表面缺陷，以往通过在模具型腔表面均匀的刷防粘7减免蜡或渗氮得到渗氮层而提高抗粘附性能，防粘蜡不仅增加工序，同时影响产量也无法保证质量，由于氮化层容易脱落且自身脆性较大，结构不够致密以及渗层薄，在使用过程中容易失效。
若对压铸模具进行表面处理，可提高模具的耐热疲劳性能，从而提高模具的质量和寿命。压铸模具表面进行稀土表面强化，由于稀土元素具有提高渗速、强化表面及净化表面等多种功能，它对改善模具表面组织结构，表面物理、化学及力学性能均有极大地影响，可提高渗速、强化表面、生成稀土化合物，同时可消除分布在晶界上微量杂质的有害作用，起着强化和稳定模具型腔表面晶界的作用，从而使得模具的耐磨性，抗热疲劳性能显著提高，从而大幅度提高模具寿命。但由于稀土强化表面处理所得到的涂层本身脆性较大，结构不致密，且与模具基体的结合强度不理想，因此整体的涂层性能有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具及其制备方法，该压铸模具抗沾粘、耐磨耗、耐热疲劳性能强；该方法操作简单，对设备要求低。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具，包括模具基体和其表面的具有拉伸预应力的陶瓷层；模具基体和陶瓷层之间通过熔覆法形成冶金结合。
优选地，陶瓷层为采用氧化铝、氧化锆、TiAlCN、SiC，碳化钛、氧化铬、TiNAlC、NiCrBSi、氮化钛、氧化钛和ZrB2中的一种或多种陶瓷粉末制成。
优选地，陶瓷层为SiC陶瓷层，其成分以质量百分比计，包括：0.1％～0.8％的Pb，0.02％～0.7％的Bi，余量为SiC；其中，Pb元素和Bi元素主要分布在陶瓷表层，具备抗粘附性。
优选地，陶瓷层的拉伸预应力小于加热过程中的热膨胀应变的80％。
优选地，陶瓷层的厚度为25um～300um。
本发明还公开了上述具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具的制备方法，包括以下步骤：
1)将模具基体表面的氧化膜去除，清洗、烘干后备用；
2)将配制的陶瓷粉末采用激光熔覆法覆于步骤1)处理过的模具基体表面，预热处理，制备具有拉伸预应力的陶瓷层，实现陶瓷层和模具基体的冶金结合；
3)冷却至室温，制得具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具。
优选地，步骤2)中，预热处理的温度为150～900℃。
优选地，步骤2)中，激光熔覆的工艺参数为：粉末的粒度为0.154～0.045mm，激光束为摆动式，激光功率为3～15KW，扫描速度为1.60～25mm·s-1，保护气体为惰性气体。
优选地，所述惰性气体为氦气、氩气或二者的混合气体。
优选地，步骤1)中，去除模具基体表面的氧化膜，是依次采用400#、600#、1000#的砂纸对模具表面逐级打磨；清洗采用丙酮溶液超声波处理，处理时间为15～25min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过熔覆金属的方式在模具基体表面制备一层有拉伸预应力的陶瓷涂层，能够通过陶瓷涂层与模具基体间热适配，在制备过程中产生拉伸应力，模具表面与拉伸预应力陶瓷层为冶金结合，该拉伸预应力陶瓷涂层具有优异的抗沾粘、耐磨耗、耐热疲劳性能，能有效的提高压铸模具的寿命6-36倍，获得高质量的工件。
本发明公开的具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具的制备方法，具有生产设备及工艺简单的优点，且熔覆无需在真空环境下进行，工件尺寸基本不受限制，因此可用于加工复杂表面或者大尺寸模具。所制备的涂层含有的拉伸预应力有效的提高了抗热疲劳性能，使得模具基体在弹性变形范围内或是极少量的塑性变形，获得高质量的工件。
附图说明
图1为本发明的具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具的结构示意图。
其中，1为模具基体；2为陶瓷层。
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。
参见图1，本发明的具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具，包括模具基体1和其表面的具有拉伸预应力的陶瓷层2；模具基体1和陶瓷层2之间通过熔覆法形成冶金结合。
实施例1
一种具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具：包括模具基体与具有拉伸预应力的陶瓷层；所述陶瓷层是氧化铝+TiNAlC为主要成分的有拉伸预应力陶瓷涂层，拉伸预应力小于加热过程中模具热膨胀应变的80％。该拉伸预应力陶瓷层的厚度为50um。拉伸预应力小于加热过程中模具热膨胀应变的80％在陶瓷层中氧化铝的重量百分比为15％，余量为TiNAlC，粒度为250目，在激光熔覆在前采用球磨机充分混合均匀。
该压铸模具表面的拉伸预应力陶瓷层的制备工艺，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)将配制的所需粉末覆于模具表面，预热，制备拉伸预应力陶瓷层，实现涂层与基体的冶金结合，激光熔覆工艺参数为：粉末的粒度为0.154～0.045mm，激光束为摆动式，激光功率为5KW，扫描速度为3mm·s-1，保护气体为He，预热温度为200℃左右。
c)冷却至室温。
实施例2：
一种具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具，包括模具基体与带有拉伸预应力的陶瓷层，拉伸预应力小于加热过程中模具热膨胀应变的80％；所述陶瓷层是氧化铝+TiNAlC为主要成分的有拉伸预应力陶瓷涂层。该拉伸预应力陶瓷层的厚度为80um。在陶瓷层中氧化铝的重量百分比为15％，余量为TiNAlC，粒度为250目，在激光熔覆在前采用球磨机充分混合均匀。
该压铸模具表面的拉伸预应力陶瓷层的制备工艺，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)将配制的所需粉末覆于模具表面，预热，制备拉伸预应力陶瓷层，实现涂层与基体的冶金结合，激光熔覆工艺参数为：粉末的粒度为0.154～0.045mm，激光束为摆动式，激光功率为7KW，扫描速度为4mm·s-1，保护气体为He，预热温度为200℃左右。
c)冷却至室温。
实施例3：
一种具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具，包括模具基体与带有拉伸预应力的陶瓷层构成，拉伸预应力小于加热过程中模具热膨胀应变的80％；所述陶瓷层是氧化钛+TiNAlC为主要成分的有拉伸预应力陶瓷涂层。该拉伸预应力陶瓷层的厚度为50um。在陶瓷层中氧化钛的重量百分比为30％，余量为TiNAlC，粒度为250目，在激光熔覆在前采用球磨机充分混合均匀。
该压铸模具表面的拉伸预应力陶瓷层的制备工艺，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)将配制的所需粉末覆于模具表面，预热，制备拉伸预应力陶瓷层，实现涂层与基体的冶金结合，激光熔覆工艺参数为：粉末的粒度为0.154～0.045mm，激光束为摆动式，激光功率为5KW，扫描速度为3mm·s-1，保护气体为Ar，预热温度为200℃左右。
c)冷却至室温。
实施例4：
一种具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具，包括模具基体与带有拉伸预应力的陶瓷层，拉伸预应力小于加热过程中模具热膨胀应变的80％；所述陶瓷层是氧化钛+TiNAlC为主要成分的有拉伸预应力陶瓷涂层。该拉伸预应力陶瓷层的厚度为80um。在陶瓷层中氧化钛的重量百分比为30％，余量为TiNAlC，粒度为250目，在激光熔覆在前采用球磨机充分混合均匀。
该压铸模具表面的拉伸预应力陶瓷层的制备工艺，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)将配制的所需粉末覆于模具表面，预热，制备拉伸预应力陶瓷层，实现涂层与基体的冶金结合，激光熔覆工艺参数为：粉末的粒度为0.154～0.045mm，激光束为摆动式，激光功率为7KW，扫描速度为4mm·s-1，保护气体为He和Ar的混合惰性气体。预热温度为200℃左右。
c)冷却至室温。
实施例5
一种具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具，包括模具基体与带有拉伸预应力的陶瓷层，拉伸预应力小于加热过程中模具热膨胀应变的80％；所述陶瓷层为SiC陶瓷层。该拉伸预应力陶瓷层的厚度为300um。在陶瓷层中包括：0.1％～0.8％的Pb，0.02％～0.7％的Bi，余量为SiC；其中，Pb元素和Bi元素主要分布在陶瓷表层，具备抗粘附性。粒度为200目，在激光熔覆在前采用球磨机充分混合均匀。
该压铸模具表面的拉伸预应力陶瓷层的制备工艺，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)将配制的所需粉末覆于模具表面，预热，制备拉伸预应力陶瓷层，实现涂层与基体的冶金结合，激光熔覆工艺参数为：粉末的粒度为0.154～0.045mm，激光束为摆动式，激光功率为15KW，扫描速度为25mm·s-1，保护气体为He。预热温度为500℃左右。

Claims (10)

1.一种具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具，其特征在于，包括模具基体(1)和其表面的具有拉伸预应力的陶瓷层(2)；模具基体(1)和陶瓷层(2)之间通过熔覆法形成冶金结合。
2.根据权利要求1所述的具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具，其特征在于，陶瓷层(2)为采用氧化铝、氧化锆、TiAlCN、SiC，碳化钛、氧化铬、TiNAlC、NiCrBSi、氮化钛、氧化钛和ZrB2中的一种或多种陶瓷粉末制成。
3.根据权利要求2所述的具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具，其特征在于，陶瓷层(2)为SiC陶瓷层，其成分以质量百分比计，包括：0.1％～0.8％的Pb，0.02％～0.7％的Bi，余量为SiC；其中，Pb元素和Bi元素主要分布在陶瓷表层，具备抗粘附性。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具，其特征在于，陶瓷层(2)的拉伸预应力小于加热过程中的热膨胀应变的80％。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具，其特征在于，陶瓷层(2)的厚度为25um～300um。
6.权利要求1～5中任意一项所述的具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将模具基体表面的氧化膜去除，清洗、烘干后备用；
2)将配制的陶瓷粉末采用激光熔覆法覆于步骤1)处理过的模具基体表面，预热处理，制备具有拉伸预应力的陶瓷层，实现陶瓷层和模具基体的冶金结合；
3)冷却至室温，制得具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具。
7.根据权利要求6所述的具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具的制备方法，其特征在于，步骤2)中，预热处理的温度为150～900℃。
8.根据权利要求6所述的具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具的制备方法，其特征在于，步骤2)中，激光熔覆的工艺参数为：粉末的粒度为0.154～0.045mm，激光束为摆动式，激光功率为3～15KW，扫描速度为1.60～25mm·s-1，保护气体为惰性气体。
9.根据权利要求8所述的具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氦气、氩气或二者的混合气体。
10.根据权利要求6所述的具有拉伸预应力陶瓷层抗粘附压铸模具的制备方法，其特征在于，步骤1)中，去除模具基体表面的氧化膜，是依次采用400#、600#、1000#的砂纸对模具表面逐级打磨；清洗采用丙酮溶液超声波处理，处理时间为15～25min。
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