本發(fā)明涉及一種新型的陶瓷涂層及其制備方法，特別是涉及鋁合金壓鑄模具表面強(qiáng)化的陶瓷涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

鋁合金壓鑄是利用高壓將熔融的鋁合金高速壓入一精密的金屬模具型腔內(nèi)，鋁合金液體在壓力的作用下凝固形成鑄件的一種鑄造法。壓鑄模具作為壓鑄生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備，它的性能及使用壽命直接影響鋁合金鑄件的質(zhì)量和成本。但鋁合金壓鑄模具的工作條件非常惡劣，有與熔融鋁合金直接接觸引起的腐蝕及模具工作過程中反復(fù)受到熱態(tài)金屬加熱和冷卻介質(zhì)冷卻的交替作用引起的熱疲勞而產(chǎn)生的裂紋。這些腐蝕和裂紋是壓鑄模具最常見的失效形式。雖然可以通過調(diào)整模具材料的合金成分來提高模具的性能和使用壽命，但目前其性能和使用壽命都有待進(jìn)一步提高。

壓鑄模具最常見的失效形式基本都是模具工作表面的失效形式。若對鋁合金壓鑄模具進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，可大幅提高模具的耐腐蝕和耐熱疲勞性能，從而可以提高模具的質(zhì)量、延長模具的使用壽命。目前，鋁合金壓鑄模具基本上都需要經(jīng)過氮化處理。氮化處理在一定程度上也提高了模具工作表面的耐腐蝕性和耐熱疲勞性能，但模具的使用壽命還有待進(jìn)一步提高，進(jìn)而進(jìn)一步降低壓鑄的生產(chǎn)成本。涂層技術(shù)作為材料表面技術(shù)的重要手段，旨在用極少量的材料提高工件表面的工作性能，從而達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長工件的使用壽命、降低生產(chǎn)成本、節(jié)約資源和能源的目的。

等離子噴涂技術(shù)具有涂層沉積率高、涂層質(zhì)量好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，利用等離子噴涂技術(shù)得到的氧化鋯涂層，具有良好的耐高溫、防腐耐磨、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天或柴油機(jī)燃燒室等高溫、強(qiáng)腐蝕的工作環(huán)境中，防止金屬基體高溫腐蝕。但是等離子噴涂的氧化鋯涂層具有很高的孔隙率，腐蝕介質(zhì)可以通過涂層中的孔隙，直接腐蝕金屬基體，導(dǎo)致涂層脫落失效。因此，對等離子噴涂得到的陶瓷涂層進(jìn)行致密化處理，可有效提高涂層在高溫、強(qiáng)腐蝕的介質(zhì)中的防護(hù)性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有鋁合金壓鑄模具的耐腐蝕性能不理想及在壓鑄過程中受頻繁的冷熱循環(huán)模具表面易產(chǎn)生微裂紋的技術(shù)問題，提供一種在鋁合金壓鑄模具的工作表面制備較為致密的陶瓷涂層的技術(shù)工藝。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：

采用等離子噴涂工藝，利用由直流電驅(qū)動的等離子電弧作為熱源，以氬氣作為保護(hù)氣，將合金粉末和陶瓷粉末加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的模具工作表面，在模具的工作表面形成以合金涂層為粘結(jié)層的陶瓷涂層，然后經(jīng)過化學(xué)后處理，通過化學(xué)試劑高溫分解得到的氧化物對陶瓷涂層進(jìn)行優(yōu)化，得到較為致密的陶瓷涂層。該涂層具有很好的耐腐蝕性能及抗熱疲勞性能，有效地提高了模具的使用壽命。

為了得到穩(wěn)定的、性能優(yōu)良的陶瓷涂層，通過不斷探索，確定合理的化學(xué)后處理?xiàng)l件，使用過低的硫酸鋯溶液濃度及后處理溫度，涂層致密不夠而影響其抗腐蝕性能，而過濃的硫酸鋯溶液及過高的后處理溫度則會導(dǎo)致中間層過度氧化而導(dǎo)致涂層脫落。

鋁合金壓鑄模具表面強(qiáng)化涂層的制備方法，其步驟為：

步驟（1）將壓鑄模具表面進(jìn)行除油清洗，噴砂粗化至表面粗糙度Ra3級；

步驟（2）采用等離子噴涂工藝向步驟（1）得到的壓鑄模具表面噴涂鎳鉻合金粉末，再噴涂氧化鋯陶瓷粉末，得到以鎳鉻合金為粘結(jié)層的氧化鋯陶瓷涂層；

步驟（3）往步驟（2）得到的陶瓷涂層表面噴灑硫酸鋯溶液；

步驟（4）將步驟（3）得到的壓鑄模具加熱，將陶瓷涂層進(jìn)行致密化處理。

步驟（2）中所述的噴涂鎳鉻合金中間層的等離子噴涂參數(shù)為：噴涂功率35kw、主氣流量40L/min、送粉速度60g/min、噴涂距離120mm；噴涂氧化鋯陶瓷的等離子噴涂參數(shù)為：噴涂功率50kw、主氣流量40L/min、送粉速度35g/min、噴涂距離90mm。

步驟（2）中所述的鎳鉻合金成分為質(zhì)量百分比20%Cr，余量Ni，粒度為200～325目；氧化鋯陶瓷粉末為質(zhì)量百分比為8%的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯，粒度為200～325目。

步驟（3）中所述的硫酸鋯溶液濃度為0.01～0.5mol/L,平均噴灑量為0.01ml/cm²。

步驟（4）中所述的加熱溫度為400～700℃，加熱時(shí)間為12～48小時(shí)。

為使鋁合金壓鑄模具強(qiáng)化涂層具有理想的耐腐蝕性能及抗熱疲勞性能，且與基體的結(jié)合強(qiáng)度最佳，所述的中間層的厚度為0.1～0.2mm；陶瓷涂層的厚度為0.2～0.4mm。

本發(fā)明的原理是利用等離子噴涂工藝，將鎳鉻合金粉末和陶瓷粉末加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的模具工作表面，形成以鎳鉻合金為粘結(jié)層的陶瓷涂層，然后通過后續(xù)的化學(xué)處理，得到較為致密的陶瓷涂層。本發(fā)明制備的陶瓷涂層通過化學(xué)后處理，平均孔隙率由噴涂得到的15%降低到3%，在鋁合金壓鑄工藝中具有較高的耐腐蝕性能及抗熱疲勞性能，使壓鑄模具的使用壽命提高2-3倍，能有效地提高模具的使用壽命，降低壓鑄生產(chǎn)的成本，易操作、生產(chǎn)率高，也可以對已經(jīng)產(chǎn)生微裂紋的模具表面進(jìn)行修復(fù)，降低模具材料及能源的損耗。

附圖說明

圖1為等離子噴涂得到的涂層橫截面SEM圖。

圖2為化學(xué)后處理后涂層橫截面的SEM圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例用于鋁合金壓鑄模具表面的強(qiáng)化涂層，模具材料為H13模具鋼，在模具的工作表面附有以鎳鉻合金為粘結(jié)層的較為致密的氧化鋯陶瓷涂層，粘結(jié)層厚度為0.1mm，陶瓷涂層厚度為0.2mm。

上述用于鋁合金壓鑄模具表面強(qiáng)化涂層的制備方法，步驟是：

步驟（1）將壓鑄模具表面用丙酮進(jìn)行除油清洗，用0.4MPa壓力噴16#金剛砂粗化至表面粗糙度Ra3級；

步驟（2）采用等離子噴涂工藝向步驟（1）得到的壓鑄模具表面噴涂鎳鉻合金，鎳鉻合金成分為質(zhì)量百分比20%Cr，余量Ni，粒度為200～325目，噴涂參數(shù)為：噴涂功率35kw、主氣流量40L/min、送粉速度60g/min、噴涂距離120mm；再向噴有鎳鉻合金涂層的模具表面噴涂質(zhì)量百分比為8%的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷粉末，粒度為200～325目，噴涂參數(shù)為：噴涂功率50kw、主氣流量40L/min、送粉速度35g/min、噴涂距離90mm；

步驟（3）往步驟（2）得到的陶瓷涂層表面噴灑0.05mol/L的硫酸鋯溶液，平均噴灑量為0.01ml/cm²；

步驟（4）將步驟（3）得到的壓鑄模具在400℃加熱48小時(shí)，將陶瓷涂層進(jìn)行致密化處理。

實(shí)施例2

本實(shí)施例用于鋁合金壓鑄模具表面的強(qiáng)化涂層，模具材料為H13模具鋼，在模具的工作表面附有以鎳鉻合金為粘結(jié)層的較為致密的氧化鋯陶瓷涂層，粘結(jié)層厚度為0.1mm，陶瓷涂層厚度為0.2mm。

上述用于鋁合金壓鑄模具表面強(qiáng)化涂層的制備方法，步驟是：

步驟（1）將壓鑄模具表面用丙酮進(jìn)行除油清洗，用0.4MPa壓力噴16#金剛砂粗化至表面粗糙度Ra3級；

步驟（2）采用等離子噴涂工藝向步驟（1）得到的壓鑄模具表面噴涂鎳鉻合金，鎳鉻合金成分為質(zhì)量百分比20%Cr，余量Ni，粒度為200～325目，噴涂參數(shù)為：噴涂功率35kw、主氣流量40L/min、送粉速度60g/min、噴涂距離120mm；再向噴有鎳鉻合金涂層的模具表面噴涂質(zhì)量百分比為8%的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷粉末，粒度為200～325目，噴涂參數(shù)為：噴涂功率50kw、主氣流量40L/min、送粉速度35g/min、噴涂距離90mm；

步驟（3）往步驟（2）得到的陶瓷涂層表面噴灑0.05mol/L的硫酸鋯溶液，平均噴灑量為0.01ml/cm²；

步驟（4）將步驟（3）得到的壓鑄模具在500℃加熱36小時(shí)，將陶瓷涂層進(jìn)行致密化處理。

實(shí)施例3

本實(shí)施例用于鋁合金壓鑄模具表面的強(qiáng)化涂層，模具材料為H13模具鋼，在模具的工作表面附有以鎳鉻合金為粘結(jié)層的較為致密的氧化鋯陶瓷涂層，粘結(jié)層厚度為0.1mm，陶瓷涂層厚度為0.2mm。

上述用于鋁合金壓鑄模具表面強(qiáng)化涂層的制備方法，步驟是：

步驟（1）將壓鑄模具表面用丙酮進(jìn)行除油清洗，用0.4MPa壓力噴16#金剛砂粗化至表面粗糙度Ra3級；

步驟（2）采用等離子噴涂工藝向步驟（1）得到的壓鑄模具表面噴涂鎳鉻合金，鎳鉻合金成分為質(zhì)量百分比20%Cr，余量Ni，粒度為200～325目，噴涂參數(shù)為：噴涂功率35kw、主氣流量40L/min、送粉速度60g/min、噴涂距離120mm；再向噴有鎳鉻合金涂層的模具表面噴涂質(zhì)量百分比為8%的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷粉末，粒度為200～325目，噴涂參數(shù)為：噴涂功率50kw、主氣流量40L/min、送粉速度35g/min、噴涂距離90mm；

步驟（3）往步驟（2）得到的陶瓷涂層表面噴灑0.2mol/L的硫酸鋯溶液，平均噴灑量為0.01ml/cm²；

步驟（4）將步驟（3）得到的壓鑄模具在600℃加熱24小時(shí)，將陶瓷涂層進(jìn)行致密化處理。

實(shí)施例4

本實(shí)施例用于鋁合金壓鑄模具表面的強(qiáng)化涂層，模具材料為H13模具鋼，在模具的工作表面附有以鎳鉻合金為粘結(jié)層的較為致密的氧化鋯陶瓷涂層，粘結(jié)層厚度為0.1mm，陶瓷涂層厚度為0.2mm。

上述用于鋁合金壓鑄模具表面強(qiáng)化涂層的制備方法，步驟是：

步驟（1）將壓鑄模具表面用丙酮進(jìn)行除油清洗，用0.4MPa壓力噴16#金剛砂粗化至表面粗糙度Ra3級；

步驟（2）采用等離子噴涂工藝向步驟（1）得到的壓鑄模具表面噴涂鎳鉻合金，鎳鉻合金成分為質(zhì)量百分比20%Cr，余量Ni，粒度為200～325目，噴涂參數(shù)為：噴涂功率35kw、主氣流量40L/min、送粉速度60g/min、噴涂距離120mm；再向噴有鎳鉻合金涂層的模具表面噴涂質(zhì)量百分比為8%的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷粉末，粒度為200～325目，噴涂參數(shù)為：噴涂功率50kw、主氣流量40L/min、送粉速度35g/min、噴涂距離90mm；

步驟（3）往步驟（2）得到的陶瓷涂層表面噴灑0.2mol/L的硫酸鋯溶液，平均噴灑量為0.01ml/cm²；

步驟（4）將步驟（3）得到的壓鑄模具在700℃加熱12小時(shí)，將陶瓷涂層進(jìn)行致密化處理。

通過圖1和圖2所示的涂層橫截面的SEM圖可以看出，化學(xué)后處理后，氧化鋯陶瓷涂層得到了有效的致密。

以上所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的基本說明，任何依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所做的等效變換，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。