[發明專利]基于浸滲連接的ZrO2/熱作模具鋼復合模具材料的制備方法

有效

• 申請號: 201410788943.5
• 申請日: 2014-12-18
• 公開（公告）號: CN104475702A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 杜之明;秦晉;孫永根;柳君;牛家宏
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B22D19/00
• 分類號: B22D19/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 侯靜

技術領域

本發明涉及一種復合模具材料的制備方法，具體為一種氧化鋯/熱作模具鋼復合模具材料的制備方法。

背景技術

陶瓷材料具有優異的耐高溫、耐磨損、抗腐蝕性能和密度低、絕緣性好的特點，在汽車、軍工、電子、航空航天等領域具有廣闊的應用前景。然而陶瓷塑性差、脆性高的特點一方面造成了形狀復雜的陶瓷零件加工成型困難，另一方面決定了其在單獨使用過程中抵抗熱應力和沖擊載荷的能力差。根據使用要求選擇有效的連接方法，將陶瓷與金屬連接起來獲得陶瓷-金屬復合構件，能把二者的優點結合起來，充分發揮陶瓷材料的優異性能并拓寬其應用范圍。因此，陶瓷與金屬的連接技術越來越引起人們的關注。

陶瓷與金屬的連接方法主要分為機械連接、粘接和焊接、涂鍍等等。機械連接是一種古老的連接方法，包括螺栓連接和熱套連接。其中熱套連接是利用陶瓷與金屬的熱膨脹差異，在高溫時將金屬套在陶瓷外側，利用冷卻時金屬的收縮量較陶瓷大而緊密連接在一起。雖然熱套連接獲得的接頭具有一定的氣密性，但僅限于低溫使用，且這種接頭具有較大的殘余應力。粘接具有固化速度快、使用溫度范圍寬、抗老化性能好等特點被用于飛機應急修理、炮射導彈輔助件連接、修復蝸輪、修復壓縮機轉子等方面。陶瓷與金屬采用膠接連接,界面作用為物理力、化學鍵。采用有機膠的接頭強度小,允許的使用溫度低,一般低于200℃,且大多用于靜載荷和超低靜載荷零件。焊接是最常用的連接陶瓷與金屬的方法之一，陶瓷與金屬的釬焊連接可以分為直接釬焊、間接釬焊、擴散連接、部分瞬間液相連接、自蔓延高溫連接、熱壓反應燒結連接、摩擦焊等等。釬焊研究應用發展廣泛，但各種技術由于不同的技術特點存在不同的缺陷，如自蔓延高溫連接技術由于反應過快，接頭部位的組織和性能穩定性難以控制；又如普通釬焊得到的材料性能和應用范圍常受制于釬料。陶瓷涂層技術已成功地應用于航空、航天、國防、化工、機械、電力、電子等行業。熱噴涂技術主要優點：噴涂材料的成分不受限制、基體溫度低、構件尺寸不受限制、涂層厚度范圍寬、噴涂設備簡單、操作工序少效率高、涂層形成速度快。熱噴涂技術的缺點：噴涂作業環境差、粉塵污染嚴重、噴涂材料利用率低、熱效率低、難以制備厚度較大的覆層材料等。

盡管現有的陶瓷與金屬的連接技術已經有了一定的發展，但這些方法無法滿足高溫金屬成形模具的要求，難以獲得具有良好綜合性能、適應復雜生產環境并滿足生產需求的模具材料。

發明內容

本發明是要解決現有高熔點金屬成形模具壽命低，操作難度大的問題，提供一種基于浸滲連接的ZrO₂/熱作模具鋼復合模具材料的制備方法。

本發明基于浸滲連接的ZrO₂/熱作模具鋼復合模具材料的制備方法，按以下步驟進行：

一、ZrO₂多孔陶瓷的制備：陶瓷材料選用氧化鋯粉末，造孔劑選用活性炭粉，將氧化鋯粉末與活性炭粉機械混合過篩后，壓制預制塊；對預制塊進行排酯、排碳，工藝參數如下：0.5～2℃/min升溫至600℃保溫2h，接著4～6℃/min升溫至900℃保溫1h，獲得陶瓷塊；陶瓷塊燒結，燒結工藝為：6～10℃/min由室溫升溫至1400℃，保溫2h后2～5℃/min降溫至室溫，獲得ZrO₂多孔陶瓷；

二、ZrO₂多孔陶瓷與熱作模具鋼浸滲連接工藝：模具的預熱溫度選取300～400℃，ZrO₂多孔陶瓷預熱溫度為600～800℃，熱作模具鋼金屬的熔煉溫度為1600～1650℃，預熱后將ZrO₂多孔陶瓷放入模具中，澆注模具鋼金屬液，澆注溫度為1530～1570℃，加壓載荷20～30MPa，保壓時間20～40s，待金屬凝固后，即得到高連接強度的ZrO₂/熱作模具鋼復合模具材料。

步驟二中熱作模具鋼為5CrNiMo、5CrMnM、5CrNiTi、5CrMnMoSiV、4CrW2Si、4Cr5MoSiV1或3Cr2W8V等常用模具鋼。