一種模具鋼基體碳化鎢增強複合材料強化層及製備工藝的製作方法

2023-05-15 23:48:01

專利名稱：一種模具鋼基體碳化鎢增強複合材料強化層及製備工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種模具鋼基體碳化鎢增強複合材料表面強化層，屬於表面材料製備及表面加工技術領域。
背景技術：
目前，模具表面缺陷的修復或強化採用的是電弧堆焊、電火花沉積、電刷鍍、雷射熔覆或「噴塗+重熔」等工藝製備模具表面修復層或強化層。H13鋼(美國牌號)是世界範圍內普遍使用的強韌兼具的熱作模具鋼，相當於國內的4Cr5MoSiVl，日本的SKD61和德國的1.2344。因含有較高的碳和釩，該鋼具有高的淬透性、抗熱裂能力、良好的耐熱性和熱強性以及較高的抗回火穩定性。基於該鋼良好的綜合性能，在錘鍛模、熱擠壓模和壓鑄模方面都得到了廣泛應用。但由於熱作模具鋼的工作條件惡劣，不僅要反覆經歷高溫-低溫熱循環作用，而且要承受較大的交變應力，使得模具表面常常因磨損或熱疲勞產生缺陷，所以模具表面強化(延壽技術)與缺陷修復一直是相關企業要解決的關鍵技術問題之一(趙峰 表面工程技術在模具製造中的應用與進展.機械工程與自動化，2009 ，189-191)。模具表面強化延壽技術是在模具的型腔易損部位沉積一層耐磨改性層，改性後模具工作表面具有高的硬度，而內部仍具有良好的韌性，因而能夠提高模具的使用性能，充分發揮模具材料的性能潛力。模具修復技術是對模具已損壞的部位進行修復，並使其恢復原狀(形狀和性能)，加工處理後的模具能繼續使用，從而延長了模具的使用壽命。目前，常用的模具表面修復或強化的主要工程手段有電弧堆焊、電火花沉積、電刷鍍和雷射熔覆等方法(郭小燕等表面技術在模具修復中的應用進展.表面技術，2007，36 (6)，70-7 。在製備模具表面修復(強化)層的工藝方法中，電弧堆焊往往由於熱輸入量很大，在被修復模具上造成的熱影響區很大，容易導致模具變形甚至開裂；電火花沉積方法，由於沉積層與基體的結合質量不確定，特別是孔隙率和緻密性不連續，有些擬用的修復材料，如合金系統成分複雜，或對於高硬度、高強度材料，難以加工成電極要求的絲材或棒材，而且當修復量較大時，生產效率極低，修復成本很高(徐東等電火花表面處理技術在模具上的應用.裝備製造技術，2010，4 =150-153)；對於電刷鍍方法，鍍層一般很薄，大都小於0. 3mm，而且因為鍍層與基體的結合是一種機械結合，所以與基體結合強度較低，使以上各種方法的實際應用受到很大限制(趙瑋霖等汽車模具的電刷鍍和噴焊快速修復.模具工業，2007，33 ), 64-66)；雷射熔覆法由於設備一次投資大，推廣和應用還有一定困難(江勝波等雷射熔覆修復報廢鍛壓模具塗層組織與性能研究.材料熱處理技術，2009 (38)，86-88)。

發明內容
發明的目的和要解決的問題通常熱作模具的服役條件比較惡劣，由於模具材料長期承受熱疲勞或交變應力作用而產生各種表面缺陷，本發明的一種模具鋼基體碳化鎢增強複合材料表面強化層及其製備工藝，是採用等離子噴焊技術在模具鋼表面製備碳化鎢增強的複合材料表面層，達到修復缺陷或強化基體的作用，恢復並延長模具的使用壽命。實現本發明的技術方案是—種模具鋼基體碳化鎢增強複合材料表面強化層，其化學成分按重量百分比為:C :1. 85-2. 45，Si :2. 90-3. 85，Cr :12. 45-15. 25，B :3. 10-3. 65，W :7. 55-8. 50，Co 2. 20-2. 85，Fe :4. 50-5. 50，餘量:Ni，噴焊層內的主要強化相有 WC、Cr7C3、Ni4B3 和 Co7W6°一種用於上述模具鋼基體碳化鎢增強複合材料表面強化層的製備工藝，採用等離子噴焊，具體步驟如下a)準備模具鋼基體材料，將表面用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油；b)採用鎳基自熔性合金粉末NiCrBSi混入重量比為10-20%的鈷基碳化鎢WC/Co 粉末，其中WC 88%, Co 12%，機械攪拌混合均勻後放入送粉器，噴焊粉末合金的總重量根據噴焊層的要求的厚度和面積確定；c)等離子噴焊系統採用的是氬與氫構成的混合氣體，其中氫氣的比例為 20% -25%，引燃等離子弧，調節電弧電流為23-25A，電壓為35-38V，待電弧穩定後開始自動送粉噴焊，控制噴焊速度為15-20cm/min，送粉率為70-80g/min，保持噴焊距離為 15-20mm ；d)控制每道噴焊層間的搭接量約為20-25%，根據使用要求，可以進行多道、多層噴焊，噴焊層厚度可在較寬範圍內(0.5mm-4mm)調整。保持噴焊參數穩定，可獲得表面平整、組織均勻的表面強化層。本發明相對於現有技術具有以下優點和進步本發明採用等離子噴焊在模具鋼基體表面製備碳化鎢增強的複合材料強化層，由於該方法可以控制使用較小的電流，使熱輸入量大大降低，不僅使熱影響區範圍減小，而且使碳化鎢作為硬質點增強相儘可能多地保留下來，與火焰噴焊或雷射熔覆等方法製備的表面層相比，該表面層具有厚度控制方便，表面質量好，硬度高的特點，是一種理想的模具表面缺陷修複方法或強化手段。採用「熱噴塗+重熔」工藝或電弧粉末堆焊工藝，也可以製備類似的表面層，但由於重熔過程會導致較大的熱輸入，不僅使熱影響區範圍擴大，而且會熔化掉大部分塗層內的碳化鎢增強相，嚴重削弱其強化作用。


圖1H13鋼基體碳化鎢增強的複合材料表面層。圖1 (a)噴焊層與基體的界面組織。圖1(b)噴焊層的組織圖2H13鋼基體碳化鎢增強的複合材料表面層XRD分析。
具體實施例方式本發明是採用等離子噴焊工藝配合特定化學成分的粉體材料鎳基自熔性合金與鈷基碳化鎢的混合物，其粒度範圍為45 μ m-85 μ m,在模具鋼表面製備複合材料強化層，該強化層的化學成分(按重量百分比)為=C 2. 56, Si 4. 82, Cr :14. 75,B 3. 45,ff 8. 10, Co 2. 56, Fe 4. 62，餘量:Ni，噴焊層內的主要強化相有WC、Cr7C3、Ni4B3和Co7W6等；與傳統工藝
4製備的複合材料塗層相比，採用本發明製備的複合材料塗層具有組織均勻，強化相易於在噴焊粉末中添加並在所獲塗層中得以保留，且在保持基體熱影響區相對較窄的條件下可獲得較大的塗層厚度。本發明的主要工藝是1)對H13鋼基體表面進行清理，用丙酮等溶劑去除油汙；2)等離子噴焊系統採用的是氬與氫構成的混合氣體，其中氫氣的比例為 20% -25%,電流調節為23-25A，待電弧穩定後開始自動送粉噴焊，控制噴槍移動速度 (15cm-20cm/min.)與送粉率(70-80g/min)，根據使用要求，可以進行多道、多層噴輝，噴焊層的厚度可在較寬範圍內(0.5mm-4mm)調整；與採用傳統表面工程方法製備塗層相比，該噴焊層具有化學成分均勻、厚度易於控制和結合強度高的特點；3)控制每一道噴焊層間的搭接量為20-25%，使表面噴焊層光滑、平整；4)金相分析表明，噴焊層與基體界面處存在冶金反應，聯生結晶形成的柱狀晶垂直於界面生長，屬於典型的冶金結合，確保了噴焊層與基體之間的結合強度，參閱圖1(a) 所示。XRD衍射(參閱圖幻分析發現，表面噴焊層內的主要強化相有WC、Cr7C3、Ni4 *Co7W6 等，鑲嵌在基體上，參閱圖1(b)所示。本發明的具體工藝步驟是a)準備模具鋼基體材料，將表面用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油；並把鎳基自熔性合金粉末NiCrBSi混入重量比分別為10%、15%、和20%的鈷基碳化鎢WC/Co粉末(其中WC 88%,12% Co)，充分攪拌均勻後放入送粉器，噴焊粉末合金的總重量根據噴焊層的厚度和面積確定；b)引燃等離子弧，調節電弧電流為23-25A，電壓為35-38V，噴焊速度為15-20cm/ min.，保持噴焊距離為15-20mm ；c)控制每道間的搭接量約為20-25%，根據厚度要求，可以進行多道、多層噴焊。 保持噴焊參數穩定，可獲得組織性能均勻，表面平整的表面噴焊層；d)測定顯微硬度分布可知，H13模具鋼基體的硬度為HV630 (大約相當於HRC56)， 噴焊層的平均硬度為HV720 (大約相當於HRC61)。e)根據添加WC/Co粉末比例的不同，獲得的噴焊層化學成份分別為(1)C:1.85; Si 2. 90 ；Cr 12. 45 ；B 3. 10 ；W 7. 55 ；Co 2. 20 ；Fe 4. 50,餘量Ni.。(2)C 2. 16 ；Si 3. 52 ；Cr 14. 75 ；B 3. 45 ；W 8. 10 ；Co 2. 56 ；Fe 4. 62，餘量:Ni.。(3)C 2. 45 ；Si 3. 85 ； Cr 15. 25 ；B :3. 65 ；W :8. 50 ；Co :2. 85 ；Fe :5. 50，餘量=Ni.。採用銷盤式磨損試驗機對 H13 鋼基體和三種不同成份表面噴焊層試樣進行對比試驗，H13鋼基體在相同測試時間內的磨損量為21. %ig，三種表面層磨損量分別為12. 0mg、9. 8mg和7. 6mg，表面噴焊層比H13模具鋼基體的耐磨性平均提高2倍以上。
權利要求
1.一種模具鋼基體碳化鎢增強複合材料表面強化層，其特徵在於，其化學成分按重量百分比為:C :1. 85-2. 45，Si :2. 90-3. 85，Cr :12. 45-15. 25，B :3. 10-3. 65，W :7. 55-8. 50， Co 2. 20-2. 85，Fe :4. 50-5. 50，餘量:Ni，噴焊層內的主要強化相有 WC、Cr7C3、Ni4 和 Co7W6°
2.根據權利要求1所述的一種模具鋼基體碳化鎢增強複合材料表面強化層，其特徵在於，其化學成分按重量百分比為:C 2. 16，Si 3. 52，Cr :14. 75，B :3. 45，W :8. 10，Co :2. 56， Fe 4. 62，餘量Ni，噴焊層內的主要強化相有WC、Cr7C3、Ni4B3和Co7W6。
3.一種用於權利要求1所述的模具鋼基體碳化鎢增強複合材料表面強化層的製備工藝，其特徵在於，採用等離子噴焊，具體步驟如下a)準備模具鋼基體材料，將表面用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油；b)採用鎳基自熔性合金粉末NiCrBSi混入重量比為10-20%的鈷基碳化鎢WC/Co粉末，其中WC 88%, Co 12%，機械攪拌混合均勻後放入送粉器，噴焊粉末合金的總重量根據噴焊層的要求的厚度和面積確定；c)等離子噴焊系統採用的是氬與氫構成的混合氣體，其中氫氣的比例為20%-25%, 引燃等離子弧，調節電弧電流為23-25A，電壓為35-38V，待電弧穩定後開始自動送粉噴焊， 控制噴焊速度為15-20cm/min，送粉率為70-80g/min，保持噴焊距離為15_20mm ；d)控制每道噴焊層間的搭接量約為20-25%，根據使用要求，可以進行多道、多層噴焊，噴焊層厚度可在較寬範圍內(0.5mm-4mm)調整。保持噴焊參數穩定，可獲得表面平整、 組織均勻的表面強化層。
全文摘要
本發明涉及一種模具鋼基體碳化鎢增強複合材料表面強化層及其製備工藝，屬於表面材料製備及表面加工技術領域。表面強化層化學成分按重量百分比為C1.85-2.45，Si2.90-3.85，Cr12.45-15.25，B3.10-3.65，W7.55-8.50，Co2.20-2.85，Fe4.50-5.50，餘量Ni，噴焊層內的主要強化相有WC、Cr7C3、Ni4B3和Co7W6。採用等離子噴焊製備表面強化層的工藝對H13鋼基體表面清理；採用氬與氫的混合氣體，製備得到厚度符合要求的噴焊層；控制每道間搭接量，獲得的複合材料表面層可達到修復缺陷或強化基體作用，恢復並延長模具使用壽命。
文檔編號C23C4/10GK102212771SQ20111012280
公開日2011年10月12日 申請日期2011年5月13日 優先權日2011年5月13日
發明者盧寶勝, 宮文彪, 尤群, 王文權, 黃詩銘 申請人:一汽鑄造有限公司, 吉林大學