專利名稱：一種用于熱作模具鋼表面強化的耐磨金屬陶瓷涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬陶瓷涂層及其制備方法，更具體地說，涉及用于熱作模具鋼表面強化的金屬陶瓷涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展對鋼鐵材料性能的要求越來越高，傳統(tǒng)的鋼材由于其硬度、 耐磨性、耐熱沖擊等性能比較差，已經(jīng)不能滿足工業(yè)產(chǎn)品的需求，而金屬陶瓷因具有優(yōu)良的硬度、耐磨性和耐腐蝕性等性能，已經(jīng)逐漸得到了重視。熱作模具鋼在工作時與熱態(tài)金屬相接觸，型腔表面溫度高達400 600°C，這樣高的溫度會使模腔表面硬度和強度顯著降低。而且金屬在巨大的壓應(yīng)力、張應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和沖擊載荷的作用下，與型腔相對運動，會對模具產(chǎn)生強烈的磨損。模具工作過程中反復(fù)受到冷卻介質(zhì)冷卻和熱態(tài)金屬加熱的交替作用，熱磨損和熱疲勞是模具主要的失效形式，這就要求模具鋼表面具有高硬度、良好的耐磨性、尺寸穩(wěn)定性、紅硬性、抗熱疲勞性和綜合力學(xué)性能。鑒于熱作模具的失效大都由表面開始，從節(jié)省能源和資源，充分發(fā)揮材料性能潛力并獲得特殊性能和最大經(jīng)濟效益出發(fā)，對模具鋼模具進行表面改性處理，是綜合改善芯棒工作壽命的關(guān)鍵。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起大量、昂貴的整體材料所起到的作用，同時極大地降低產(chǎn)品的成本，從而達到提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長使用壽命、節(jié)約資源和能源的目的。因此，選擇適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ㄔ阡摬牡墓ぷ鞅砻嬷苽湟欢ê穸鹊哪湍?、抗熱疲勞性能好的金屬陶瓷涂層，是?dāng)前亟待解決的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對熱作模具鋼在工作過程中的失效形式，提供一種在模具鋼表面制備三元硼化物金屬陶瓷涂層及其工藝。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)針對熱作模具鋼在工作過程中的失效形式，通過反復(fù)研究改進，提供一種在模具鋼表面制備三元硼化物金屬陶瓷涂層，采用等離子噴涂工藝。該等離子噴涂工藝采用等離子噴涂設(shè)備和同步自動送粉裝置，由直流電驅(qū)動的等離子電弧作為熱源，將配制的粉末材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面，等離子電弧移開后，在模具鋼表面形成附著牢固的涂層(例如可達I 2_厚)，經(jīng)過后期熱處理，使得涂層具有更好的耐磨性、抗熱疲勞性能，最終使工件使用壽命提高I倍或數(shù)倍以上，具體來說，可按下述步驟進行首先(即步驟I)對模具鋼基體進行預(yù)熱處理，為了保證鋼基體所需要的硬度，防止在加工過程中產(chǎn)生變形，對基體進行淬火和回火的預(yù)熱處理，可根據(jù)不同模具鋼的性能選擇與之相適應(yīng)的預(yù)熱處理工藝。其次(即步驟2)對工作層表面進行清理和機械加工，可選用溶劑清除鋼基體表面的油污(例如乙醇、丙酮等)，再對鋼基體的工作層采用打磨或噴砂處理。步驟3、進行等離子噴涂加工，采用的噴涂粉末的其化學(xué)成份按質(zhì)量百分比為 FeB :10-12%,Mo :16-18%, Ni 0. 5-1%, Cr 0. 5-1%, C 0. 2-0. 5%、余量為 Fe 粉；優(yōu)選為 FeB :10-12%,Mo :16-18%, Ni 0. 5-0. 8%, Cr 0. 8-1%, C 0. 2-0. 5%、余量為 Fe 粉；同時
調(diào)整自動送粉裝置的送粉速率滿足涂層需要。最后(步驟4)進行后續(xù)熱處理，對等離子噴涂后的制件進行真空燒結(jié)處理，以減少等離子噴涂后涂層及基體組織轉(zhuǎn)變后殘余應(yīng)力，溫度為1100-120(TC，去應(yīng)力退火時間為30min 60min ;優(yōu)選為1140_1200°C，去應(yīng)力退火時間為30min 40min ;更加優(yōu)選 1150-1200°C，去應(yīng)力退火時間為30min 40min。等離子噴涂加工及自動送粉裝置的工藝參數(shù)如表I :表I等離子噴涂加工及自動送粉裝置的工藝參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種用于熱作模具鋼表面強化的耐磨金屬陶瓷涂層，其特征在于，按照下述步驟進行制備步驟(I)對模具鋼基體進行預(yù)熱處理，防止在加工過程中產(chǎn)生變形；步驟(2)對工作層表面進行清理和機械加工；步驟(3)進行等離子噴涂加工，采用的噴涂粉末的其化學(xué)成份按質(zhì)量百分比為FeB: 10-12%, Mo :16-18%, Ni :0. 5-1%, Cr :0. 5-1%, C 0. 2-0. 5%、余量為 Fe 粉；由直流電驅(qū)動的等離子電弧作為熱源，將配制的粉末材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面，同時調(diào)整自動送粉裝置的送粉速率滿足涂層需要；步驟(4)進行后續(xù)熱處理，對等離子噴涂后的制件進行真空燒結(jié)處理，以減少等離子噴涂后涂層及基體組織轉(zhuǎn)變后殘余應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于熱作模具鋼表面強化的耐磨金屬陶瓷涂層，其特征在于，所述步驟(2)中，可選用乙醇或者丙酮清除鋼基體表面的油污，再對鋼基體的工作層采用打磨或噴砂處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于熱作模具鋼表面強化的耐磨金屬陶瓷涂層，其特征在于，所述步驟(3)中，采用的噴涂粉末的其化學(xué)成份按質(zhì)量百分比優(yōu)選為FeB:10-12%、 Mo :16-18%, Ni 0. 5-0. 8%, Cr :0. 8-1%, C :0. 2-0. 5%、余量為 Fe 粉。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于熱作模具鋼表面強化的耐磨金屬陶瓷涂層，其特征在于，所述步驟(3)中，等離子噴涂加工及自動送粉裝置的工藝參數(shù)為等離子氣體為Ar 氣、送粉氣流量為5-7L · mirT1、電弧的功率為31 35kw、噴涂距離為80_110mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于熱作模具鋼表面強化的耐磨金屬陶瓷涂層，其特征在于，所述步驟(4)中，對等離子噴涂后的制件進行真空燒結(jié)處理，溫度為1100-1200°C，去應(yīng)力退火時間為30min 60min ;優(yōu)選為1140_1200°C，去應(yīng)力退火時間為30min 40min ； 更加優(yōu)選1150-1200°C，去應(yīng)力退火時間為30min 40min。
6.一種用于熱作模具鋼表面強化的耐磨金屬陶瓷涂層的制備方法，其特征在于，按照下述步驟進行步驟(I)對模具鋼基體進行預(yù)熱處理，防止在加工過程中產(chǎn)生變形；步驟(2)對工作層表面進行清理和機械加工；步驟(3)進行等離子噴涂加工，采用的噴涂粉末的其化學(xué)成份按質(zhì)量百分比為FeB: 10-12%,Mo :16-18%,Ni :0. 5-1%, Cr :0. 5-1%, C 0. 2-0. 5%、余量為 Fe 粉；由直流電驅(qū)動的等離子電弧作為熱源，將配制的粉末材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面，同時調(diào)整自動送粉裝置的送粉速率滿足涂層需要；步驟(4)進行后續(xù)熱處理，對等離子噴涂后的制件進行真空燒結(jié)處理，以減少等離子噴涂后涂層及基體組織轉(zhuǎn)變后殘余應(yīng)力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于熱作模具鋼表面強化的耐磨金屬陶瓷涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，可選用乙醇或者丙酮清除鋼基體表面的油污，再對鋼基體的工作層采用打磨或噴砂處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于熱作模具鋼表面強化的耐磨金屬陶瓷涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中，采用的噴涂粉末的其化學(xué)成份按質(zhì)量百分比優(yōu)選為 FeB :10-12%, Mo :16-18%, Ni 0. 5-0. 8%, Cr 0. 8-1%, C 0. 2-0. 5%、余量為 Fe 粉。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于熱作模具鋼表面強化的耐磨金屬陶瓷涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中，等離子噴涂加工及自動送粉裝置的工藝參數(shù)為等離子氣體為Ar氣、送粉氣流量為5-7L .min'電弧的功率為31 35kw、噴涂距離為80_110mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于熱作模具鋼表面強化的耐磨金屬陶瓷涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中，對等離子噴涂后的制件進行真空燒結(jié)處理，溫度為 1100-1200°C，去應(yīng)力退火時間為30min 60min ;優(yōu)選為1140_1200°C，去應(yīng)力退火時間為 30min 40min ;更加優(yōu)選1150-1200°C，去應(yīng)力退火時間為30min 40min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在模具鋼表面制備三元硼化物金屬陶瓷涂層及其工藝，針對熱作模具鋼在工作過程中的失效形式，采用等離子噴涂工藝。該等離子噴涂工藝采用等離子噴涂設(shè)備和同步自動送粉裝置，由直流電驅(qū)動的等離子電弧作為熱源，將配制的粉末材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面，等離子電弧移開后，在模具鋼表面形成附著牢固的涂層，經(jīng)過后期熱處理，使得涂層具有更好的耐磨性、抗熱疲勞性能，最終使工件使用壽命提高1倍或數(shù)倍以上。
文檔編號C23C4/10GK102586716SQ20121009932
公開日2012年7月18日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者余黎明, 劉永長, 檀慧, 秦鳳明 申請人:天津大學(xué)