專利名稱：：一種用于熱鍛模具的納米復(fù)合耐磨涂層組合物及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是表面工程領(lǐng)域，具體是一種用于熱鍛模具的納米復(fù)合耐磨涂層組合物及其應(yīng)用。技術(shù)背景提高模具壽命的主要途徑是表面強(qiáng)化處理。模具的表面強(qiáng)化處理是指用機(jī)械、物理或化學(xué)方法對(duì)模具工作表面進(jìn)行改性或覆層等處理，使模具在保證高的強(qiáng)韌性基礎(chǔ)上，具有更高的強(qiáng)度、硬度、耐磨，同時(shí)獲得優(yōu)異的抗高溫疲勞、氧化、抗咬合、抗粘著、抗擦傷、耐腐蝕等性能。目前常用的表面強(qiáng)化技術(shù)處理溫度較高，導(dǎo)致模具變形，影響了模具表面質(zhì)量和尺寸精度。如滲碳處理溫度高于90(TC;滲氮處理高于55(TC。電鍍技術(shù)雖然溫度低于IO(TC，但對(duì)形狀復(fù)雜的零件，存在鍍層厚度不均勻、結(jié)合力差，尺寸精度低等許多問題。因此為適應(yīng)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的需要，亟待發(fā)展新的納米化表面強(qiáng)化技術(shù)。熱鍛模具現(xiàn)在常用Hll、H12或H13等耐熱模具鋼通過熱處理和電火花加工成形，該材料中由于加入了W、V、Mo、Cr等合金元素，增加馬氏體的回火穩(wěn)定性來提高抗高溫性能，以及依靠回火過程有限的碳化物彌散沉淀得到一定的強(qiáng)化，耐磨性不僅與硬度有關(guān)還與鋼中碳化物的數(shù)量、大小及分布有關(guān)，因此，雖然該材料有較好的耐熱性，但高溫的耐沖擊磨損性能不高，導(dǎo)致高溫磨損失效，失效部位主要體現(xiàn)在模腔應(yīng)力集中點(diǎn)或高溫聚集點(diǎn)，如模腔邊緣、中央凸塊處等.激光加工技術(shù)在模具上應(yīng)用已經(jīng)受到人們的廣泛重視。利用高能量密度的激光對(duì)模具進(jìn)行表面處理，從而改變模具表層的顯微結(jié)構(gòu)或成分，實(shí)現(xiàn)模具表面強(qiáng)化或修復(fù)。目前，我國已開展這方面的研究，這些研究主要集中在激光表面淬火、激光表面合金化、激光熔覆。強(qiáng)化的目的主要是在金屬表面形成淬硬層，改變表層成分和涂覆一層耐磨層，如球墨鑄鐵凸輪軸激光表面強(qiáng)化處理;45鋼表面激光熔覆A1203—NiCrAl處理；鋼基表面熔覆陶瓷層；熔覆SiC、B4C、A1203、WC陶瓷增強(qiáng)材料涂層；不銹鋼1Crl8M9Ti表面激光熔覆等。這些研究表明激光表面處理能提高材料的耐磨性。但是這些研究其一，幾乎都處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，還沒有廣泛的工業(yè)化應(yīng)用；其二，激光表面處理的零件往往形狀比較簡單；其三，處理的基體材料種類比較少；其四，激光處理方法比較單一。而迄今為止，國內(nèi)外用激光直接制備納米復(fù)合耐磨涂層并應(yīng)用在服役條件比較惡劣的熱鍛模具表面處理中的資料也未見報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于熱鍛模具的納米復(fù)合耐磨涂層組合物及其應(yīng)用，即利用激光處理法在熱鍛模具表面獲得納米復(fù)合耐磨涂層，使其易損部位具有高硬度高耐磨性，從而提高使用壽命。本發(fā)明所述用于熱鍛模具的納米復(fù)合耐磨涂層組合物，其原料組成如下體積比為h14的納米陶瓷粉末與碳納米管和體積為納米陶瓷粉末和碳納米管混合體體積40~50%的鈷，及體積為納米陶瓷粉末和碳納米管混合體體積34倍的粘結(jié)劑。本發(fā)明中所述的納米陶瓷粉末為納米氧化物、納米氮化物或納米碳化物，優(yōu)選納米氧化鋁、納米氧化硅、納米氧化鈦、納米氮化硅、納米氮化鈦、納米碳化硅或納米碳化鈦。所述的碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管。所述粘結(jié)劑為通用的酚醛清漆，任何專業(yè)技術(shù)人員都可以很方便地得到并應(yīng)用。所述粘結(jié)劑的體積優(yōu)選為納米陶瓷粉末和碳納米管混合體體積的3倍。上述納米復(fù)合耐磨涂層組合物可應(yīng)用于熱鍛模具表面，具體的應(yīng)用按如下步驟進(jìn)行先對(duì)熱鍛模具表面需處理部位作清潔處理，將體積比為1:1~4的納米陶瓷粉末與碳納米管及體積為納米陶瓷粉末和碳納米管混合體體積4050%的鈷混合，添加體積為納米陶瓷粉末和碳納米管混合體體積34倍的粘結(jié)劑，混合均勻后，涂敷于熱鍛模具需處理部位表面形成涂層，涂敷厚度為0.20.5mm，然后用高能激光束對(duì)所述涂層進(jìn)行掃描處理，處理完畢后自然冷卻，最終在熱鍛模具表面形成納米復(fù)合耐磨涂層。一般而言，上述需處理部位主要為熱鍛模具的易損部位，故在制備之初，需針對(duì)不同的熱鍛模具，確定其容易造成磨損失效的部位。上述應(yīng)用的激光掃描處理過程中，激光大部分能量能夠被預(yù)置涂層和基體材料表面層吸收。在高能激光束的作用下，使得混合體與金屬基體表面層在短時(shí)間內(nèi)熔化，產(chǎn)生熔池。本發(fā)明激光掃描處理推薦采用如下工藝參數(shù)功率密度1347kw/cm2，激光作用時(shí)間0.0170.24s。所述的激光掃描處理采用高能激光源，所述的高能激光源推薦二氧化碳激光，可根據(jù)涂層面積選擇相應(yīng)的光斑。在激光掃描處理同時(shí)對(duì)激光掃描區(qū)域進(jìn)行同步惰性氣體保護(hù)，所述的惰性氣體為氬氣、氦氣或氮?dú)?。所述熱鍛模具材料為常見的Hll、H12或H13。本發(fā)明采用簡單的激光直接處理技術(shù)，通過調(diào)整工藝參數(shù)，在熱鍛模具表面獲得復(fù)合耐磨涂層，具有高硬度、高耐磨性、高減磨性，能夠延長模具的失效周期，提高模具的使用壽命。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下效果(1)能在模具表面直接獲得納米復(fù)合耐磨涂層，增加脫模性能；(2)涂層為納米陶瓷和納米碳材料的復(fù)合體；(3)涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，為冶金結(jié)合；(4)復(fù)合耐磨涂層的性價(jià)比高，并且處理速度快，效率高，適應(yīng)性強(qiáng)，增加模具使用壽命35%以上。具體實(shí)施方式下面以具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此本發(fā)明所用酚醛清漆購自浙江蘭歌化學(xué)工業(yè)有限公司。實(shí)施例1在Hll材料模具上制備納米復(fù)合耐磨涂層。涂前需要對(duì)模具表面需處理部位去油污清潔處理，將體積比為l:4的納米氧化鋁粉末與單壁碳納米管材料混合后，鈷的添加量為納米氧化鋁粉末與單壁碳納米管材料混合體積的40%，再加入粘結(jié)劑酚醛清漆充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，酚醛清漆的添加量與納米氧化鋁粉末和單壁碳納米管材料的混合體積的配比為3:1，將上述混合體預(yù)置于模具相應(yīng)部位，涂敷厚度為0.5mm，用二氧化碳激光器產(chǎn)生的高能激光束對(duì)涂層實(shí)施激光強(qiáng)化處理，在激光掃描處理同時(shí)對(duì)激光掃描區(qū)域進(jìn)行同步惰性氣體保護(hù)，氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣體，激光工藝參數(shù)如下功率密度13kw/cm2，激光作用時(shí)間0.24秒，獲得模具表面的納米復(fù)合耐磨涂層，并且與基體形成冶金結(jié)合。待自然冷卻后測試表面性能，結(jié)果見表l。實(shí)施例2在H12材料模具上制備納米復(fù)合耐磨涂層。涂前需要對(duì)模具表面需處理部位去油污清潔處理，將體積比為1:1的納米氧化硅粉末與多壁碳納米管材料混合，鈷的添加量為納米氧化硅粉末與多壁碳納米管混合體積的50%，再加入粘結(jié)劑酚醛清漆混合均勻，酚醛清漆的添加量與納米氧化硅粉末和多壁碳納米管材料的混合體積的配比為3:1，將上述混合體預(yù)置于模具相應(yīng)部位，涂敷厚度為0.2111111，用二氧化碳激光器產(chǎn)生的高能激光束對(duì)涂層實(shí)施激光強(qiáng)化處理，在激光掃描處理同時(shí)對(duì)激光掃描區(qū)域進(jìn)行同步惰性氣體保護(hù)，氬氣為保護(hù)氣體，激光工藝參數(shù)為功率密度47kw/cm2，激光作用時(shí)間0.017秒，獲得模具表面的納米復(fù)合耐磨涂層，并且與基體形成冶金結(jié)合，待自然卻后測試表面性能，結(jié)果見表l。實(shí)施例3在H13材料模具上制備納米復(fù)合耐磨涂層。涂前需要對(duì)模具表面處理部位去油污清潔處理，將體積比為l:2的納米氧化鈦粉末與多壁碳納米管材料混合，鈷的添加量為納米氧化鈦粉末與多壁碳納米管材料混合體積的43%，再加入粘結(jié)劑酚醛清漆混合均勻，酚醛清漆的添加量與納米氧化鈦粉末和多壁碳納米管材料混合體積的配比為3:1，將上述混合體預(yù)置于模具相應(yīng)部位，涂敷厚度為0.3mm，用二氧化碳激光器產(chǎn)生的高能激光束對(duì)涂層實(shí)施激光強(qiáng)化處理，在激光掃描處理同時(shí)對(duì)激光掃描區(qū)域進(jìn)行同步惰性氣體保護(hù)，氦氣為保護(hù)氣體，激光工藝參數(shù)為功率密度41kw/cm2，激光作用時(shí)間0.095秒，獲得模具表面的納米復(fù)合耐磨涂層，并且與基體形成冶金結(jié)合。待自然冷卻后測試表面性能，結(jié)果見表l。實(shí)施例4在H13材料模具上制備納米復(fù)合耐磨涂層。涂前需要對(duì)模具表面處理部位去油污清潔處理，將體積比為1:3的納米氮化鈦粉末與多壁碳納米管材料混合，鈷的添加量為納米氮化鈦粉末與多壁碳納米管材料混合體積的46%，再加入粘結(jié)劑酚醛清漆混合均勻，酚醛清漆的添加量與納米氮化鈦粉末和多壁碳納米管材料混合體積的配比為3:1，將上述混合體預(yù)置于模具相應(yīng)部位，涂敷厚度為0.4mm，用二氧化碳激光器產(chǎn)生的高能激光束對(duì)涂層實(shí)施激光強(qiáng)化處理，在激光掃描處理同時(shí)對(duì)激光掃描區(qū)域進(jìn)行同步惰性氣體保護(hù)，保護(hù)氣體為氮?dú)猓す夤に噮?shù)為功率密度35kw/cm2，激光作用時(shí)間0.11秒，獲得模具表面的納米復(fù)合耐磨涂層，并且與基體形成冶金結(jié)合。待自然冷卻后測試表面性能，結(jié)果見表l。實(shí)施例5在H13材料模具上制備納米復(fù)合耐磨涂層。涂前需要對(duì)模具表面處理部位去油污清潔處理，將體積比為1:1.5的納米氮化硅粉末與多壁碳納米管材料混合，鈷的添加量為納米氮化硅粉末與多壁碳納米管材料混合體積的42%，再加入粘結(jié)劑酚醛清漆混合均勻，酚醛清漆的添加量與納米氮化硅粉末和多壁碳納米管材料混合體積的配比為3:1，將上述混合體預(yù)置于模具相應(yīng)部位，涂敷厚度為0.25mm，用二氧化碳激光器產(chǎn)生的高能激光束對(duì)涂層實(shí)施激光強(qiáng)化處理，在激光掃描處理同時(shí)對(duì)激光掃描區(qū)域進(jìn)行同步惰性氣體保護(hù)，保護(hù)氣體為氮?dú)?，激光工藝參?shù)為功率密度28kw/cm2，激光作用時(shí)間0.13秒，獲得模具表面的納米復(fù)合耐磨涂層，并且與基體形成冶金結(jié)合。待自然冷卻后測試表面性能，結(jié)果見表l。實(shí)施例6在H13材料模具上制備納米復(fù)合耐磨涂層。涂前需要對(duì)模具表面處理部位去油污清潔處理，將體積比為1:3的納米碳化鈦粉末與多壁碳納米管材料混合，鈷的添加量為納米碳化鈦粉末與多壁碳納米管材料混合體積的46%，再加入粘結(jié)劑酚醛清漆混合均勻，酚醛清漆的添加量與納米碳化鈦粉末和多壁碳納米管材料混合體積的配比為3:1，將上述混合體預(yù)置于模具相應(yīng)部位，涂敷厚度為0.2mm，用二氧化碳激光器產(chǎn)生的高能激光束對(duì)涂層實(shí)施激光強(qiáng)化處理，在激光掃描處理同時(shí)對(duì)激光掃描區(qū)域進(jìn)行同步惰性氣體保護(hù)，保護(hù)氣體為氮?dú)?，激光工藝參?shù)為功率密度24kw/cm2，激光作用時(shí)間0.14秒，獲得模具表面的納米復(fù)合耐磨涂層，并且與基體形成冶金結(jié)合。待自然冷卻后測試表面性能，結(jié)果見表l。實(shí)施例7在H13材料模具上制備納米復(fù)合耐磨涂層。涂前需要對(duì)模具表面處理部位去油污清潔處理，將體積比為1:2.2的納米碳化硅粉末與多壁碳納米管材料混合，鈷的添加量為納米碳化硅粉末與多壁碳納米管材料混合體積的48%，再加入粘結(jié)劑酚醛清漆混合均勻，酚醛清漆的添加量與納米碳化硅粉末和多壁碳納米管材料混合體積的配比為3:1，將上述混合體預(yù)置于模具相應(yīng)部位，涂敷厚度為0.4mm，用二氧化碳激光器產(chǎn)生的高能激光束對(duì)涂層實(shí)施激光強(qiáng)化處理，在激光掃描處理同時(shí)對(duì)激光掃描區(qū)域進(jìn)行同步惰性氣體保護(hù)，保護(hù)氣體為氮?dú)?，激光工藝參?shù)為功率密度19kw/cm2，激光作用時(shí)間0.19秒，獲得模具表面的納米復(fù)合耐磨涂層，并且與基體形成冶金結(jié)合。待自然冷區(qū)后測試表面性能，結(jié)果見表l。對(duì)以上實(shí)施例分別進(jìn)行測試表面硬度、耐磨性和使用壽命，所獲得數(shù)據(jù)如表l。表l實(shí)施例的表面硬度、耐磨性和使用壽命(作為對(duì)比的H13基體硬度為400HVa2)<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>權(quán)利要求1.一種用于熱鍛模具的納米復(fù)合耐磨涂層組合物，其特征在于所述組合物的原料組成如下體積比為1∶1～4的納米陶瓷粉末與碳納米管和體積為納米陶瓷粉末和碳納米管混合體體積40～50％的鈷，及體積為納米陶瓷粉末和碳納米管混合體體積3～4倍的粘結(jié)劑。2.如權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合耐磨涂層組合物，其特征在于所述的納米陶瓷粉末為納米氧化物、納米氮化物或納米碳化物。3.如權(quán)利要求2所述的納米復(fù)合耐磨涂層組合物，其特征在于，所述的納米陶瓷粉末為納米氧化鋁、納米氧化硅、納米氧化鈦、納米氮化硅、納米氮化鈦、納米碳化硅或納米碳化鈦。4.如權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合耐磨涂層組合物，其特征在于，所述的碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管。5.如權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合耐磨涂層組合物，其特征在于，所述粘結(jié)劑為酚醛清漆。6.—種如權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合耐磨涂層組合物的應(yīng)用，其特征在于所述的應(yīng)用按如下步驟進(jìn)行先對(duì)熱鍛模具表面需處理部位作清潔處理，將體積比為l:14的納米陶瓷粉末與碳納米管及體積為納米陶瓷粉末和碳納米管混合體體積40~50%的鈷混合，添加體積為納米陶瓷粉末和碳納米管混合體體積3~4倍的粘結(jié)劑，混合均勻后，涂敷于熱鍛模具需處理部位表面形成涂層，涂敷厚度為0.20.5mm，然后用高能激光束對(duì)所述涂層進(jìn)行掃描處理，處理完畢后自然冷卻，最終在熱鍛模具表面形成納米復(fù)合耐磨涂層。7.如權(quán)利要求6所述的納米復(fù)合耐磨涂層組合物的應(yīng)用，其特征在于，所述的激光掃描處理采用如下工藝參數(shù)功率密度1347kw/cm2，激光作用時(shí)間0.017~0.24s。8.如權(quán)利要求7所述的納米復(fù)合耐磨涂層組合物的應(yīng)用，其特征在于，所述的激光掃描處理采用高能激光源，所述的高能激光源為二氧化碳激光。9.如權(quán)利要求6所述的納米復(fù)合耐磨涂層組合物的應(yīng)用，其特征在于，在激光掃描處理同時(shí)對(duì)激光掃描區(qū)域進(jìn)行同步惰性氣體保護(hù)，所述的惰性氣體為氬氣、氦氣或氮?dú)狻?0.如權(quán)利要求69之一所述的納米復(fù)合耐磨涂層組合物的應(yīng)用，其特征在于，所述熱鍛模具材料為Hll、H12或H13。全文摘要本發(fā)明公開了一種用于熱鍛模具的納米復(fù)合耐磨涂層組合物及其應(yīng)用，所述組合物的原料組成如下體積比為1∶1～4的納米陶瓷粉末與碳納米管和體積為納米陶瓷粉末和碳納米管混合體體積40～50％的鈷，及體積為納米陶瓷粉末和碳納米管混合體體積3～4倍的粘結(jié)劑。該組合物的應(yīng)用如下將組分量的納米陶瓷粉末與碳納米管及鈷混合，添加組分量的粘結(jié)劑，混合均勻后，涂敷于熱鍛模具需處理部位表面形成涂層，涂敷厚度為0.2～0.5mm，然后用高能激光束對(duì)所述涂層進(jìn)行掃描處理，最終在熱鍛模具表面形成納米復(fù)合耐磨涂層。所獲得的納米復(fù)合耐磨涂層，具有高硬度、高耐磨性、高減磨性，且處理速度快，效率高，適應(yīng)性強(qiáng)，能增加模具使用壽命35％以上。文檔編號(hào)C23C24/00GK101210325SQ20071016461公開日2008年7月2日申請(qǐng)日期2007年12月25日優(yōu)先權(quán)日2007年12月25日發(fā)明者姚建華,孔凡志,樓程華申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué);杭州博華激光技術(shù)有限公司