專利名稱：一種模具鋼基體碳化鎢增強復(fù)合材料強化層及制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模具鋼基體碳化鎢增強復(fù)合材料表面強化層，屬于表面材料制備及表面加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，模具表面缺陷的修復(fù)或強化采用的是電弧堆焊、電火花沉積、電刷鍍、激光熔覆或“噴涂+重熔”等工藝制備模具表面修復(fù)層或強化層。H13鋼(美國牌號)是世界范圍內(nèi)普遍使用的強韌兼具的熱作模具鋼，相當于國內(nèi)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(wěn)定性。基于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(yīng)用。但由于熱作模具鋼的工作條件惡劣，不僅要反復(fù)經(jīng)歷高溫-低溫熱循環(huán)作用，而且要承受較大的交變應(yīng)力，使得模具表面常常因磨損或熱疲勞產(chǎn)生缺陷，所以模具表面強化(延壽技術(shù))與缺陷修復(fù)一直是相關(guān)企業(yè)要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一(趙峰 表面工程技術(shù)在模具制造中的應(yīng)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(shù)是在模具的型腔易損部位沉積一層耐磨改性層，改性后模具工作表面具有高的硬度，而內(nèi)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(fā)揮模具材料的性能潛力。模具修復(fù)技術(shù)是對模具已損壞的部位進行修復(fù)，并使其恢復(fù)原狀(形狀和性能)，加工處理后的模具能繼續(xù)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(fù)或強化的主要工程手段有電弧堆焊、電火花沉積、電刷鍍和激光熔覆等方法(郭小燕等表面技術(shù)在模具修復(fù)中的應(yīng)用進展.表面技術(shù)，2007，36 (6)，70-7 。在制備模具表面修復(fù)(強化)層的工藝方法中，電弧堆焊往往由于熱輸入量很大，在被修復(fù)模具上造成的熱影響區(qū)很大，容易導(dǎo)致模具變形甚至開裂；電火花沉積方法，由于沉積層與基體的結(jié)合質(zhì)量不確定，特別是孔隙率和致密性不連續(xù)，有些擬用的修復(fù)材料，如合金系統(tǒng)成分復(fù)雜，或?qū)τ诟哂捕?、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(fù)量較大時，生產(chǎn)效率極低，修復(fù)成本很高(徐東等電火花表面處理技術(shù)在模具上的應(yīng)用.裝備制造技術(shù)，2010，4 =150-153)；對于電刷鍍方法，鍍層一般很薄，大都小于0. 3mm，而且因為鍍層與基體的結(jié)合是一種機械結(jié)合，所以與基體結(jié)合強度較低，使以上各種方法的實際應(yīng)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(fù).模具工業(yè)，2007，33 ), 64-66)；激光熔覆法由于設(shè)備一次投資大，推廣和應(yīng)用還有一定困難(江勝波等激光熔覆修復(fù)報廢鍛壓模具涂層組織與性能研究.材料熱處理技術(shù)，2009 (38)，86-88)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)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，由于模具材料長期承受熱疲勞或交變應(yīng)力作用而產(chǎn)生各種表面缺陷，本發(fā)明的一種模具鋼基體碳化鎢增強復(fù)合材料表面強化層及其制備工藝，是采用等離子噴焊技術(shù)在模具鋼表面制備碳化鎢增強的復(fù)合材料表面層，達到修復(fù)缺陷或強化基體的作用，恢復(fù)并延長模具的使用壽命。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是—種模具鋼基體碳化鎢增強復(fù)合材料表面強化層，其化學(xué)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，F(xiàn)e :4. 50-5. 50，余量:Ni，噴焊層內(nèi)的主要強化相有 WC、Cr7C3、Ni4B3 和 Co7W6°一種用于上述模具鋼基體碳化鎢增強復(fù)合材料表面強化層的制備工藝，采用等離子噴焊，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)采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%，機械攪拌混合均勻后放入送粉器，噴焊粉末合金的總重量根據(jù)噴焊層的要求的厚度和面積確定；c)等離子噴焊系統(tǒng)采用的是氬與氫構(gòu)成的混合氣體，其中氫氣的比例為 20% -25%，引燃等離子弧，調(diào)節(jié)電弧電流為23-25A，電壓為35-38V，待電弧穩(wěn)定后開始自動送粉噴焊，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(jù)使用要求，可以進行多道、多層噴焊，噴焊層厚度可在較寬范圍內(nèi)(0.5mm-4mm)調(diào)整。保持噴焊參數(shù)穩(wěn)定，可獲得表面平整、組織均勻的表面強化層。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點和進步本發(fā)明采用等離子噴焊在模具鋼基體表面制備碳化鎢增強的復(fù)合材料強化層，由于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(qū)范圍減小，而且使碳化鎢作為硬質(zhì)點增強相盡可能多地保留下來，與火焰噴焊或激光熔覆等方法制備的表面層相比，該表面層具有厚度控制方便，表面質(zhì)量好，硬度高的特點，是一種理想的模具表面缺陷修復(fù)方法或強化手段。采用“熱噴涂+重熔”工藝或電弧粉末堆焊工藝，也可以制備類似的表面層，但由于重熔過程會導(dǎo)致較大的熱輸入，不僅使熱影響區(qū)范圍擴大，而且會熔化掉大部分涂層內(nèi)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復(fù)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復(fù)合材料表面層XRD分析。
具體實施例方式本發(fā)明是采用等離子噴焊工藝配合特定化學(xué)成分的粉體材料鎳基自熔性合金與鈷基碳化鎢的混合物，其粒度范圍為45 μ m-85 μ m,在模具鋼表面制備復(fù)合材料強化層，該強化層的化學(xué)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，余量:Ni，噴焊層內(nèi)的主要強化相有WC、Cr7C3、Ni4B3和Co7W6等；與傳統(tǒng)工藝
4制備的復(fù)合材料涂層相比，采用本發(fā)明制備的復(fù)合材料涂層具有組織均勻，強化相易于在噴焊粉末中添加并在所獲涂層中得以保留，且在保持基體熱影響區(qū)相對較窄的條件下可獲得較大的涂層厚度。本發(fā)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污；2)等離子噴焊系統(tǒng)采用的是氬與氫構(gòu)成的混合氣體，其中氫氣的比例為 20% -25%,電流調(diào)節(jié)為23-25A，待電弧穩(wěn)定后開始自動送粉噴焊，控制噴槍移動速度 (15cm-20cm/min.)與送粉率(70-80g/min)，根據(jù)使用要求，可以進行多道、多層噴輝，噴焊層的厚度可在較寬范圍內(nèi)(0.5mm-4mm)調(diào)整；與采用傳統(tǒng)表面工程方法制備涂層相比，該噴焊層具有化學(xué)成分均勻、厚度易于控制和結(jié)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(yīng)，聯(lián)生結(jié)晶形成的柱狀晶垂直于界面生長，屬于典型的冶金結(jié)合，確保了噴焊層與基體之間的結(jié)合強度，參閱圖1(a) 所示。XRD衍射(參閱圖幻分析發(fā)現(xiàn)，表面噴焊層內(nèi)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(fā)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；并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)，充分攪拌均勻后放入送粉器，噴焊粉末合金的總重量根據(jù)噴焊層的厚度和面積確定；b)引燃等離子弧，調(diào)節(jié)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(jù)厚度要求，可以進行多道、多層噴焊。 保持噴焊參數(shù)穩(wěn)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 (大約相當于HRC56)， 噴焊層的平均硬度為HV720 (大約相當于HRC61)。e)根據(jù)添加WC/Co粉末比例的不同，獲得的噴焊層化學(xué)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,余量Ni.。(2)C 2. 16 ；Si 3. 52 ；Cr 14. 75 ；B 3. 45 ；W 8. 10 ；Co 2. 56 ；Fe 4. 62，余量:Ni.。(3)C 2. 45 ；Si 3. 85 ； Cr 15. 25 ；B :3. 65 ；W :8. 50 ；Co :2. 85 ；Fe :5. 50，余量=Ni.。采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(nèi)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(quán)利要求
1.一種模具鋼基體碳化鎢增強復(fù)合材料表面強化層，其特征在于，其化學(xué)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，F(xiàn)e :4. 50-5. 50，余量:Ni，噴焊層內(nèi)的主要強化相有 WC、Cr7C3、Ni4 和 Co7W6°
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模具鋼基體碳化鎢增強復(fù)合材料表面強化層，其特征在于，其化學(xué)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，余量Ni，噴焊層內(nèi)的主要強化相有WC、Cr7C3、Ni4B3和Co7W6。
3.一種用于權(quán)利要求1所述的模具鋼基體碳化鎢增強復(fù)合材料表面強化層的制備工藝，其特征在于，采用等離子噴焊，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)采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%，機械攪拌混合均勻后放入送粉器，噴焊粉末合金的總重量根據(jù)噴焊層的要求的厚度和面積確定；c)等離子噴焊系統(tǒng)采用的是氬與氫構(gòu)成的混合氣體，其中氫氣的比例為20%-25%, 引燃等離子弧，調(diào)節(jié)電弧電流為23-25A，電壓為35-38V，待電弧穩(wěn)定后開始自動送粉噴焊， 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(jù)使用要求，可以進行多道、多層噴焊，噴焊層厚度可在較寬范圍內(nèi)(0.5mm-4mm)調(diào)整。保持噴焊參數(shù)穩(wěn)定，可獲得表面平整、 組織均勻的表面強化層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模具鋼基體碳化鎢增強復(fù)合材料表面強化層及其制備工藝，屬于表面材料制備及表面加工技術(shù)領(lǐng)域。表面強化層化學(xué)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，F(xiàn)e4.50-5.50，余量Ni，噴焊層內(nèi)的主要強化相有WC、Cr7C3、Ni4B3和Co7W6。采用等離子噴焊制備表面強化層的工藝對H13鋼基體表面清理；采用氬與氫的混合氣體，制備得到厚度符合要求的噴焊層；控制每道間搭接量，獲得的復(fù)合材料表面層可達到修復(fù)缺陷或強化基體作用，恢復(fù)并延長模具使用壽命。
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(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者盧寶勝, 宮文彪, 尤群, 王文權(quán), 黃詩銘 申請人:一汽鑄造有限公司, 吉林大學(xué)