本發(fā)明屬于材料表面處理和強化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種合金化涂料、制備方法與模具表面處理方法。
背景技術(shù)：
熱作模具在高溫下承受變應(yīng)力和沖擊力，工件成型溫度往往在1000℃以上，還要經(jīng)受高溫氧化、燒損以及在強烈水冷條件下經(jīng)受冷熱變化引起的熱沖擊作用。在服役時需要承受高應(yīng)力、熱沖擊、熱磨損及腐蝕等載荷的作用，故模具壽命很低。為提高壽命，目前采用的主要方法是表面強化。常規(guī)方法有淬火、滲碳、滲氮等，但這些方法的效果非常有限，因為熱作模具工作在高溫環(huán)境，傳統(tǒng)的淬火在高溫環(huán)境下又進入了退火狀態(tài)。另外，對于滲碳這種工藝來說，滲入過多的碳會使熱作模具的韌性降低。
使用激光合金化的方法，可以在熱作模具鋼的表面形成與基體有很好的冶金結(jié)合的合金化層，且在合適的參數(shù)下獲得耐磨、耐高溫、耐沖擊的熱鍛模具合金化層，使熱鍛模具的壽命大大提高。
雖然市面上熱作模具鋼的型號、成分較多，但用于模具激光合金化的合金粉末少之又少。其原因是激光合金化的特殊性，尤其是需要考慮其抗高溫磨損、與基體的合理過渡及適合于激光合金化特性要求等，常規(guī)的合金成分配比用在激光合金化中或者有氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，或者使用性能不能滿足要求。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種合金化涂料，以解決現(xiàn)有的合金成分有氣孔、夾雜、裂紋等缺陷的技術(shù)問題，并對應(yīng)提供其制備方法，同時提供利用該合金化涂料進行模具表面處理方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)進行表面處理的熱作模具使用壽命短的問題。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
一種合金涂料，包括以下質(zhì)量份的原料：SiO2 20~30 份， WC 20~25份， Nb 20~25份，Mo 20~25份，Hf 20~25份，Al 20~25份，Si 20~25份，Be 20~25份，膨潤土 15~25 份，蟲膠6~10份，無水乙醇 300~400份。
SiO2在涂料中的作用：流變助劑在施工過程中,由于涂層邊緣的溶劑揮發(fā)較快,導(dǎo)致表面張力不均勻,容易使涂料向邊緣移動,而二氧化硅網(wǎng)絡(luò)能夠有效的阻止涂料的移動而形成厚邊,同時還防止涂料在固化過程中的流掛現(xiàn)象,使涂層均勻。2、防沉劑，SiO2是一種理想的防沉劑,對于防止涂料體系中顏料的沉淀非常有效,特別是對于色漿的體系,適當?shù)奶砑恿繉⒋蟠筇岣呱珴{的穩(wěn)定性,而且能夠減少潤濕分散劑的量,以提高色漿的適用性,并減少色漿對涂料體系的影響, SiO2的防沉作用對涂料存放非常有利,特別是某些顏料,如金屬粉,都極易沉淀且不能完全懸浮,使用SiO2可保證其分散不沉淀。3、助劑分散 在粉末涂料體系中,由于SiO2的小粒徑和高表面能,它們可以吸附在涂料粉體的表面,并在粉體表面形成一個表層,提高粉料得分散性,故可作為分散劑使用.在同一涂料系統(tǒng)中,加入SiO2可明顯縮短分散時間,提高生產(chǎn)效率.單值得注意的是,先將SiO2分散完全效果更好可以同時搭配其他流變主機助劑一起使用,并利用醇類溶劑調(diào)整SiO2的流變性能。4、SiO2還可以提高涂料的耐侯性、抗劃傷性，提高涂層與基材之間的結(jié)合強度。
WC為陶瓷相，提高涂層硬度。陶瓷相的種類、含量和與金屬潤濕性的匹配，都是基于大量實驗得出的。
Nb、Mo、Hf、Al、Si、Be一起制備成合金粉末，共同構(gòu)成高熵合金。高熵合金具有：熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、.結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)、動力學(xué)上的遲滯擴散效應(yīng)、性能上的“雞尾酒”效應(yīng)。利用這些特性，并結(jié)合理論計算與大量實驗設(shè)計出的高熵合金與WC具有較好的相容性，在激光束輻照后，能細化涂層組織，增強韌性，形成的合金層無空洞裂紋，合金層與基體冶金結(jié)合，結(jié)合強度高。與WC共同作用，能提高高溫耐磨性、耐沖擊性、抗熱裂性、從而提高模具壽命。
其中，所述的SiO2、WC、Nb、Mo、Hf、Al、Si、Be和膨潤土均為粉末且粒度小于3 微米。
一種上述合金化涂料的制備方法，包括以下步驟：
1）將SiO2、WC、Nb、Mo、Hf、Al、Si、Be和膨潤土分別破碎到粒度小于3 微米，然后混合均勻，得到合金粉料，備用。微米級粉末可以最大程度地避免了現(xiàn)有的合金成分的氣孔、夾雜、裂紋等缺陷的產(chǎn)生。
2）將蟲膠用一部分無水乙醇溶解，得到蟲膠的乙醇溶液，備用。蟲膠可以提供涂料的粘結(jié)性，但是要形成均勻的涂料，由于市售蟲膠均為固體，必須先制成溶液才有利于形成懸濁液狀態(tài)的涂料，而之所以使用無水乙醇作溶劑，則是由于蟲膠在無水乙醇中的溶解度較高，同時無水乙醇易于揮發(fā)且對人體基本無害。
3）將合金粉料、蟲膠的乙醇溶液和另一部分無水乙醇用攪拌機攪拌均勻，即得到合金化涂料。
一種模具表面處理方法，該方法是將模具置于上述激光合金涂料中一定時間，然后取出模具，并在保護氣氣氛中用激光器對該模具表面進行熔凝處理，使模具表面形成合金化涂層，即完成模具表面的激光合金化。具體包括以下步驟：
（1）先將模具加熱到70~110℃，再將該模具浸沒于激光合金涂料中1~3s，然后取出該模具靜置至恒重，得到表面粘結(jié)有粉末層的模具。由于模具被加熱，在激光合金涂料中時間較短，取出時仍保持熱態(tài)，因此在熱作用下，模具表面的無水乙醇會迅速揮發(fā)，而其余成分則會在其表面形成一層粘結(jié)牢固的混合粉末，以方便下步熔凝處理。
（2）將表面粘結(jié)有粉末層的模具置于保護氣氣氛中，用激光器對模具表面進行熔凝處理，再于保護氣氣氛中靜置冷卻至室溫，即得到表面具有激光合金化涂層的模具。其中，激光器發(fā)射的激光的功率為1500~1900w，掃描速率為10~13 mm/s，光斑直徑為3~4.5mm，搭接率為20~25% 。
經(jīng)激光熔凝加工后可以得到致密、結(jié)合強度較高的涂層，該涂層能提高模具的使用壽命。這樣的表面具有在高溫下硬度高、光潔度好、磨擦系數(shù)低，幾乎不需要后續(xù)機加工，可直接上生產(chǎn)線使用。
所述的模具為熱作模具。所述的激光器是最大功率為5 kW的CO2激光器，可選用TJ-HL-T5000型CO2激光器。
步驟（2）所述的保護氣氣氛為氬氣氣氛，其中為氬氣的流量為1.0~2.0 L/min。
與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
1、本發(fā)明采用微米級粉末為基礎(chǔ)原料，這樣在乙醇揮發(fā)后，會在模具表面形成致密、光潔的粉末層，避免了現(xiàn)有的合金成分的氣孔、夾雜、裂紋等缺陷的產(chǎn)生。
2、本發(fā)明的激光合金涂料在室溫下即可完成制備，生產(chǎn)工藝簡單易行。
3、目前，熱作模具工作面在高溫環(huán)境連續(xù)使用一段時間后常會出現(xiàn)粘鋼問題，使用本發(fā)明在鋼瓶環(huán)模工作面表面形成新的合金層之后，粘鋼的問題得到明顯的改善。
4、使用激光表面合金化，其表面粗糙度能夠滿足使用要求。除了激光表面合金化這種工藝方案，也有人通過熔覆耐磨耐高溫粉末來提高熱作模具的使用壽命，但是其熔覆層是粗糙的，必須經(jīng)過車、磨等機加工之后才能上線使用，而硬度很高的熔覆層，機加工十分困難，可操作性低。而本發(fā)明通過熱掛膜、激光熔凝處理，其表面較光滑，不需要機加工即可使用，大大提高了可操作性，成本大大降低。
5、采用本發(fā)明給熱作模具工作面激光合金化的生產(chǎn)效率、成本較低，步驟少，便于推廣使用。
6、本發(fā)明經(jīng)生產(chǎn)檢驗超過一年，證明經(jīng)本發(fā)明處理后的熱作模具紅硬性能非常好，粗糙度接近精車的級別。使用效果顯示，能提高模具壽命到原來的2.8倍以上。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
實施例一
制備合金化涂料的原料采用以下質(zhì)量份計算：SiO2 20 份， WC 25份， Nb 25份，Mo 21份，Hf 20份，Al 20份，Si 25份，Be 20份，膨潤土 23 份，蟲膠6~10份，無水乙醇 390份。其中：SiO2、WC、Nb、Mo、Hf、Al、Si、Be和膨潤土均為粉狀，其粒度均在3 微米以下。
合金涂料的具體制備步驟為：
1）將SiO2、WC、Nb、Mo、Hf、Al、Si、Be和膨潤土分別破碎到粒度小于3 微米，然后混合均勻，得到合金粉料，備用。
2）將蟲膠用一部分無水乙醇溶解，得到蟲膠的乙醇溶液，備用。
3）將合金粉料、蟲膠的乙醇溶液和另一部分無水乙醇用攪拌機攪拌均勻，即得到激光合金涂料。
利用上述合金化涂料進行模具表面的激光合金化處理：
1）將熱作模具加工到需要的尺寸；
2將合金化涂料加入大于模具的容器內(nèi)；
3）將熱作模具用箱式電阻爐加熱到105℃，取出后放入裝有合金化涂料的容器內(nèi)，讓涂料淹沒模具，2秒后，從涂料中取出模具，在熱作用下，模具表面的乙醇會迅速揮發(fā)，留下一層粘接牢固的混合粉末。
4）用激光輻照模具表面。采用最大功率為5 kW的TJ-HL-T5000型CO2激光器對模具表面進行熔凝處理，熔凝過程中采用氬氣進行冷卻和保護，流量為1.8 L/min，調(diào)節(jié)激光功率為1800w，掃描速率為13 mm/s，光斑直徑為4.5mm，搭接率為25%，經(jīng)激光熔凝加工后可以得到致密、結(jié)合強度較高涂層。
本實施例處理完后的合金化表面在900℃下硬度平均值為HRC37，較未進行表面合金化處理的有了明顯提升，未進行表面合金化處理的工作面在900℃下硬度平均值為HRC17。經(jīng)生產(chǎn)檢驗，本實施例能提高模具壽命到原來的3.1倍。
實施例二
制備合金化涂料的原料采用以下質(zhì)量份計算：SiO2 25 份， WC 21份， Nb 21份，Mo 25份，Hf 24份，Al 23份，Si 21份，Be 25份，膨潤土 21份，蟲膠8份，無水乙醇 330份。其中：SiO2、WC、Nb、Mo、Hf、Al、Si、Be和膨潤土均為粉狀，其粒度均在3 微米以下。
合金化涂料的具體制備步驟為：
1）將SiO2、WC、Nb、Mo、Hf、Al、Si、Be和膨潤土分別破碎到粒度小于3 微米，然后混合均勻，得到合金粉料，備用。
2）將蟲膠用一部分無水乙醇溶解，得到蟲膠的乙醇溶液，備用。
3）將合金粉料、蟲膠的乙醇溶液和另一部分無水乙醇用攪拌機攪拌均勻，即得到合金涂料。
利用上述合金化涂料進行模具表面的激光合金化處理：
1）將熱作模具加工到需要的尺寸；
2將合金化涂料加入大于模具的容器內(nèi)；
3）將熱作模具用箱式電阻爐加熱到100℃，取出后放入裝有合金化涂料的容器內(nèi)，讓涂料淹沒模具，2秒后，從涂料中取出模具，在熱作用下，模具表面的乙醇會迅速揮發(fā)，留下一層粘接牢固的混合粉末。
4）用激光輻照模具表面。采用最大功率為5 kW的TJ-HL-T5000型CO2激光器對模具表面進行熔凝處理，熔凝過程中采用氬氣進行冷卻和保護，流量為1.8 L/min，調(diào)節(jié)激光功率為1800w，掃描速率為12 mm/s，光斑直徑為4mm，搭接率為20%，經(jīng)激光熔凝加工后可以得到致密、結(jié)合強度較高涂層。
本實施例處理完后的合金化表面在900℃下硬度平均值為HRC38，較未進行表面合金化處理的有了明顯提升，未進行表面合金化處理的工作面在900℃下硬度平均值為HRC17。經(jīng)生產(chǎn)檢驗，本實施例能提高模具壽命到原來的3.7倍。
本發(fā)明的上述實施例僅僅是為說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。