一種型材擠壓模具表面強(qiáng)化復(fù)合材料制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及模具鋼材料領(lǐng)域，特別是一種型材擠壓模具表面強(qiáng)化復(fù)合材料制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]黑色金屬擠壓工藝最早應(yīng)用于軍事工業(yè)，二戰(zhàn)結(jié)束后，擠壓工藝得到了長足的進(jìn)展，成為工業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，尤其是型材擠壓工藝得到了快速發(fā)展，從建筑鋁型材到高速列車車體的廣泛應(yīng)用。目前，型材擠壓模具的使用壽命占整個(gè)型材產(chǎn)品成本的比重為22%，型材擠壓模具由于擠壓過程受力條件極為惡劣，型材擠壓模具經(jīng)常因?yàn)楫a(chǎn)生過量磨損而報(bào)廢，型材擠壓模具材料要求高的硬度、強(qiáng)度韌性和耐磨性其中硬度高(HRC ^ 58-64)，才能保證模具在被加工材料產(chǎn)生變形時(shí)，模具本身不產(chǎn)生變形和開裂，高的耐磨性是模具長期使用不走形。高耐磨性是以高硬度為基礎(chǔ)的。同時(shí)要求有足夠的強(qiáng)度與韌性，高的強(qiáng)度會(huì)提高模具的變形抗力，高的韌性防止沖擊載荷下的脆斷。還要求有良好的疲勞性能和良好的抗咬合能力。傳統(tǒng)的型材擠壓模具材料主要通過添加T1、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe金屬元素達(dá)到提高硬度，強(qiáng)度和耐磨性的目的。目前建筑用型材和高速列車車體高端型材需求量非常大，型材擠壓技術(shù)發(fā)展非常迅速，但是型材擠壓成形比一般擠壓需要的載荷力更大，開發(fā)高強(qiáng)度高耐磨型材擠壓模具材料十分必要。目前世界上主要開了 4Cr5MoSiVl、3Cr2W8V等合金鋼用于型材擠壓成形，但是存在模具使用壽命短的問題。在專利申請?zhí)?01171488的專利中提出了一種加稀土金屬鈮或加鋁的中合金鉻系熱作模具鋼，通過增加合金元素的合金化手段，上述專利通過添加稀有金屬增加了模具成本，同時(shí)提高耐磨性非常有限。
[0003]基于上述目的，型材擠壓模具表面強(qiáng)化可有效改善型材擠壓模具性能，從而延長其在型材擠壓過程中的壽命的有效方法。目前，在諸多表面強(qiáng)化方法中，基本可以分為兩類，一類是擴(kuò)散覆層，另一類是熔覆層。擴(kuò)散覆層表面強(qiáng)化的常用方法主要包括:陽極氧化、鉻酸鹽化學(xué)氧化、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、電弧噴涂、電鍍以及微弧氧化等。但這些方法獲得的強(qiáng)化層較薄，不致密，強(qiáng)化層與基體之間屬機(jī)械結(jié)合界面或擴(kuò)散結(jié)合界面，結(jié)合強(qiáng)度不高，容易產(chǎn)生開裂、脫落，直接導(dǎo)致耐磨性能的降低。熔覆層表面強(qiáng)化的典型手段是激光表面處理，可以在型材擠壓模具表面上獲得厚而致密的強(qiáng)化層，且強(qiáng)化層與基體間屬冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，同時(shí)表面強(qiáng)化只對表層起作用，不影響基體的性質(zhì)。但該類熔覆層表面強(qiáng)化技術(shù)均屬于局部加熱，且型材擠壓模具的導(dǎo)熱系數(shù)大，因此熔覆層至基體熱影響區(qū)容易產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力而出現(xiàn)微裂紋、氣孔等缺陷，導(dǎo)致不能發(fā)生良好的冶金結(jié)合。由于上述方法存在的問題，因此，本發(fā)明采用一種型材擠壓模具表面強(qiáng)化復(fù)合材料制備方法，通過在型材擠壓模具表面形成一種高強(qiáng)度的復(fù)合材料層，從而達(dá)到提高型材擠壓模具表面硬度，強(qiáng)度和耐磨性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明專利的目的是:本發(fā)明的目的是要提供一種型材擠壓模具表面強(qiáng)化復(fù)合材料制備方法，通過在型材擠壓模具表面形成一種高強(qiáng)度的復(fù)合材料層，從而達(dá)到提高型材擠壓模具表面硬度，強(qiáng)度和耐磨性，較傳統(tǒng)的4Cr5MoSiVl、3Cr2W8V等合金鋼的強(qiáng)度、韌性、硬度和疲勞性能大幅提升。
[0005]本發(fā)明專利的技術(shù)方案是:本發(fā)明是一種型材擠壓模具表面強(qiáng)化復(fù)合材料制備方法，通過采用機(jī)械化球磨設(shè)備制備超細(xì)混合粉末，混合粉末包括:納米管干粉NTS、Zr、T1、Zr02、Si02、和SiC六種微粉，按照摩爾比7:6:3:3:7:3組成，粒度分布在0.3?1.65微米之間；對基體型材擠壓模具型腔表面依次經(jīng)過表面砂紙打磨、乙醇超聲波清洗20-30分鐘、堿液清洗5-12分鐘、中和5-12分鐘、蒸餾水5-12分鐘、烘干過程5_12分鐘，去除表面結(jié)晶水氧化膜，對基體型材擠壓模具型腔表面實(shí)現(xiàn)清潔處理；采用電泳法將混合粉末涂覆于清潔處理后的基體型材擠壓模具型腔表面，在基體型材擠壓模具表面涂覆混合超細(xì)粉末層；將表面涂覆超細(xì)混合粉末層與型材擠壓模具一同置入燒結(jié)爐中保持1400°C，由于溫度梯度分布，基體型材擠壓模具型腔表面加熱至1380°C左右，而表面涂覆混合粉末層則被加熱至1420°C左右，兩者同時(shí)被保持30分鐘；表面涂覆混合粉末層在1420°C保持30分鐘，表面涂覆混合粉末層發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，物理化學(xué)反應(yīng)完成后，生成多相組織復(fù)合材料層，所述的多相組織復(fù)合材料層包括碳納米管NTS、Si02、Zr02、Ti02、SiC，晶粒尺寸分布于亞微米至納米之間。在型材擠壓模具表面形成一種高強(qiáng)度的復(fù)合材料層。
[0006]—種型材擠壓模具表面強(qiáng)化復(fù)合材料制備方法，由于反應(yīng)生成Ti02和Zr02，在WCrMoV基體材料表面還有NTS、Si02和SiC，表面強(qiáng)化復(fù)合材料的硬度和耐磨性要求越高反應(yīng)生成增強(qiáng)相的時(shí)間越長。
[0007]在燒結(jié)過程中引發(fā)生合成反應(yīng)，生產(chǎn)Ti02和Zr02超細(xì)晶粒顆粒:
02+Ti=(加熱 1400oC)Ti02
02+Zr=(加熱 1400oC)Zr02
上述產(chǎn)物和NTS、Si02和SiC結(jié)合成一種具有韌性，同時(shí)有高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性的復(fù)合材料層，而且兩種生成物的反應(yīng)相互之間也有分解及進(jìn)一步的反應(yīng)，是一個(gè)互相促進(jìn)和分解的平衡過程，從而達(dá)到最終的平衡反應(yīng)速度。碳納米管的幾何尺寸直徑是20-50nm。通過對反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度的組成等進(jìn)行相關(guān)調(diào)節(jié)，可以控制反應(yīng)生成復(fù)合材料層的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，從而滿足不同部位的使用要求。
[0008]本發(fā)明的基體使用合金的化學(xué)成分及重量百分比為:10-18%Cr、l_18%Mo、1_18%V和余量為Ni組成的NiCrMoV合金，可以通過上述成分要求合金熔煉進(jìn)行熔煉提供。CrMoVNi基體材料在真空熔煉爐內(nèi)熔煉，最終可獲得強(qiáng)度、韌性和硬度大幅提升的CrMoVNi合金鋼。
[0009]與現(xiàn)有型材擠壓模具鋼材料相比，型材擠壓模具表面強(qiáng)化復(fù)合材料的制備方法具有如下優(yōu)點(diǎn):
(I)硬度、耐磨性、韌性、強(qiáng)度顯著提高。Ti02、Zr02、NTS、Si02和SiC組成的表面強(qiáng)化復(fù)合材料直徑尺寸細(xì)小，分布均勻，組織穩(wěn)定性高，表面無污染，與在CrMoVNi基體結(jié)合良好。材料的高溫力學(xué)性能和耐磨性能顯著提高，尤其適合于型材擠壓模具等方面的應(yīng)用。
[0010](2)表面強(qiáng)化復(fù)合材料組織穩(wěn)定性好，不會(huì)分解有毒氣體或溶解物，本發(fā)明因?qū)⒈砻嫱扛渤?xì)混合粉末層與型材擠壓模具一同置入燒結(jié)爐中保持1400°C，表面涂覆混合粉末層發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，物理化學(xué)反應(yīng)完成后，生成多相組織復(fù)合材料層，解決了外加復(fù)合材料層與基體合金潤濕性差、易發(fā)生界面反應(yīng)以及組織穩(wěn)定性差等問題。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面給出本發(fā)明的最佳實(shí)施例:本發(fā)明型材擠壓模具基體材料CrMoVNi合金的化學(xué)成分及重量百分比為:10-18%Cr、l-18%Mo、1_18%V和余量為Ni組成的NiCrMoV合金，可以通過上述成分要求合金熔煉進(jìn)行熔煉提供。通過采用機(jī)械化球磨設(shè)備制備超細(xì)混合粉末，混合粉末包括:納米管干粉NTS、Zr、T1、Zr02、Si02、和SiC六種微粉，按照摩爾比7:6:3:3:7:3組成，粒度分布在0.3?1.65微米之間；對基體型材擠壓模具型腔表面依次經(jīng)過表面砂紙打磨、將型材擠壓模具放入乙醇超聲波清洗25分鐘、堿液清洗10分鐘、中和10分鐘、蒸餾水10分鐘、烘干過程10分鐘，去除表面結(jié)晶水氧化膜，對基體型材擠壓模具型腔表面實(shí)現(xiàn)清潔處理；采用電泳法將混合粉末涂覆于清潔處理后的基體型材擠壓模具型腔表面，在基體鋁合金表面涂覆混合超細(xì)粉末層；將表面涂覆超細(xì)混合粉末層與型材擠壓模具一同置入燒結(jié)爐中保持1400°C，由于溫度梯度分布，基體型材擠壓模具型腔表面加熱至1380°C，而表面涂覆混合粉末層則被加熱至1420°C，兩者同時(shí)被保持30分鐘；表面涂覆混合粉末層在1420°C保持30分鐘，表面涂覆混合粉末層發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，物理化學(xué)反應(yīng)完成后，生成多相組織復(fù)合材料層，所述的多相組織復(fù)合材料層包括碳納米管NTS、Si02、Zr02、Ti02、SiC，晶粒尺寸分布于亞微米至納米之間。在型材擠壓模具表面形成一種高強(qiáng)度的復(fù)合材料層。本發(fā)明材料的抗拉強(qiáng)度，耐磨性、尤其硬度和組織穩(wěn)定性都顯著提高，而且生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性好，便于大批量生產(chǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種型材擠壓模具表面強(qiáng)化復(fù)合材料制備方法，其特征是通過在型材擠壓模具表面形成一種高強(qiáng)度的復(fù)合材料層； Ca)基體使用合金的化學(xué)成分及重量百分比為:10-18%Cr、l-18%Mo、l-18%V和余量為Ni組成的NiCrMoV合金； (b)多相組織復(fù)合材料層包括碳納米管NTS、S12, ZrO2, T12, SiC,晶粒尺寸分布于亞微米至納米之間。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種型材擠壓模具表面強(qiáng)化復(fù)合材料制備方法，其特征是將表面涂覆超細(xì)混合粉末層與型材擠壓模具一同置入燒結(jié)爐中保持1400°C，表面涂覆混合粉末層發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)生成多相組織復(fù)合材料層。
【專利摘要】本發(fā)明涉及模具鋼材料領(lǐng)域，特別是一種型材擠壓模具表面強(qiáng)化復(fù)合材料制備方法。將表面涂覆超細(xì)混合粉末層與型材擠壓模具一同置入燒結(jié)爐中保持1400℃，表面涂覆混合粉末層發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)生成多相組織復(fù)合材料層，多相組織復(fù)合材料層包括碳納米管NTS、SiO2、ZrO2、TiO2、SiC，晶粒尺寸分布于亞微米至納米之間。表面涂覆混合粉末層發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，物理化學(xué)反應(yīng)完成后，生成多相組織復(fù)合材料層，解決了外加復(fù)合材料層與基體合金潤濕性差、易發(fā)生界面反應(yīng)以及組織穩(wěn)定性差等問題，尤其適合于型材擠壓模具等方面的應(yīng)用。
【IPC分類】C25D13/02, C22C19/05
【公開號(hào)】CN105154957
【申請?zhí)枴緾N201510524964
【發(fā)明人】徐淑波, 任國成, 景財(cái)年, 林曉娟, 范小紅
【申請人】山東建筑大學(xué)
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年8月25日