一種ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼涂層制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)，特別是一種ZrC?SiC/NiCrMoV熱作模具鋼涂層制備方法?；谔蓟?碳化鋯材料的高硬度、耐磨性、耐蝕性和組織穩(wěn)定性，NiCrMoV合金良好的自熔性及良好的潤濕性及激光輔助熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)，熱作模具鋼基材表面制備碳化硅?碳化鋯顆粒增強(qiáng)熱作模具鋼材料涂層，提高熱熱作模具鋼的抗疲勞性、抗氧化性、耐腐蝕性、耐磨性和組織穩(wěn)定性。
【專利說明】
一種ZrC-S i C/N i CrMoV熱作模具鋼涂層制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)，特別是一種ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼涂層制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鍛造工藝是工業(yè)生產(chǎn)中重要的環(huán)節(jié)，目前，鍛造模具的使用壽命占整個(gè)鍛造產(chǎn)品成本的比重為20%，熱作模具鋼作為鍛造模具材料使用量非常大，熱作模具鋼對硬度要求適當(dāng)，側(cè)重于紅硬性，導(dǎo)熱性，耐磨性。因此含碳量低，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性、紅硬性為主。熱作模具鋼用鋼主要以Cr、N1、Mo、V、W和Ti等金屬元素成份構(gòu)成的合金鋼。熱作模具鋼要有良好的力學(xué)性能，具有良好的抗疲勞性、抗氧化性、耐腐蝕性、耐磨性和可加工性。同時(shí)在鍛造環(huán)境中使用，要求熱作模具鋼要有很好的組織穩(wěn)定性。但是由于鍛造工藝生產(chǎn)條件非常惡劣，通過開發(fā)高性能的熱作模具鋼已不能滿足進(jìn)一步提高熱作模具鋼的使用壽命。因此為了提高熱作模具鋼的使用壽命，日本、美國等國家主要采用表面涂層技術(shù)，在熱作模具型腔表面制備耐磨涂層，提高其抗氧化性、耐腐蝕性、耐磨性和使用壽命。采用碳化硅-碳化鋯顆粒增強(qiáng)熱作模具鋼材料涂層是提高熱作模具型腔表面其抗氧化性、耐腐蝕性、耐磨性和使用壽命的有效手段。碳化硅-碳化鋯顆粒增強(qiáng)熱作模具鋼材料涂層具有高的硬度、耐磨性、耐蝕性和抗氧化性，NiCrMoV金屬粉混合物熔化后生成的合金具有自熔性及良好的潤濕性;激光熱噴涂技術(shù)具有涂層種類多、噴涂工藝穩(wěn)定性好、涂層質(zhì)量高、對模具型腔尺寸無限制等優(yōu)點(diǎn)。因此采用激光輔助熱噴涂技術(shù)，在熱作模具鋼型腔表面制備碳化硅-碳化鋯顆粒增強(qiáng)熱作模具鋼材料涂層，顯著提高其抗氧化性、耐腐蝕性、耐磨性和使用壽命，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明專利的目的是:在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種加工工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低廉、無污染排放、可在常規(guī)激光輔助熱噴涂條件下組織生產(chǎn)的一種ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼涂層制備方法，較傳統(tǒng)的熱作模具鋼的抗疲勞性、抗氧化性、耐腐蝕性、耐磨性大幅提升，能適應(yīng)鍛造環(huán)境，涂層有很好的組織穩(wěn)定性。
[0004]本發(fā)明專利的技術(shù)方案是:本發(fā)明是一種ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼涂層制備方法，該方法基于碳化硅-碳化鋯材料的高硬度、耐磨性、耐蝕性和組織穩(wěn)定性，NiCrMoV粉末溶化后具有良好的自熔性及良好的潤濕性及激光輔助熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)，在熱作模具鋼基材表面制備碳化硅-碳化鋯顆粒增強(qiáng)熱作模具鋼材料涂層，提高熱鍛模具的抗疲勞性、抗氧化性、耐腐蝕性、耐磨性和組織穩(wěn)定性。
[0005]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種碳化硅-碳化鋯顆粒增強(qiáng)熱作模具鋼涂層制備方法，按以下步驟進(jìn)行:
(I)碳化硅-碳化鋯納米超細(xì)粉制備:將石英砂粉末和二氧化鋯粉末按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)I: I配制，采用加入無水乙醇并攪拌均勻，通過超聲振蕩處理5分鐘-10分鐘后，然后加入納米尺寸的活性炭粉末，繼續(xù)超聲振蕩處理10分鐘-50分鐘后轉(zhuǎn)移到坩禍中，然后在真空爐中1550-1800°C高溫煅燒下并保溫3小時(shí)左右，隨爐冷卻然后研磨；最后得到平均顆粒度為40納米-100納米的超細(xì)碳化錯(cuò)和碳化娃混合粉末顆粒。
[0006]Si02+3C=(電爐)SiC+2C0T;
Zr02+3C=(電爐)ZrC+2C0T ；
(2)配制化學(xué)成份及重量百分比為10-18%Cr、l-18%Mo、l-18%V和余量為Ni組成的NiCrMoV金屬粉混合物，通過機(jī)械化球磨法進(jìn)行粒度細(xì)化處理，最后得到平均顆粒度為40納米-100納米的超細(xì)NiCrMoV金屬混合物粉末顆粒。
[0007](3)熱作模具鋼型腔表面活化:對熱作模具鋼型腔用波長為1.065微米的激光束和脈沖持續(xù)時(shí)間為8納秒的極短脈沖蒸發(fā)型腔表面油層、分解氧化物層并通過燒蝕去除最上面的原子層，同時(shí)保護(hù)了熱作模具鋼基體。
[0008](4)粉末按一定比例混合，控制等離子噴涂參數(shù)使碳化硅-碳化鋯粉末顆粒僅表面局部融化，而NiCrMoV金屬混合物粉末顆粒全部融化，實(shí)現(xiàn)ZrC-SiC/NiCrMoV顆粒增強(qiáng)熱作模具鋼材料涂層的制備;等離子噴涂參數(shù)為:電流390-450A;主氣Ar 45L/Min_48 L/Min;次氣H2 lL/Min-48 L/Min;送粉速度30g/Min_50 g/Min;噴涂距離60 mm -80mm;噴涂速度為110 mm/s -130mm/so
[0009]本發(fā)明的涂層基體使用的化學(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金屬粉混合物，通過機(jī)械化球磨法進(jìn)行粒度細(xì)化處理，最后得到平均顆粒度為40納米-100納米的超細(xì)NiCrMoV金屬混合物粉末顆粒。
[0010]該ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層材料無需專用設(shè)備(無需采用真空熔煉爐、高溫高壓等設(shè)備)，在常規(guī)模具廠即可組織生產(chǎn)本發(fā)明投資少，見效快，能快速收回投資成本。
[0011 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層材料的制備方法具有如下優(yōu)點(diǎn):
(I)熱作模具的硬度、耐磨性、耐蝕性、抗氧化性和組織穩(wěn)定性顯著提高，間隔2小時(shí)噴涂模具材料的疲勞性能差小于5%，這將有利于大批量的穩(wěn)定生產(chǎn)。增強(qiáng)顆粒尺寸細(xì)小，分布均勻，組織穩(wěn)定性高，表面無污染，與NiCrMo V合金涂層基體結(jié)合良好。材料的室溫力學(xué)性能和耐磨性能顯著提高，尤其適合于熱作模具鋼材料、航空航天表面高性能涂層等方面的應(yīng)用，還可應(yīng)用于要求高強(qiáng)度和高耐磨性的零部件，如穿甲彈、鉆地彈單頭表面涂層。
[0012](2)涂層合金組織穩(wěn)定性好，本發(fā)明因增強(qiáng)顆粒是與基體NiCrMoV合金在噴涂熔體中反應(yīng)生成，解決了外加顆粒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。因生成的顆粒尺寸小，因比重差導(dǎo)致的上浮/下沉速度小，不易偏析，生產(chǎn)的工藝穩(wěn)定性尚°
【附圖說明】
[0013]圖1是ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層透射電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明制備的ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層的制備如下: 本發(fā)明的涂層基體使用的化學(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金屬粉混合物，通過機(jī)械化球磨法進(jìn)行合金粒度細(xì)化處理，最后得到平均顆粒度為40納米-100納米的超細(xì)NiCrMoV金屬混合物粉末顆粒。對碳化娃-碳化錯(cuò)納米超細(xì)粉和NiCrMoV( 10_18%Cr、l-18%Mo、1-18%V和余量為Ni)金屬粉混合物分別進(jìn)行顆粒納米化處理，獲得平均顆粒度為40納米-100納米的顆粒，以此控制ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層中顆粒增強(qiáng)體的粒徑。將細(xì)化后的碳化硅-碳化鋯納米超細(xì)粉和NiCrMoV金屬混合物顆粒按一定質(zhì)量百分比均勻混合，形成35%ZrC-SiC+65NiCrMoV°/4^混合噴涂粉末，以控制ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層中ZrC-SiC顆粒增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)及涂層/界面的結(jié)合性能。噴涂前，用激光束脈沖蒸發(fā)模具型腔表面油層、分解氧化物層并通過燒蝕去除模具型腔最上面的原子層，采用激光輔助噴涂技術(shù)與ZrC-SiC+NiCrMoV混合納米噴涂粉末，在模具型腔表面制備ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層，在激光輔助噴涂過程中，激光輔助熱噴涂槍用工業(yè)機(jī)器人控制，根據(jù)模具型腔加工三維實(shí)體掃描路徑進(jìn)行噴涂，保證噴涂質(zhì)量穩(wěn)定;控制激光輔助熱噴涂參數(shù)使ZrC-SiC顆粒僅表面局部融化，而NiCrMoV金屬混合物粉末顆粒全部融化，實(shí)現(xiàn)ZrC-SiC/NiCrMoV顆粒增強(qiáng)熱作模具鋼材料涂層的制備;等離子噴涂參數(shù)為:電流390-450A;主氣Ar 45L/Min_48 L/Min;次氣H2 lL/Min-48 L/Min;;送分速度30g/Min-50 g/Min;噴涂距離60 mm -80臟;噴涂速度為110 mm/s -130mm/s。
[0015]下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例:
實(shí)施例1、采用35%ZrC-SiC+65%NiCrMoV混合納米激光輔助噴涂粉末，激光輔助熱噴涂噴涂參數(shù)為:電流400A ；電壓50V ；主氣Ar 45L/Min ；次氣H2 1.1L/Min ；送粉速度31g/Min ；噴涂距離70 mm;噴涂速度為115 mm/s，制備ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層。ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層的沖蝕耐磨率為5.8 X 10-3-6.2 X 10_3mm3/g;涂層/基材界面結(jié)合強(qiáng)度為40Mpa-50Mpa。
[0016]實(shí)施例2、采用32%ZrC-SiC+68%NiCrMoV混合納米激光輔助噴涂粉末，激光輔助熱噴涂噴涂參數(shù)為:電流400A;電壓50V;主氣Ar 45L/Min;次氣H2 1.1171^11;送粉速度318/Min;噴涂距離70 mm;噴涂速度為115 mm/s，制備ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層。ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層的沖蝕耐磨率為5.9 X 10-3-6.3 X 10-3mm3/g;涂層/基材界面結(jié)合強(qiáng)度為40Mpa-52Mpa。
[0017]實(shí)施例3、采用36%ZrC-SiC+62%NiCrMoV混合納米激光輔助噴涂粉末，激光輔助熱噴涂噴涂參數(shù)為:電流400A;電壓50V;主氣Ar 45L/Min;次氣H2 1.1171^11;送粉速度318/Min;噴涂距離70 mm;噴涂速度為115 mm/s，制備ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層。ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層的沖蝕耐磨率為5.9 X 10-3-6.4 X 10-3mm3/g;涂層/基材界面結(jié)合強(qiáng)度為37Mpa-48Mpa。
[0018]實(shí)施例4、采用35%ZrC-SiC+65%NiCrMoV混合納米激光輔助噴涂粉末，激光輔助熱噴涂噴涂參數(shù)為:電流400A;電壓50V;主氣Ar 45L/Min;次氣H2 1.1171^11;送粉速度318/Min;噴涂距離70 mm;噴涂速度為115 mm/s，制備ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層。ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層的沖蝕耐磨率為5.7X 10-3-6.1 X 10-3mm3/g;涂層/基材界面結(jié)合強(qiáng)度為39Mpa-50Mpa。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼涂層制備方法，其特征是該方法基于碳化娃-碳化鋯材料的高硬度、耐磨性、耐蝕性和組織穩(wěn)定性，NICrMo V合金良好的自熔性及良好的潤濕性及激光輔助熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)，在熱作模具鋼基材表面制備碳化硅-碳化鋯顆粒增強(qiáng)熱作模具鋼材料涂層，提高熱熱作模具鋼的抗疲勞性、抗氧化性、耐腐蝕性、耐磨性和組織穩(wěn)定性； (a)石英砂粉末和二氧化鋯粉末按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)1:1配制，采用加入無水乙醇并攪拌均勻，通過超聲振蕩處理5分鐘-10分鐘后，然后加入納米尺寸的活性炭粉末，繼續(xù)超聲振蕩處理10分鐘-50分鐘后轉(zhuǎn)移到坩禍中，然后在真空爐中1550-1800°C高溫煅燒下并保溫3小時(shí)左右，隨爐冷卻然后研磨;最后得到平均顆粒度為40納米-100納米的超細(xì)碳化鋯和碳化硅混合粉末顆粒； (b)涂層基體使用的化學(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金屬粉混合物，通過機(jī)械化球磨法進(jìn)行合金粒度細(xì)化處理，最后得到平均顆粒度為40納米-100納米的超細(xì)NiCrMoV金屬混合物粉末顆粒。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼涂層制備方法，其特征模具型腔表面制備ZrC-SiC/NiCrMoV熱作模具鋼材料涂層是根據(jù)模具型腔加工三維實(shí)體掃描路徑進(jìn)行噴涂，保證噴涂質(zhì)量穩(wěn)定；控制激光輔助熱噴涂參數(shù)使ZrC-SiC顆粒僅表面局部融化，而NiCrMo V合金粉末顆粒全部融化，實(shí)現(xiàn)ZrC-SiC/NiCrMoV顆粒增強(qiáng)熱作模具鋼材料涂層的制備。
【文檔編號(hào)】C23C4/134GK105925929SQ201610471540
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】徐淑波, 魯人瑜, 張小東
【申請人】山東建筑大學(xué)