本發(fā)明屬于材料表面處理和強化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種合金涂料及其制備方法和模具表面的合金化工藝。
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(jìn)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。
使用電子束合金化的方法，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，但用于模具電子束合金化的合金粉末少之又少。其原因是電子束合金化的特殊性，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電子束合金化特性要求等，常規(guī)的合金成分配比用在電子束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涂料進(jìn)行模具表面的合金化工藝，以解決現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)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：sio220~30份、al2o320~25份、nb20~25份、mo20~25份、hf20~25份、al20~25份、si20~25份、be20~25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(dāng)?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(jī)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。
al2o3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(kuò)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sic具有較好的相容性，在電子束輻照后，能細(xì)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sic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、al2o3、nb、mo、hf、al、si、be和膨潤土的粒度均小于3微米。
一種上述合金涂料的制備方法，包括以下步驟：
1）將sio2、al2o3、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(jī)攪拌均勻，即得到合金涂料。
一種模具表面的合金化工藝，該方法是將模具置于上述合金涂料中一定時間，然后取出模具，并在保護(hù)氣氣氛中用脈沖電子束設(shè)備對模具的表面進(jìn)行電子束轟擊處理，使模具表面形成合金化涂層，即完成模具表面的電子束合金化。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，在電子束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真空度小于6×10-3pa的真空室中，然后通入惰性氣體作為保護(hù)氣體，用脈沖電子束設(shè)備對模具表面進(jìn)行電子束轟擊處理，即完成模具表面的電子束合金化。
其中，脈沖電子束設(shè)備的參數(shù)為：能量密度6-8j/cm2，脈沖寬度9-11μs，脈沖次數(shù)200~300次。
經(jīng)電子束轟擊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(jī)加工，可直接上生產(chǎn)線使用。
采用本發(fā)明電子束合金化處理的表面在高溫下硬度高、光潔度好、磨擦系數(shù)低，幾乎不需要后續(xù)機(jī)加工，可直接上生產(chǎn)線使用。
所述的模具為熱作模具；所述的保護(hù)氣體為氬氣、氦氣或氮氣。
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)明的電子束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、使用電子束表面合金化，其表面粗糙度能夠滿足使用要求。除了電子束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(jī)加工之后才能上線使用，而硬度很高的熔覆層，機(jī)加工十分困難，可操作性低。而本發(fā)明通過熱掛膜、電子束轟擊處理，其表面較光滑，不需要機(jī)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電子束合金化的生產(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。經(jīng)著色探傷未見裂紋。裝機(jī)試驗其壽命提高到未合金化模具的三倍以上。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實施例一
制備合金涂料的原料采用以下質(zhì)量份計算：sio220份、al2o325份、nb25份、mo21份、hf20份、al20份、si25份、be20份、膨潤土23份、蟲膠9份、無水乙醇390份。其中：sio2、al2o3、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、al2o3、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(jī)攪拌均勻，即得到電子束合金涂料。
利用上述合金涂料進(jìn)行模具表面的電子束合金化處理：
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）用電子束輻照模具表面：樣品裝在夾具上，放入真空室的工位上，抽真空，直至真空室的真空度p＜6×10-3pa，然后向真空室內(nèi)充入惰性氣體作為保護(hù)氣體，如氬氣、氦氣等；啟動脈沖電子束設(shè)備，加載高壓（20-25kv），對模具的表面進(jìn)行電子束轟擊處理。脈沖電子束表面處理的主要參數(shù)范圍：能量密度8j/cm2，脈沖寬度10μs，脈沖次數(shù)210次；開真空室，取出經(jīng)電子束表面處理的零件。
實施例二
制備合金涂料的原料采用以下質(zhì)量份計算：sio225份、al2o321份、nb21份、mo25份、hf24份、al23份、si21份、be25份、膨潤土21份、蟲膠8份、無水乙醇330份。其中sio2、al2o3、nb、mo、hf、al、si、be和膨潤土均為粉狀，其粒度均在3微米以下。
金涂料的具體制備步驟為：
1）將sio2、al2o3、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(jī)攪拌均勻，即得到電子束合金涂料。
利用上述合金涂料進(jìn)行模具表面的電子束合金化處理：
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）用電子束輻照模具表面：樣品裝在夾具上，放入真空室的工位上，抽真空，直至真空室的真空度p＜6×10-3pa，然后向真空室內(nèi)充入惰性氣體作為保護(hù)氣體，如氬氣、氦氣等；啟動脈沖電子束設(shè)備，加載高壓（20-25kv），對模具的表面進(jìn)行電子束轟擊處理。脈沖電子束表面處理的主要參數(shù)范圍：能量密度6j/cm2，脈沖寬度8μs，脈沖次數(shù)250次；開真空室，取出經(jīng)電子束表面處理的零件。
實施例一、二的經(jīng)電子束合金化后，表面質(zhì)量均良好，經(jīng)著色探傷未見裂紋。裝機(jī)試驗其壽命提高到未合金化模具的三倍以上。
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(hù)范圍之列。