专利名称：用于热作模具表面熔覆的粉心焊丝及熔覆层的制备方法
技术领域：
本发明属于表面工程技术领域，特别是提供了一种用于热作模具表面熔覆的粉心 焊丝及熔覆层的制备方法。
背景技术：
模具工业在我国国民经济中占有十分重要的地位，据有关资料统计，工业产品零 件中粗加工的75%和精加工的50%由模具加工完成，而模具的精度和使用寿命又直接关 系到产品的质量、性能和生产效率。因此，人们对模具质量的要求越来越高，特别是要
求模具的使用寿命尽可能长。 '
热作模具在机电设备制造中起着举足轻重的作用，由于热作模具在服役过程中需
承受循环冲击、冷热疲劳、磨损等作用，而现有模具钢难以满足上述严格要求，其使 .用寿命普遍很低。以热锻模具为例，国内热锻模具的使用寿命与国外发达国家相比相 差甚远， 一般只有国外模具使用寿命的1/3-1/5;国外热锻模具费用约占锻件成本的 15%，而国内却高达30%以上，从而直接影响了锻件的生产成本和企业的经济效益。因 此，如何提高热锻模具的使用寿命是热加工行业中亟待解决的重要问题。
现有的热作模具表面处理技术主要有化学热处理、气相沉积、电刷镀以及激光处 理等。而对于报废模具，常采用电弧或电渣堆焊技术对报废模具进行修复。采用化学 热处理、气相沉积、电刷镀等技术制备的强化层其厚度一般为几微米-几十微米，延寿 效果有限。
因此，为了显著延长热作模具的使用寿命，要求表面层材料既具有高的强度、韧 性、耐热疲劳及耐氧化等性能，又具有足够的厚度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于热作模具表面熔覆的粉心焊丝及熔覆层的制备方 法，即利用氩弧作为热源熔化粉芯焊丝，在模具工作面形成1.5-2.5mm的陶瓷-金属复 合材料熔覆层，使模具工作面的表面硬度、耐热疲劳及抗氧化等性能显著提高。本发 明可使模具的使用寿命、锻件或挤压件的表面质量得到显著提高，因而能显著提高产品质量和经济效益。本发明所用的氩弧熔覆法具有设备简易，操作简单、成本低等优 '占。
本发明的制备工艺包括以下步骤
1、 制备陶瓷-金属复合材料熔覆层的粉芯焊丝。
(1) 按以下配比称取粉末材料石墨碳粉(纯度99-99.9%、粒度200-300 目):6-9.4wt.。/。，镍(纯度99-99.9%、粒度100-200目)25-30%，铬(纯度99-99.9%、粒 度100-200目):25-30wt.。/。，钼(纯度99-99.9%、粒度200-300 @):l-3wt.%，铝(纯度 99-99.9%、粒度100-200目):2-5%,钛(纯度99-99.9%、粒度100-300目):余量。以上粉 末中，钛与石墨碳粉的重量比在3.9-4范围。以上配方中，铬和铝是主要的抗高温氧化 元素，与镍和钼等元素一起形成耐高温氧化的合金粘结相，钛与碳在熔覆过程中发生 反应而原位生成高硬度TiC陶瓷颗粒增强相，添加少量的钼还能有效改善陶瓷颗粒与 金属粘结相的润湿性，熔覆层抗氧化温度为IIO(TC，显微硬度可达750-1000 HV。
(2) 将按(1)所述配比而配制的粉末置于干燥箱中，在卯-ll(TC下干燥2-3小 时，然后将粉末在球磨机中球磨3-5小时，得到混合粉末。
(3) 选用Ni箔(纯度》99%，厚度为60-150 um，宽度为28-40mm，长度 300-400mm)作为包裹上述混合粉末的外皮材料。利用制备粉芯焊丝的包料机械装置
'将混合粉末包裹于镍箔内，混合粉末在粉芯焊丝中所占的重量百分比为70-75wt.%。
(4) 先将已灌好粉的粉芯焊丝两端压扁封口，然后将粉芯焊丝置于带有凹槽的静 压模具内，利用液压压力机对粉芯焊丝施加静载荷，使粉芯焊丝所受平均压强为 30-40MPa，加压时间为5-IO秒。加压完成后，得到瑢覆用矩形截面粉芯焊丝，其横截 面积为12-25mra2。
2、 选用外形尺寸达到设计要求的热作模具，采用机加工办法对其工作面(待熔覆 面)进行切削加工处理，切削层厚度为l-2mm。对切削后的表面进行除油、除污处理。
3、 制备熔覆层。
对于形状较复杂的模具，采用手持氩弧焊枪、手动送丝的方法在工作面上制备熔 .覆层。
对于工作面具有圆形横截面的模具，可采用模具自动转动方法实施熔覆工艺。操 作时需将待熔覆模具固定在可控制热作模具作旋转运动的三爪卡盘上。氩弧焊枪固定 在悬臂上(可手动调节氩弧焊枪水平移动)，悬臂固定在摆动器上，摆动器底座固定在 高度可调的直杆上，直杆固定在熔覆工作台上。通过调速电机控制热作模具待熔覆面 与焊枪的相对运动速度，从而实现焊枪在模具工作面的搭接熔覆，在模具工作面得到厚度为1.5-2.5mm的熔覆层。实施熔覆工艺时，氩弧焊枪与模具待熔覆面垂直。采用 氩弧熔覆的工艺参数如下氩弧焊枪熔覆电流为200-280A，摆动器摆动幅值为l-4mm、 摆动频率为0.4-0.6Hz，焊枪与模具待熔覆面的相对运动速度为2-5mm/s。
4、对已制备好熔覆层的模具进行磨削处理。通过对熔覆层磨削加工，使模具的尺 寸达到设计要求。当熔覆层厚度在1.5-2.5mm范围时，经磨削精加工后熔覆层的剩余 厚度为l-2mm。
本发明的优点在于，在热作模具表面制备有效厚度达l-2mm的陶瓷-金属复合材料 熔覆层，从而有效延长热作模具的使用寿命并提高被加工产品的质量，该方法操作较 '简单、成本较低。
图l为熔覆工作台原理图。其中，摆动器l、悬臂2，氩弧焊枪3、模具工作面上 的熔覆层4、三爪卡盘5、调速电机6，熔覆工作台7。
图2为熔覆层X射线衍射的物相分析结果。TiC陶瓷相8， Ni-Cr-A1-Mo-Fe合金粘 结相(基体中的少量Fe向熔覆层中扩散)9。
图3为熔覆层横截面200倍下的扫描电镜照片，图中黑色颗粒为TiC颗粒增强相， 其余的灰色相是Ni-Cr-Al-Mo-Fe合金粘结相。
图4为熔覆层横截面400倍下扫描电镜照片。照片中黑色颗粒为TiC， TiC颗粒基 本均匀弥散分布在粘结相中，且与粘结相润湿良好。
图5为对熔覆层磨削处理后的模具照片。
具体实施例方式
1、制备在粉芯焊丝。
(1) 按以下配比称取粉末材料石墨碳粉(纯度99.5%、粒度-300目):8wt.。/。，镍(纯 度99.5%、粒度-100目)29%，铬(纯度99%、粒度-100目):26wt.。/。，钼(纯度99.5%、 粒度-300 @):2wt.%，铝(纯度99%、粒度-200目):3%，钛(纯度99.5%、粒度-100目):
余量。将上述粉末置于干燥箱中，在110'C下干燥3小时，然后将粉末在球磨机中球磨 4小时，得到均匀细小的混合粉末。
(2) 选用Ni箔(纯度为99%，厚度为80ym，宽度为32mm，长度350mm) 作为包裹上述混合粉末的外皮材料。利用制备粉芯焊丝的包料机械装置将混合粉末包 裹于镍箔内，混合粉末在粉芯焊丝中所占的重量百分比为72%。
(3) 先将已灌好粉的粉芯焊丝两端压扁封口，然后将粉芯焊丝置于带有凹槽的 静压模具内，利用液压压力机对粉芯焊丝施加静载荷，使粉芯焊丝所受平均压强为40MPa，加压时间为8秒。加压完成后，得到熔覆用矩形截面粉芯 焊丝，其横截面积约为20mm2。
2、选用图1所示形状的热锻模(由三爪卡盘5固定)，其材料牌号为4Cr5MoSiV， 热锻模圆柱段的直径为120mm;采用机加工办法对其工作面(待熔覆面)进行切削加工 处理，切削层厚度为1.5mm。对切削后的表面进行除油、除污处理。 .3、采用手动送丝、模具自动转动的方法制备熔覆层。 .
熔覆工作台原理见图1。将待熔覆模具固定在可控制热作模具作旋转运动的三爪卡 盘上。氩弧焊枪固定在悬臂上(可手动调节氩弧焊枪水平移动)，悬臂固定在摆动器上， 摆动器底座固定在高度可调的直杆上，直杆固定在熔覆工作台上。采用手动送丝、模 具自动转动方法制备熔覆层。通过控制热作模具待熔覆面与焊枪的相对运动速度和相 对位置，从而实现焊枪在模具工作面的搭接熔覆。采用氩弧熔覆时的主要工艺参数如 下氩弧焊枪熔覆电流为230A，摆动器摆幅值为3mm、摆动频率为0.5Hz，焊枪钨极 针尖与点焊好的焊丝的距离为8mm;通过调速电机控制模具旋转速度，焊枪与模具待 熔覆面的相对运动速度为3mm/s。
熔覆步骤如下(1)先将焊枪调节到模具待熔覆面的最小内径处(即靠近模具工
作面内孔处)，(2)选定调速电机的转速，转速n可由下式确定n=」一，上式中r
(2;zr)
为焊枪钨极针尖与模具旋转中心线距离(mm)。 (3)启动调速电机使模具作旋转运动； 当模具进入稳定旋转状态后启动氩弧焊枪并实施手动送丝，模具旋转一圈后关闭氩弧 焊枪电源并使模具进入停止运动状态。(4)手动调节悬臂上的氩弧焊枪向前运动4mm; 手动调节焊枪的垂直高度，使枪钨极针尖与待熔覆表面的距离为8mm。 (5)重复步骤 (2) - (4)，完成对模具工作面的熔覆。
4、对已制备好熔覆层的模具进行磨削处理，通过磨削加工熔覆层，使模具的尺寸 达到设计要求，经磨削精加工后熔覆层的剩余厚度为1.5mm。
图2-图4为按上述实施例所得样品的分析结果。图5为对熔覆层磨削处理后的模 具照片。根据显微硬度计检测结果，模具表面熔覆层显微硬度为750-830HV (压头载 荷lkg)。
权利要求
1、一种用于热作模具表面熔覆的粉心焊丝及熔覆层的制备方法，其特征在于，工艺步骤为(1)制备陶瓷-金属复合材料熔覆层的粉芯焊丝按以下配比称取粉末材料石墨碳粉6-9.4wt.％，镍25-30％，铬25-30wt.％，钼1-3wt.％，铝2-5％，钛余量；以上粉末中，钛与石墨碳粉的重量比在3.9-4范围；将按上述配比而配制的粉末置于干燥箱中，在90-110℃下干燥2-3小时，然后将粉末在球磨机中球磨3-5小时，得到混合粉末；选用Ni箔作为包裹上述混合粉末的外皮材料，利用制备粉芯焊丝的包料机械装置将混合粉末包裹于镍箔内，混合粉末在粉芯焊丝中所占的重量百分比为70-75wt.％；先将已灌好粉的粉芯焊丝两端压扁封口，然后将粉芯焊丝置于带有凹槽的静压模具内，利用液压压力机对粉芯焊丝施加静载荷，使粉芯焊丝所受平均压强为30-40MPa，加压时间为5-10秒；加压完成后，得到熔覆用矩形截面粉芯焊丝，其横截面积为12-25mm2；(2)选用外形尺寸达到设计要求的热作模具，采用机加工办法对待熔覆面进行切削加工处理，切削层厚度为1-2mm；对切削后的表面进行除油、除污处理；(3)制备熔覆层对于形状较复杂的模具，采用手持氩弧焊枪、手动送丝的方法在工作面上制备熔覆层；对于工作面具有圆形横截面的模具，采用模具自动转动方法实施熔覆工艺；(4)对已制备好熔覆层的模具进行磨削处理，通过对熔覆层磨削加工，使模具的尺寸达到设计要求；当熔覆层厚度在1.5-2.5mm范围时，经磨削精加工后熔覆层的剩余厚度为1-2mm。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，石墨碳粉的纯度99-99.9%、粒度200-300目，镍的纯度99-99.9%、粒度100-200目，铬的纯度99-99.9%、粒度100-200目，钼的纯度99-99.9%、粒度200-300目，铝的纯度99-99.9%、粒度100-200目，钛的纯度99-99.9%、粒度100-300目。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，Ni箔的纯度》99。/。，厚度为60-150"m，宽度为28-40mm，长度300-400mm。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的采用模具自动转动方法实施熔覆工艺为操作时需将待熔覆模具固定在可控制模具作旋转运动的三爪卡盘上，氩弧焊枪固定在悬臂上，悬臂固定在摆动器上，摆动器底座固定在高度可调的直杆上，直杆固定在熔覆工作台上；通过调速电机控制热作模具待熔覆面与焊枪的相对运动速度，从而实现焊枪在模具工作面的搭接熔覆，在模具工作面得到厚度为1.5-2.5mm的熔覆层；实施熔覆工艺时，氩弧焊枪与模具待熔覆面垂直；采用氩弧熔覆的工艺参数.如下氩弧焊枪熔覆电流为200-280A，摆动器摆动幅值为l-4mm、摆动频率为0.4-0.6Hz，焊枪与模具待熔覆面的相对运动速度为2-5mm/s。
全文摘要
一种用于热作模具表面熔覆的粉心焊丝及熔覆层的制备方法，属于表面工程技术领域。制备工艺包括制备陶瓷-金属复合材料熔覆层的粉芯焊丝，选用外形尺寸达到设计要求的热作模具，制备熔覆层，对已制备好熔覆层的模具进行磨削处理。优点在于，在热作模具表面制备有效厚度达1-2mm的陶瓷-金属复合材料熔覆层，从而有效延长热作模具的使用寿命并提高被加工产品的质量，该方法操作较简单、成本较低。
文档编号B23K9/04GK101602132SQ20091008930
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月15日 优先权日2009年7月15日
发明者刘宗德, 斌 李, 娟 田, 赵丽萍 申请人:华北电力大学;北京华电纳鑫科技有限公司