一种ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢涂层制备方法
【专利摘要】本发明属于表面工程技术，特别是一种ZrC?SiC/NiCrMoV热作模具钢涂层制备方法。基于碳化硅?碳化锆材料的高硬度、耐磨性、耐蚀性和组织稳定性，NiCrMoV合金良好的自熔性及良好的润湿性及激光辅助热喷涂技术的特点，热作模具钢基材表面制备碳化硅?碳化锆颗粒增强热作模具钢材料涂层，提高热热作模具钢的抗疲劳性、抗氧化性、耐腐蚀性、耐磨性和组织稳定性。
【专利说明】
一种ZrC-S i C/N i CrMoV热作模具钢涂层制备方法
技术领域
[0001 ]本发明属于表面工程技术，特别是一种ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢涂层制备方法。
【背景技术】
[0002]锻造工艺是工业生产中重要的环节，目前，锻造模具的使用寿命占整个锻造产品成本的比重为20%，热作模具钢作为锻造模具材料使用量非常大，热作模具钢对硬度要求适当，侧重于红硬性，导热性，耐磨性。因此含碳量低，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性、红硬性为主。热作模具钢用钢主要以Cr、N1、Mo、V、W和Ti等金属元素成份构成的合金钢。热作模具钢要有良好的力学性能，具有良好的抗疲劳性、抗氧化性、耐腐蚀性、耐磨性和可加工性。同时在锻造环境中使用，要求热作模具钢要有很好的组织稳定性。但是由于锻造工艺生产条件非常恶劣，通过开发高性能的热作模具钢已不能满足进一步提高热作模具钢的使用寿命。因此为了提高热作模具钢的使用寿命，日本、美国等国家主要采用表面涂层技术，在热作模具型腔表面制备耐磨涂层，提高其抗氧化性、耐腐蚀性、耐磨性和使用寿命。采用碳化硅-碳化锆颗粒增强热作模具钢材料涂层是提高热作模具型腔表面其抗氧化性、耐腐蚀性、耐磨性和使用寿命的有效手段。碳化硅-碳化锆颗粒增强热作模具钢材料涂层具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性和抗氧化性，NiCrMoV金属粉混合物熔化后生成的合金具有自熔性及良好的润湿性;激光热喷涂技术具有涂层种类多、喷涂工艺稳定性好、涂层质量高、对模具型腔尺寸无限制等优点。因此采用激光辅助热喷涂技术，在热作模具钢型腔表面制备碳化硅-碳化锆颗粒增强热作模具钢材料涂层，显著提高其抗氧化性、耐腐蚀性、耐磨性和使用寿命，具有重要的工业应用价值和广泛的应用领域。
【发明内容】
[0003]本发明专利的目的是:在于克服上述现有技术不足，提供一种加工工艺稳定、生产成本低廉、无污染排放、可在常规激光辅助热喷涂条件下组织生产的一种ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢涂层制备方法，较传统的热作模具钢的抗疲劳性、抗氧化性、耐腐蚀性、耐磨性大幅提升，能适应锻造环境，涂层有很好的组织稳定性。
[0004]本发明专利的技术方案是:本发明是一种ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢涂层制备方法，该方法基于碳化硅-碳化锆材料的高硬度、耐磨性、耐蚀性和组织稳定性，NiCrMoV粉末溶化后具有良好的自熔性及良好的润湿性及激光辅助热喷涂技术的特点，在热作模具钢基材表面制备碳化硅-碳化锆颗粒增强热作模具钢材料涂层，提高热锻模具的抗疲劳性、抗氧化性、耐腐蚀性、耐磨性和组织稳定性。
[0005]本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
一种碳化硅-碳化锆颗粒增强热作模具钢涂层制备方法，按以下步骤进行:
(I)碳化硅-碳化锆纳米超细粉制备:将石英砂粉末和二氧化锆粉末按照质量分数I: I配制，采用加入无水乙醇并搅拌均匀，通过超声振荡处理5分钟-10分钟后，然后加入纳米尺寸的活性炭粉末，继续超声振荡处理10分钟-50分钟后转移到坩祸中，然后在真空炉中1550-1800°C高温煅烧下并保温3小时左右，随炉冷却然后研磨；最后得到平均颗粒度为40纳米-100纳米的超细碳化错和碳化娃混合粉末颗粒。
[0006]Si02+3C=(电炉)SiC+2C0T;
Zr02+3C=(电炉)ZrC+2C0T ；
(2)配制化学成份及重量百分比为10-18%Cr、l-18%Mo、l-18%V和余量为Ni组成的NiCrMoV金属粉混合物，通过机械化球磨法进行粒度细化处理，最后得到平均颗粒度为40纳米-100纳米的超细NiCrMoV金属混合物粉末颗粒。
[0007](3)热作模具钢型腔表面活化:对热作模具钢型腔用波长为1.065微米的激光束和脉冲持续时间为8纳秒的极短脉冲蒸发型腔表面油层、分解氧化物层并通过烧蚀去除最上面的原子层，同时保护了热作模具钢基体。
[0008](4)粉末按一定比例混合，控制等离子喷涂参数使碳化硅-碳化锆粉末颗粒仅表面局部融化，而NiCrMoV金属混合物粉末颗粒全部融化，实现ZrC-SiC/NiCrMoV颗粒增强热作模具钢材料涂层的制备;等离子喷涂参数为:电流390-450A;主气Ar 45L/Min_48 L/Min;次气H2 lL/Min-48 L/Min;送粉速度30g/Min_50 g/Min;喷涂距离60 mm -80mm;喷涂速度为110 mm/s -130mm/so
[0009]本发明的涂层基体使用的化学成分及重量百分比为10-18%Cr、l-18%Mo、l-18%V和余量为Ni组成的NiCrMoV金属粉混合物，通过机械化球磨法进行粒度细化处理，最后得到平均颗粒度为40纳米-100纳米的超细NiCrMoV金属混合物粉末颗粒。
[0010]该ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层材料无需专用设备(无需采用真空熔炼炉、高温高压等设备)，在常规模具厂即可组织生产本发明投资少，见效快，能快速收回投资成本。
[0011 ]与现有技术相比，ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层材料的制备方法具有如下优点:
(I)热作模具的硬度、耐磨性、耐蚀性、抗氧化性和组织稳定性显著提高，间隔2小时喷涂模具材料的疲劳性能差小于5%，这将有利于大批量的稳定生产。增强颗粒尺寸细小，分布均匀，组织稳定性高，表面无污染，与NiCrMo V合金涂层基体结合良好。材料的室温力学性能和耐磨性能显著提高，尤其适合于热作模具钢材料、航空航天表面高性能涂层等方面的应用，还可应用于要求高强度和高耐磨性的零部件，如穿甲弹、钻地弹单头表面涂层。
[0012](2)涂层合金组织稳定性好，本发明因增强颗粒是与基体NiCrMoV合金在喷涂熔体中反应生成，解决了外加颗粒与基体合金润湿性差、易发生界面反应以及组织稳定性差等问题。因生成的颗粒尺寸小，因比重差导致的上浮/下沉速度小，不易偏析，生产的工艺稳定性尚°
【附图说明】
[0013]图1是ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层透射电镜照片。
【具体实施方式】
[0014]本发明制备的ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层的制备如下: 本发明的涂层基体使用的化学成分及重量百分比为10-18%Cr、l-18%Mo、l-18%V和余量为Ni组成的NiCrMoV金属粉混合物，通过机械化球磨法进行合金粒度细化处理，最后得到平均颗粒度为40纳米-100纳米的超细NiCrMoV金属混合物粉末颗粒。对碳化娃-碳化错纳米超细粉和NiCrMoV( 10_18%Cr、l-18%Mo、1-18%V和余量为Ni)金属粉混合物分别进行颗粒纳米化处理，获得平均颗粒度为40纳米-100纳米的颗粒，以此控制ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层中颗粒增强体的粒径。将细化后的碳化硅-碳化锆纳米超细粉和NiCrMoV金属混合物颗粒按一定质量百分比均匀混合，形成35%ZrC-SiC+65NiCrMoV°/4^混合喷涂粉末，以控制ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层中ZrC-SiC颗粒增强体的体积分数及涂层/界面的结合性能。喷涂前，用激光束脉冲蒸发模具型腔表面油层、分解氧化物层并通过烧蚀去除模具型腔最上面的原子层，采用激光辅助喷涂技术与ZrC-SiC+NiCrMoV混合纳米喷涂粉末，在模具型腔表面制备ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层，在激光辅助喷涂过程中，激光辅助热喷涂枪用工业机器人控制，根据模具型腔加工三维实体扫描路径进行喷涂，保证喷涂质量稳定;控制激光辅助热喷涂参数使ZrC-SiC颗粒仅表面局部融化，而NiCrMoV金属混合物粉末颗粒全部融化，实现ZrC-SiC/NiCrMoV颗粒增强热作模具钢材料涂层的制备;等离子喷涂参数为:电流390-450A;主气Ar 45L/Min_48 L/Min;次气H2 lL/Min-48 L/Min;;送分速度30g/Min-50 g/Min;喷涂距离60 mm -80臟;喷涂速度为110 mm/s -130mm/s。
[0015]下面给出本发明的具体实施例:
实施例1、采用35%ZrC-SiC+65%NiCrMoV混合纳米激光辅助喷涂粉末，激光辅助热喷涂喷涂参数为:电流400A ；电压50V ；主气Ar 45L/Min ；次气H2 1.1L/Min ；送粉速度31g/Min ；喷涂距离70 mm;喷涂速度为115 mm/s，制备ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层。ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层的冲蚀耐磨率为5.8 X 10-3-6.2 X 10_3mm3/g;涂层/基材界面结合强度为40Mpa-50Mpa。
[0016]实施例2、采用32%ZrC-SiC+68%NiCrMoV混合纳米激光辅助喷涂粉末，激光辅助热喷涂喷涂参数为:电流400A;电压50V;主气Ar 45L/Min;次气H2 1.1171^11;送粉速度318/Min;喷涂距离70 mm;喷涂速度为115 mm/s，制备ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层。ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层的冲蚀耐磨率为5.9 X 10-3-6.3 X 10-3mm3/g;涂层/基材界面结合强度为40Mpa-52Mpa。
[0017]实施例3、采用36%ZrC-SiC+62%NiCrMoV混合纳米激光辅助喷涂粉末，激光辅助热喷涂喷涂参数为:电流400A;电压50V;主气Ar 45L/Min;次气H2 1.1171^11;送粉速度318/Min;喷涂距离70 mm;喷涂速度为115 mm/s，制备ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层。ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层的冲蚀耐磨率为5.9 X 10-3-6.4 X 10-3mm3/g;涂层/基材界面结合强度为37Mpa-48Mpa。
[0018]实施例4、采用35%ZrC-SiC+65%NiCrMoV混合纳米激光辅助喷涂粉末，激光辅助热喷涂喷涂参数为:电流400A;电压50V;主气Ar 45L/Min;次气H2 1.1171^11;送粉速度318/Min;喷涂距离70 mm;喷涂速度为115 mm/s，制备ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层。ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层的冲蚀耐磨率为5.7X 10-3-6.1 X 10-3mm3/g;涂层/基材界面结合强度为39Mpa-50Mpa。
【主权项】
1.一种ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢涂层制备方法，其特征是该方法基于碳化娃-碳化锆材料的高硬度、耐磨性、耐蚀性和组织稳定性，NICrMo V合金良好的自熔性及良好的润湿性及激光辅助热喷涂技术的特点，在热作模具钢基材表面制备碳化硅-碳化锆颗粒增强热作模具钢材料涂层，提高热热作模具钢的抗疲劳性、抗氧化性、耐腐蚀性、耐磨性和组织稳定性； (a)石英砂粉末和二氧化锆粉末按照质量分数1:1配制，采用加入无水乙醇并搅拌均匀，通过超声振荡处理5分钟-10分钟后，然后加入纳米尺寸的活性炭粉末，继续超声振荡处理10分钟-50分钟后转移到坩祸中，然后在真空炉中1550-1800°C高温煅烧下并保温3小时左右，随炉冷却然后研磨;最后得到平均颗粒度为40纳米-100纳米的超细碳化锆和碳化硅混合粉末颗粒； (b)涂层基体使用的化学成分及重量百分比为10-18%Cr、l-18%Mo、l-18%V和余量为Ni组成的NiCrMoV金属粉混合物，通过机械化球磨法进行合金粒度细化处理，最后得到平均颗粒度为40纳米-100纳米的超细NiCrMoV金属混合物粉末颗粒。2.根据权利要求1所述的一种ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢涂层制备方法，其特征模具型腔表面制备ZrC-SiC/NiCrMoV热作模具钢材料涂层是根据模具型腔加工三维实体扫描路径进行喷涂，保证喷涂质量稳定；控制激光辅助热喷涂参数使ZrC-SiC颗粒仅表面局部融化，而NiCrMo V合金粉末颗粒全部融化，实现ZrC-SiC/NiCrMoV颗粒增强热作模具钢材料涂层的制备。
【文档编号】C23C4/134GK105925929SQ201610471540
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】徐淑波, 鲁人瑜, 张小东
【申请人】山东建筑大学