专利名称：一种用于热作模具钢表面强化的耐磨金属陶瓷涂层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种金属陶瓷涂层及其制备方法，更具体地说，涉及用于热作模具钢表面强化的金属陶瓷涂层及其制备方法。
背景技术：
钢铁工业的快速发展对钢铁材料性能的要求越来越高，传统的钢材由于其硬度、 耐磨性、耐热冲击等性能比较差，已经不能满足工业产品的需求，而金属陶瓷因具有优良的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能，已经逐渐得到了重视。热作模具钢在工作时与热态金属相接触，型腔表面温度高达400 600°C，这样高的温度会使模腔表面硬度和强度显著降低。而且金属在巨大的压应力、张应力、弯曲应力和冲击载荷的作用下，与型腔相对运动，会对模具产生强烈的磨损。模具工作过程中反复受到冷却介质冷却和热态金属加热的交替作用，热磨损和热疲劳是模具主要的失效形式，这就要求模具钢表面具有高硬度、良好的耐磨性、尺寸稳定性、红硬性、抗热疲劳性和综合力学性能。鉴于热作模具的失效大都由表面开始，从节省能源和资源，充分发挥材料性能潜力并获得特殊性能和最大经济效益出发，对模具钢模具进行表面改性处理，是综合改善芯棒工作寿命的关键。涂层技术作为材料表面技术的重要手段，旨在用极少量的材料起大量、昂贵的整体材料所起到的作用，同时极大地降低产品的成本，从而达到提高产品质量、延长使用寿命、节约资源和能源的目的。因此，选择适当的工艺方法在钢材的工作表面制备一定厚度的耐磨、抗热疲劳性能好的金属陶瓷涂层，是当前亟待解决的课题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对热作模具钢在工作过程中的失效形式，提供一种在模具钢表面制备三元硼化物金属陶瓷涂层及其工艺。本发明的目的通过下述技术方案予以实现针对热作模具钢在工作过程中的失效形式，通过反复研究改进，提供一种在模具钢表面制备三元硼化物金属陶瓷涂层，采用等离子喷涂工艺。该等离子喷涂工艺采用等离子喷涂设备和同步自动送粉装置，由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将配制的粉末材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面，等离子电弧移开后，在模具钢表面形成附着牢固的涂层(例如可达I 2_厚)，经过后期热处理，使得涂层具有更好的耐磨性、抗热疲劳性能，最终使工件使用寿命提高I倍或数倍以上，具体来说，可按下述步骤进行首先(即步骤I)对模具钢基体进行预热处理，为了保证钢基体所需要的硬度，防止在加工过程中产生变形，对基体进行淬火和回火的预热处理，可根据不同模具钢的性能选择与之相适应的预热处理工艺。其次(即步骤2)对工作层表面进行清理和机械加工，可选用溶剂清除钢基体表面的油污(例如乙醇、丙酮等)，再对钢基体的工作层采用打磨或喷砂处理。步骤3、进行等离子喷涂加工，采用的喷涂粉末的其化学成份按质量百分比为 FeB :10-12%,Mo :16-18%, Ni 0. 5-1%, Cr 0. 5-1%, C 0. 2-0. 5%、余量为 Fe 粉；优选为 FeB :10-12%,Mo :16-18%, Ni 0. 5-0. 8%, Cr 0. 8-1%, C 0. 2-0. 5%、余量为 Fe 粉；同时
调整自动送粉装置的送粉速率满足涂层需要。最后(步骤4)进行后续热处理，对等离子喷涂后的制件进行真空烧结处理，以减少等离子喷涂后涂层及基体组织转变后残余应力，温度为1100-120(TC，去应力退火时间为30min 60min ;优选为1140_1200°C，去应力退火时间为30min 40min ;更加优选 1150-1200°C，去应力退火时间为30min 40min。等离子喷涂加工及自动送粉装置的工艺参数如表I :表I等离子喷涂加工及自动送粉装置的工艺参数
权利要求
1.一种用于热作模具钢表面强化的耐磨金属陶瓷涂层，其特征在于，按照下述步骤进行制备步骤(I)对模具钢基体进行预热处理，防止在加工过程中产生变形；步骤(2)对工作层表面进行清理和机械加工；步骤(3)进行等离子喷涂加工，采用的喷涂粉末的其化学成份按质量百分比为FeB: 10-12%, Mo :16-18%, Ni :0. 5-1%, Cr :0. 5-1%, C 0. 2-0. 5%、余量为 Fe 粉；由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将配制的粉末材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面，同时调整自动送粉装置的送粉速率满足涂层需要；步骤(4)进行后续热处理，对等离子喷涂后的制件进行真空烧结处理，以减少等离子喷涂后涂层及基体组织转变后残余应力。
2.根据权利要求I所述的一种用于热作模具钢表面强化的耐磨金属陶瓷涂层，其特征在于，所述步骤(2)中，可选用乙醇或者丙酮清除钢基体表面的油污，再对钢基体的工作层采用打磨或喷砂处理。
3.根据权利要求I所述的一种用于热作模具钢表面强化的耐磨金属陶瓷涂层，其特征在于，所述步骤(3)中，采用的喷涂粉末的其化学成份按质量百分比优选为FeB:10-12%、 Mo :16-18%, Ni 0. 5-0. 8%, Cr :0. 8-1%, C :0. 2-0. 5%、余量为 Fe 粉。
4.根据权利要求I所述的一种用于热作模具钢表面强化的耐磨金属陶瓷涂层，其特征在于，所述步骤(3)中，等离子喷涂加工及自动送粉装置的工艺参数为等离子气体为Ar 气、送粉气流量为5-7L · mirT1、电弧的功率为31 35kw、喷涂距离为80_110mm。
5.根据权利要求I所述的一种用于热作模具钢表面强化的耐磨金属陶瓷涂层，其特征在于，所述步骤(4)中，对等离子喷涂后的制件进行真空烧结处理，温度为1100-1200°C，去应力退火时间为30min 60min ;优选为1140_1200°C，去应力退火时间为30min 40min ； 更加优选1150-1200°C，去应力退火时间为30min 40min。
6.一种用于热作模具钢表面强化的耐磨金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行步骤(I)对模具钢基体进行预热处理，防止在加工过程中产生变形；步骤(2)对工作层表面进行清理和机械加工；步骤(3)进行等离子喷涂加工，采用的喷涂粉末的其化学成份按质量百分比为FeB: 10-12%,Mo :16-18%,Ni :0. 5-1%, Cr :0. 5-1%, C 0. 2-0. 5%、余量为 Fe 粉；由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将配制的粉末材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面，同时调整自动送粉装置的送粉速率满足涂层需要；步骤(4)进行后续热处理，对等离子喷涂后的制件进行真空烧结处理，以减少等离子喷涂后涂层及基体组织转变后残余应力。
7.根据权利要求6所述的一种用于热作模具钢表面强化的耐磨金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，可选用乙醇或者丙酮清除钢基体表面的油污，再对钢基体的工作层采用打磨或喷砂处理。
8.根据权利要求6所述的一种用于热作模具钢表面强化的耐磨金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，采用的喷涂粉末的其化学成份按质量百分比优选为 FeB :10-12%, Mo :16-18%, Ni 0. 5-0. 8%, Cr 0. 8-1%, C 0. 2-0. 5%、余量为 Fe 粉。
9.根据权利要求6所述的一种用于热作模具钢表面强化的耐磨金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，等离子喷涂加工及自动送粉装置的工艺参数为等离子气体为Ar气、送粉气流量为5-7L .min'电弧的功率为31 35kw、喷涂距离为80_110mm。
10.根据权利要求6所述的一种用于热作模具钢表面强化的耐磨金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对等离子喷涂后的制件进行真空烧结处理，温度为 1100-1200°C，去应力退火时间为30min 60min ;优选为1140_1200°C，去应力退火时间为 30min 40min ;更加优选1150-1200°C，去应力退火时间为30min 40min。
全文摘要
本发明公开了一种在模具钢表面制备三元硼化物金属陶瓷涂层及其工艺，针对热作模具钢在工作过程中的失效形式，采用等离子喷涂工艺。该等离子喷涂工艺采用等离子喷涂设备和同步自动送粉装置，由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将配制的粉末材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面，等离子电弧移开后，在模具钢表面形成附着牢固的涂层，经过后期热处理，使得涂层具有更好的耐磨性、抗热疲劳性能，最终使工件使用寿命提高1倍或数倍以上。
文档编号C23C4/10GK102586716SQ20121009932
公开日2012年7月18日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者余黎明, 刘永长, 檀慧, 秦凤明 申请人:天津大学