CN102626780A - 生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺 - Google Patents

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王明生
韩旭
周华茂
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本发明属于提高生物质燃料成型模具表面硬度(即提高其耐磨性)的技术，具体为一种生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺，解决生物质燃料成型模具表面磨损严重问题。根据模具需强化部位面积及预强化层厚度称取合适质量的粉末，该粉末为钴/镍基自熔性合金粉末与非金属陶瓷粉末按比例混合的复合粉末；向该复合粉末内添加适量粘结成型剂，经真空搅拌充分混合，制得塑性粉末体；将该粉末体均匀涂于生物质燃料成型模具表面，经烘干，在真空炉内按照相应的升温曲线进行粉末冶金强化。粉末冶金强化涂层硬度可达HRC50～70，厚度为2mm以上，涂层平滑光亮、无气孔裂纹；涂层与基体之间结合界面为冶金熔合，组织均匀，无明显缺陷存在。

Description

生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺
技术领域
本发明属于提高生物质燃料成型模具表面硬度(即提高其耐磨性)的技术，具体为一种生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺。
背景技术
农作物秸秆是重要的可再生生物质资源，秸秆和生物质垃圾处理已经成为一个重大的社会问题。目前，秸秆综合利用最佳途径是将秸秆固化成型，制成高密度的燃料棒，作为工业或民用之燃料，俗称“秸秆煤”。秸秆成型机是秸秆燃料成型的重要装置，压缩成型模具是该机的关键工作部件。由于工作条件非常恶劣，如不进行强化，极易发生磨损，严重影响正常使用，维修成本也很高，严重影响秸秆燃料成型技术的应用和推广。工作部件的使用寿命成为制约秸秆燃料成型设备和技术实用价值的决定性因素。
为解决秸秆成型机工作部件的磨损问题，许多厂商尝试采用各种强化工艺来来强化秸秆成型模具，但是这些工艺应用过程中往往存在这样那样的问题。如渗碳/氮，但是硬化层比较薄，起不到延长模具使用寿命的目的；热喷涂硬质合金，其涂层与基体为机械结合，使用过程中受到较大的冲击作用，所得涂层容易脱落；氩弧堆焊耐磨焊条，所得涂层表面粗糙度大，后续加工困难；采用激光熔覆的方法，虽能得到高硬度的涂层，但涂层硬度较高时，极易产生裂纹，此外在模具狭长的内表面进行强化，激光熔覆难以实现。
发明内容
为解决生物质燃料成型模具表面磨损严重问题，本发明的目的是提供一种生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺。采用本发明可以对生物质成型模具或一般模具表面进行粉末冶金强化处理，亦可对服役过程中发生严重磨损的模具进行几何尺寸恢复的修复，更重要的是，与其它强化方式相比，该方法尤其适合异性面及模具狭长内表面的强化。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺，根据模具需强化部位面积及预强化涂层厚度称取合适质量的粉末，该粉末为钴/镍基自熔性合金粉末与非金属陶瓷粉末按比例混合的复合粉末，然后向该复合粉末内添加适量粘结成型剂，经真空搅拌充分混合，制得塑性粉末体，将该粉末体均匀涂于生物质燃料成型模具表面，经烘干，在真空炉内按照相应的升温曲线进行粉末冶金强化，形成粉末冶金强化涂层。
所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺，粉末冶金强化涂层硬度达到HRC50～70，涂层的厚度范围可控，可以从0.05mm～16mm(一般厚度为2mm以上)，涂层平滑光亮、无气孔裂纹；涂层与叶片基体之间结合界面为冶金熔合，组织均匀，无冶金缺陷存在。
所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺，粘结成型剂为常规技术，如：PMMA粘合剂(以聚甲基丙烯酸甲酯PMMA为基的粘结剂)、水基粘合剂(常规钎焊所用的水基粘结剂)、油基粘结剂或松香/松节油混合粘结剂等。
所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺，涂层的施加方式为塑性粉末体预置法，合金粉末与粘结成型剂混合的重量比例为从95％∶5％到80％∶20％。
所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺，合金粉末与粘结成型剂的混合方式为采用真空搅拌的方式，搅拌过程中，搅拌器转速为100～500转/分，搅拌时真空度为100～10-1Pa，搅拌时间为5～30分钟。
所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺，烘干过程分为两步，第一步50℃～200℃，1～3小时；第二步200℃～300℃，1～3小时。
所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺，真空设备为具有按照程序升温功能且具有较高真空度(10-2Pa以上)的真空炉。
所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺，合金粉末采用钴/镍基自熔性合金粉末(钴基自熔性合金粉末或镍基自熔性合金粉末)与非金属陶瓷粉末混合而成的复合粉末；其中，钴/镍基自熔性合金粉末和非金属陶瓷粉末，混合的重量比例为从80％∶20％到50％∶50％。
所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺，钴基自熔性合金粉末可以为常用钴基自熔性合金粉末(如：Co40、Co42、Co42B、Co42C、Co43或Co50等)之一，镍基自熔性合金粉末可以为常用镍基自熔性合金粉末(如：Ni20、Ni25、Ni35、Ni45或Ni60等)之一，钴基自熔性合金粉末、镍基自熔性合金粉末的粒度为200目以下；非金属陶瓷粉末可以为过渡非金属陶瓷或难熔非金属陶瓷(如：碳化铬、碳化钨、碳化钛、碳化锆、碳化钼、碳化硅、立方氮化硼或三氧化二铝等)的非金属陶瓷粉末之一，粉末粒度为200目以下。
所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺，复合粉末采用机械滚动球磨或高能球磨制备。
所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺，粉末冶金强化工艺为烧结温度1100～1180℃，保温1～30min后随炉冷却，加热过程中真空度需维持在10-1Pa～10-3Pa。
本发明的优点：
(1)本发明采用粉末冶金强化工艺，合金涂层的成分可根据需要调整，涂层的显微硬度可在HV500～1300之间变化，这是其它涂层工艺难以达到的。
(2)本发明粉末冶金强化工艺能较好地除掉颗粒表面的氧化膜，改善了非金属陶瓷粉末同自熔合金的浸润角，有利于粘结成型剂的彻底排除。
(3)本发明不仅能对模具及易磨损机械零部件表面进行粉末冶金强化，还可以对模具异形表面及内表面进行强化，这是其它强化手段不易实现的。
(4)本发明涂层的厚度范围可控，可以从0.05mm～16mm之间变化，薄涂层一般可作为防护作用，厚涂层一般作为耐磨涂层，可承受较大的冲击载荷，涂层与基体牢固结合不易破碎。
(5)本发明制备的涂层组织均匀，硬度分布均匀，不像激光束熔覆、电子束熔覆、聚焦光束熔覆和等离子束熔覆等技术易产生熔池内成分偏析、组织不均匀、熔池之间的搭接和涂层硬度不均匀等现象。在粉末冶金强化过程中，熔融状态的涂层合金与基体可进行充分的相互扩散，在界面处形成牢固的冶金结合远远大于通过等离子、CVD、PVD等工艺制备的涂层。
(6)本发明所用的粉末冶金强化设备比激光和等离子喷涂等设备简单，可以通过热电偶来精确控制粉末冶金强化温度和时间来保证工艺质量。在降温过程中采取分段保温的方式，不仅保证晶粒细化满足强度要求，同时有效地降低了残余热应力。
具体实施方式
本发明生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料与工艺，根据需涂层面积及预强化厚度称取合适质量的粉末，该粉末采用钴/镍基自熔性合金粉末与非金属陶瓷粉末按适当比例混合的复合粉末，然后将该粉末与适量的粘结成型剂经真空搅拌充分混合，均匀涂于生物质燃料成型模具表面，经烘干，在高真空炉内经粉末冶金强化；粉末冶金强化涂层硬度可达HRC50～70，厚度为2mm以上，涂层平滑光亮、无气孔裂纹；其具体步骤如下：
(1)将模具内表面经充分打磨，可以采用金刚砂磨头进行打磨，去除表面的氧化膜及油脂，然后再用酒精充分清洗模具内表面，用吹风机吹干。
(2)经高能球磨机将钴/镍基自熔性合金粉末与非金属陶瓷粉末充分混合，二者重量比例为从80％∶20％到50％∶50％，然后将该混合粉末与粘结成型剂经真空搅拌充分混合，二者重量比例为从95％∶5％到80％∶20％，得到塑性粉末体。
(3)将得到的塑性粉末体均匀涂于模具内表面，粉末体厚度在0.5～2.5mm之间自由控制，在马弗炉内经2步烘干，第一步50℃～200℃，1～3小时；第二步200℃～300℃，1～3小时。
(4)将烘干后的模具放于可编程具高真空度的真空炉内，按照预定程序进行升温加热，加热过程中真空度需维持在10-1Pa～10-3Pa。烧结温度1100～1180℃，保温时间1～30min，后随炉冷却。
实施例1
某三柱塞式秸秆成型机模具为40Cr，该机压缩成型设备由曲柄柱塞机构及料模等零部件组成，通过柱塞将秸秆原料压入料模并成型。柱塞和料模是在较高温度和压力下工作的，柱塞、料模与秸秆始终处于干磨擦状态，导致磨损速度非常快，工作5小时，局部磨损深度就达7mm。当磨损进行到一定程度时，柱塞与料模失去尺寸配合，成型就无法进行。采用钴基自熔性合金粉末(本实施例中，钴基自熔性合金的牌号是：Co43)添加占钴基自熔性合金粉末40％重量的碳化钨陶瓷粉末经高能球磨制得混合粉末，混合粉末的粒度为200目，然后添加占混合粉末8％重量的PMMA粘合剂，经高速真空搅拌，转速300转/分，真空度为0.5Pa，搅拌10分钟，制备成塑性粉末体。然后均匀涂于模具内表面厚度约2mm，在马弗炉内经2步烘干：80℃烘干1小时，200℃烘干1小时，最后在真空炉内加热到1150℃，保温10min，后随炉冷却，加热过程中真空度需维持在4×10-2Pa。最终，通过粉末冶金强化在模具内表面上形成厚2mm左右的硬面层。
经过着色检测涂层无裂纹、气孔，涂层与基体冶金结合，涂层硬度HRC65。该强化模具装机运行后，与未强化模具相比使用寿命提高了近5倍。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
采用钴基自熔性合金粉末(本实施例中，钴基自熔性合金的牌号是：Co40)添加占钴基自熔性合金粉末50％重量的碳化钛陶瓷粉末经高能球磨制得混合粉末，混合粉末的粒度为200目，然后添加占混合粉末10％重量的PMMA粘合剂，经高速真空搅拌，转速200转/分，真空度为0.2Pa，搅拌20分钟，制备成塑性粉末体。然后均匀涂于模具内表面厚度约2mm，在马弗炉内经2步烘干：100℃烘干2小时，220℃烘干2小时，最后在真空炉内加热到1160℃，保温15min，后随炉冷却，加热过程中真空度需维持在2×10-2Pa。最终，通过粉末冶金强化在模具内表面上形成厚2mm左右的硬面层。
经过着色检测涂层无裂纹、气孔，涂层与基体冶金结合，涂层硬度HRC65。该强化模具装机运行后，与未强化模具相比使用寿命提高了近5倍。
实施例3
某秸秆成型机模具冲头材料为35CrNiMo，其工作过程中与烘干好的秸秆粉末在巨大推力作用下发生严重磨损，经过3～4小时工作，本来圆柱体形状的冲头变成了半球状，生产效率变低，成品形状不规则，难以继续使用。采用镍基自熔性合金(本实施例中，镍基自熔性合金的牌号是：Ni45)粉末添加占镍基自熔性合金粉末30％重量的碳化铬陶瓷粉末经机械混合制得复合粉末，混合粉末的粒度为200目，然后添加占混合粉末9％重量的水基粘结剂，经高速真空搅拌，转速250转/分，真空度为0.1Pa，搅拌15分钟，制备成塑性粉末体。将冲头表面采用金刚石磨头彻底打磨，去除氧化腐蚀产物。将混合好的塑性粉末体涂于磨损冲头表面，涂抹后冲头尺寸稍大于原始尺寸，在马弗炉内经2步烘干：90℃烘干1小时，300℃烘干1小时，经精细修整，在卧式真空炉内加热到1150℃保温5min，后随炉冷却，加热过程中真空度需维持在4.5×10-2Pa。结果，通过粉末冶金强化使该冲头恢复了原有尺寸。
粉末冶金强化部位呈银白色，经过着色检测涂层无裂纹、气孔，涂层硬度HRC62。试验考核结果表明，与未强化模具相比使用寿命提高了近4倍。
实施例4
与实施例3不同之处在于：
采用镍基自熔性合金(本实施例中，镍基自熔性合金的牌号是：Ni35)粉末添加占镍基自熔性合金粉末60％重量的碳化锆陶瓷粉末经机械混合制得复合粉末，混合粉末的粒度为200目，然后添加占混合粉末7％重量的松香/松节油混合粘结剂(松香溶解在松节油中，松香占30wt％)，经高速真空搅拌，转速400转/分，真空度为0.6Pa，搅拌30分钟，制备成塑性粉末体。将冲头表面采用金刚石磨头彻底打磨，去除氧化腐蚀产物。将混合好的塑性粉末体涂于磨损冲头表面，涂抹后冲头尺寸稍大于原始尺寸，在马弗炉内经2步烘干：120℃烘干1小时，280℃烘干1小时，经精细修整，在卧式真空炉内加热到1140℃保温10min，后随炉冷却，加热过程中真空度需维持在3.0×10-2Pa。结果，通过粉末冶金强化使该冲头恢复了原有尺寸。
粉末冶金强化部位呈银白色，经过着色检测涂层无裂纹、气孔，涂层硬度HRC62。试验考核结果表明，与未强化模具相比使用寿命提高了近4倍。
实施例结果表明，本发明粉末冶金强化涂层硬度可达HRC50～70，厚度为2mm以上，涂层平滑光亮、无气孔裂纹；涂层与基体之间结合界面为冶金熔合，组织均匀，无明显缺陷存在。优点：涂层厚度可控，可在0.0516mm之间变化，所得涂层成分均匀，可以在粉末冶金强化处理前精细修整，粉末冶金强化后加工余量小，涂层制备设备相对简单，可对模具进行全方位强化。

Claims (9)

1.一种生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料，其特征在于：该材料包括钴基自熔性合金粉末或镍基自熔性合金粉末、非金属陶瓷粉末和粘结成型剂，钴基自熔性合金粉末或镍基自熔性合金粉末与非金属陶瓷粉末形成混合粉末，混合粉末与粘结成型剂混合的重量比例为从95％∶5％到80％∶20％，钴基自熔性合金粉末或镍基自熔性合金粉末与非金属陶瓷粉末重量比例为80％∶20％到50％∶50％。
2.按照权利要求1所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料，其特征在于：钴基自熔性合金粉末、镍基自熔性合金粉末的粒度为200目以下。
3.按照权利要求1所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料，其特征在于：非金属陶瓷粉末为过渡非金属陶瓷或难熔非金属陶瓷，粉末粒度为200以下。
4.按照权利要求1所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层材料，其特征在于：粘结成型剂为以PMMA为基的粘合剂、水基粘合剂、油基粘结剂、松香/松节油混合粘结剂。
5.一种利用权利要求1所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据模具需强化部位面积及预强化层厚度称取合适质量的粉末，该粉末为钴/镍基自熔性合金粉末与非金属陶瓷粉末按比例混合的复合粉末；
(2)按比例向该复合粉末内添加粘结成型剂，经真空搅拌充分混合，制得塑性粉末体；
(3)将该粉末体均匀涂于生物质燃料成型模具表面，经烘干，在真空炉内按照相应的升温曲线进行粉末冶金强化，得到粉末冶金强化涂层。
6.按照权利要求5所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层工艺，其特征在于：所述步骤(2)搅拌过程中，搅拌器转速为100～500转/分，搅拌时真空度为100～10-1Pa，搅拌时间为5～30分钟。
7.按照权利要求5所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层工艺，其特征在于：所述步骤(3)烘干过程分为两步，第一步50℃～200℃，1～3小时；第二步200℃～300℃，1～3小时。
8.按照权利要求5所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层工艺，其特征在于：所述步骤(3)粉末冶金强化工艺为烧结温度1100～1180℃，保温1～30min后随炉冷却，加热过程中真空度需维持在10-1Pa～10-3Pa。
9.按照权利要求5所述的生物质燃料成型模具表面粉末冶金强化涂层工艺，其特征在于：粉末冶金涂层达到硬度HRC50～70，涂层的厚度范围可控，从0.05mm～16mm，涂层平滑光亮、无气孔裂纹；涂层与叶片基体之间结合界面为冶金熔合，组织均匀，无冶金缺陷存在。
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