CN103966477A - 一种耐磨铸球生产模具的表面强化层及其制作方法及具有其的模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨铸球生产模具的表面强化层及其制作方法及具有其的模具，强化层化学成分质量百分数为：Cr：22-40％，Co：5-7％，Al：3-7％，Y：0.2-0.6％，B：2.5-3.5％，Si：2.5-3.5％，Fe<1％，其余为Ni，具有耐高温、抗氧化、防金属液烧蚀、防粘连及无需脱模剂的功能。

Description

一种耐磨铸球生产模具的表面强化层及其制作方法及具有其的模具

技术领域

本发明属于磨球金属型铸造模具表面强化处理技术领域，尤其涉及一种耐磨铸球生产模具的表面强化层及其制作方法及具有其的模具。

背景技术

目前，耐磨铸球生产模具主要有三种：潮模砂铸造(适用于小球)、水玻璃砂铁模铸造、铁模覆砂(覆膜砂)铸造。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：由于耐磨铸球含铬高，浇注温度高，甚至高达1500℃，因此水玻璃砂铁模使用寿命短，成本高。长期使用金属液会使铁模铸型内腔出现崩落、熔损、龟裂等问题从而导致模具失效。

为了解决由于长期使用而使铁模铸型内腔出现崩落、熔损、龟裂等问题，铁模覆砂(覆膜砂)铸造得到了发展。铁模覆砂在金属型内腔覆上一薄层(4～8mm)型砂而形成铸型的一种铸造工艺，每浇注一次需要更换覆砂模，需要具备覆砂模射砂生产线，这些都增大生产成本。覆膜砂模散热较慢，降低了产品质量、表面粗糙及生产效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有耐高温、抗氧化、防金属液烧蚀、防粘连及无需脱模剂的功能的耐磨铸球生产模具的表面强化层及其制作方法及具有其的模具。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种耐磨铸球生产模具的表面强化层，其化学成分质量百分数为：Cr：22-40％，Co：5-7％，Al：3-7％，Y：0.2-0.6％，B：2.5-3.5％，Si：2.5-3.5％，Fe<1％，其余为Ni。

一种上述的耐磨铸球生产模具的表面强化层的制作方法，采用两步法喷焊，具体步骤如下：

a)对模具工作面除脂、碱洗、酸洗，抛光表面粗糙度达到△3.2，之后活化镀镍，镍层厚度70um以上；

b)强化层材料选用合金粉末，将合金粉末在120℃烘干1h；

c)对镀镍进行粗化处理，获得粗糙表面，将模具基体预热到350℃，之后开始采用两步法氧乙炔喷焊；

d)第一步：喷涂，采用中性火焰，使合金粉末充分在火焰中熔融，在镍层表面上产生塑性变形的沉积喷涂层，喷粉每层厚度＜0.2mm，重复喷涂达到0.5～0.6mm的涂层厚度；

e)第二步：重熔，在喷涂后立即进行，用中性焰的大功率柔软火焰，喷距20～30mm，火焰与表面夹角为60°～75°，从距涂层约30mm远处开始，将涂层加热，直至涂层出现“镜面”反光为度，之后进行下一个部位的重熔。

一种上述的耐磨铸球生产模具的表面强化层的制作方法，采用等离子喷焊，具体步骤如下：

a)对模具工作面除脂、碱洗、酸洗，抛光表面粗糙度达到△3.2，之后活化镀镍，镍层厚度70um以上；

b)强化层材料选用合金粉末，将合金粉末在120℃烘干1h，放入送粉器；

c)对镀镍进行粗化处理，获得粗糙表面，将模具基体预热到350℃，之后开始采用等离子喷焊：保护气体氩气，流量38L/min；氢气流量7L/min或8L/min；工作电流500A；喷涂距离90mm；送粉率30g/min；喷涂角度80-90度；喷涂后石棉包裹保温冷却。

一种模具，模具的浇道口的内壁、耐磨球型腔的表面、铁液缓冲槽的表面具有上述的表面强化层。

模具基体材料采用球墨铸铁，具有高温条件下不变形的优点。耐磨球铁型铸造模具经受反复冷热交替应力影响，耐高温抗氧化强化层的结合强度是重要的要求，为了提高强化层与铸铁基体之间的结合强度。本发明采用润湿性良好的镍层作为中间层，起到连接涂层与基体的作用。

镍层的制备采用电镀或化学镀的方法，厚度不得低于70um。由于模具基体材料为铸铁，石墨含量高，影响其表面强化层的结合强度，本发明在模具表面镀镍层，作为中间层，提高强化层与基体的结合强度。

在镍层表面制备耐高温、抗氧化强化层。抗氧化层的制备方法可以是喷焊、电火花强化、堆焊、激光熔覆及电子束熔覆等方法中的一种。

耐抗氧化强化层厚度大于100um，小于300um。

在镍层表面制备耐高温、抗氧化强化层。抗氧化层的制备方法可以是喷焊、电火花强化、堆焊、激光熔覆及电子束熔覆等方法中的一种。

强化层中铬是高熔点、不易氧化的元素，不锈钢中大量使用铬作为防氧化、防锈的元素，其价格便宜，因此本强化层中其添加量高达40％。但是铬含量再增高容易产生开裂，并且涂层难于熔化及涂覆到模具基体上。

由于高温铁水的作用，模具表面防氧化层需要具有高的结合强度，以及抗热应力循环作用，因此采用含有钴和镍，这两种成分不但具有高的抗高温氧化性能。并且镍是比较粘的元素，可以提高涂层和基体的结合强度。钴和镍在涂层中可以综合提高强化层的高温硬度，避免模具在使用过程中被磨损。

涂层中加入适量的铝元素可以提高强化层的耐高温性能，这是由于镍在喷焊中会和铝发生反应，生产镍铝化合物，镍铝化合物具有高熔点、高硬度的特点，有利于提高强化层的抗高温性能。

少量的铌在喷焊过程中会与氧反应，形成氧化铌，提高涂层的抗高温氧化性能。

硼和硅的加入可以降低涂层粉末的熔点，提高涂层喷焊的工艺性能。并且这两种元素具有脱氧的作用，避免在喷焊过程中其它元素的烧损。硼和硅的综合作用，还可以在涂层重熔时起到造渣的作用，可以将涂层中的氧化渣带到涂层表面，提高涂层的质量。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，

铸造模具表面上形成的耐高温强化层起到防金属溶液烧蚀和粘连的作用。

该耐高温强化层的优点是导热性良好，耐高温，防金属液烧蚀、粘连的作用。涂层与模具结合强度高，大大提高模具的使用寿命。

经过表面强化处理的模具，不需要在每次浇铸前再刷涂脱模剂，降低了劳工强度，并且使磨球的机械化自动生产成为了可能。

涂层的特征是导热性能优良，不会由于导热系数低影响铸件的凝固，铸件性能与未强化的模具制备的铸件相同。但模具使用更高效，铸件的生产效果提高。

铸造模具的铸件尺寸精度可达CT5～CT8级，铸件只需进行清砂即可。

附图说明

图1为本发明实施例一中提供的抗氧化层金相图；

图2为本发明实施例三中提供的模具结构示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

采用球墨铸铁铸造耐磨球的铁型铸模，模具设计有冷却系统、排气系统。

对模具铸件进行机械加工，为下一步镀镍做好准备。

对模具工作面进行镀镍，镀前除脂，碱洗，酸洗，抛光表面粗糙度达到△3.2，活化镀镍，厚度70um以上。

强化层材料选用合金粉末，粒度-140+320目，具体成分如下：

Cr Co Al Y B Si Fe Ni(％)

35 6 4 0.3 3 3 <1 余量

合金粉末120℃烘干1h，为后续喷涂备用。

对镀镍层进行粗化处理，获得粗糙表面，为下一步喷焊准备。

喷焊前模具基体预热到350℃。

喷焊方式：两步法氧乙炔喷焊。

喷涂与重熔均用大功率SpH-E喷、焊两用枪。第一步，使合金粉末充分在火焰中熔融，在工件表面上产生塑性变形的沉积喷涂层，采用中性火焰。

喷粉每层厚度＜0.2mm，重复喷涂达到0.5～0.6mm的涂层厚度。

第二步重熔是关键工序，在喷涂后立即进行。用中性焰的大功率柔软火焰，喷距约20～30mm，火焰与表面夹角为60°～75°，从距涂层约30mm处开始，适当掌握重熔速度，将涂层加热，直至涂层出现“镜面”反光为度，然后进行下一个部位的重熔。

重熔时应防止过熔，即镜面开裂，涂层金属流淌，或局部加热时间过长使表面氧化。

由于模具采用铸铁作为基体，冷硬性高，因此喷焊后要埋在石灰坑中缓冷。

表面耐高温、抗氧化层的致密，与基体结合紧密的抗氧化层金相图如图1所示。

模具经过本发明的表面强化后，在高铬耐磨球生产中，浇注温度1520℃，不需要其它保护和脱模剂，耐磨球可以自然脱模，模具使用寿命为3500模次左右。而没有经过表面强化的模具，在高铬耐磨球生产时，每模浇筑前采用乙炔黑保护，模具使用寿命只为600模次。

实施例二

采用球墨铸铁铸造耐磨球的铁型铸模，模具设计有冷却系统、排气系统。对模具铸件进行机械加工，为下一步镀镍做好准备。

模具工作面进行镀镍，镀前除脂，碱洗，酸洗，抛光表面粗糙度达到△3.2，活化镀镍，厚度75um以上。

强化层材料选用合金粉末，粒度-140+320目，具体成分如下：

Cr Co Al Y B Si Fe Ni(％)

40 5 3.5 0.2 2.5 2 <1 余量

粉末120℃烘干1h，为后续喷涂备用。

对镀镍进行粗化处理，获得粗糙表面，为下一步喷焊准备。

喷焊前模具基体预热到350℃。

喷焊方式：等离子喷焊。

喷焊工艺如下：

保护气体氩气，流量38L/min；

氢气流量7L/min；

工作电流500A；

喷涂距离90mm；

送粉率30g/min；

喷涂角度85度；

喷涂后石棉包裹保温冷却。

模具经过表面强化后，在高铬耐磨球生产中，浇注温度1520℃，不需要其它保护和脱模剂，耐磨球可以自然脱模，模具使用寿命为4000模次左右，等离子喷焊的使用寿命高于氧乙炔喷焊。而没有经过表面强化的模具，在高铬耐磨球生产时，每模浇筑前采用乙炔黑保护，模具使用寿命只为600模次。

实施例三

如图2所示，一种模具，在模具的工作表面采用上述方法制备表面强化层，工作表面包括浇道口的内壁，耐磨球型腔的表面，铁液缓冲槽的表面。

采用上述的方案后，铸造模具表面上形成的耐高温强化层起到防金属溶液烧蚀和粘连的作用。

该耐高温强化层的优点是导热性良好，耐高温，防金属液烧蚀、粘连的作用。涂层与模具结合强度高，大大提高模具的使用寿命。

经过表面强化处理的模具，不需要在每次浇铸前在刷涂脱模剂，降低了劳工强度，并且使磨球的得机械化自动生产成为了可能。

涂层的特征是导热性能优良，不会由于导热系数低影响铸件的凝固，铸件性能与未强化的模具制备的铸件相同。但模具使用更高效，铸件的生产效果提高。

铸造模具的铸件尺寸精度可达CT5～CT8级，铸件只需进行清砂即可。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种耐磨铸球生产模具的表面强化层，其特征在于，其化学成分质量百分数为：Cr：22-40％，Co：5-7％，Al：3-7％，Y：0.2-0.6％，B：2.5-3.5％，Si：2.5-3.5％，Fe<1％，其余为Ni。

2.如权利要求1所述的耐磨铸球生产模具的表面强化层，其特征在于，强化层材料为合金粉末，粒度为-140+320目。

3.一种如权利要求1或2所述的耐磨铸球生产模具的表面强化层的制作方法，其特征在于，采用两步法喷焊，具体步骤如下：

a)对模具工作面除脂、碱洗、酸洗，抛光表面粗糙度达到△3.2，之后活化镀镍，镍层厚度70um以上；

b)强化层材料选用合金粉末，将合金粉末在120℃烘干1h；

c)对镀镍进行粗化处理，获得粗糙表面，将模具基体预热到350℃，之后开始采用两步法氧乙炔喷焊；

d)第一步：喷涂，采用中性火焰，使合金粉末充分在火焰中熔融，在镍层表面上产生塑性变形的沉积喷涂层，喷粉每层厚度＜0.2mm，重复喷涂达到0.5～0.6mm的涂层厚度；

e)第二步：重熔，在喷涂后立即进行，用中性焰的大功率柔软火焰，喷距20～30mm，火焰与表面夹角为60°～75°，从距涂层约30mm远处开始，将涂层加热，直至涂层出现“镜面”反光为度，之后进行下一个部位的重熔。

4.如权利要求3所述的耐磨铸球生产模具的表面强化层的制作方法，其特征在于，喷涂与重熔均用大功率SpH-E喷、焊两用枪。

5.如权利要求4所述的耐磨铸球生产模具的表面强化层的制作方法，其特征在于，喷焊结束后，模具埋在石灰坑中缓冷。

6.一种如权利要求1或2所述的耐磨铸球生产模具的表面强化层的制作方法，其特征在于，采用等离子喷焊，具体步骤如下：

a)对模具工作面除脂、碱洗、酸洗，抛光表面粗糙度达到△3.2，之后活化镀镍，镍层厚度70um以上；

b)强化层材料选用合金粉末，将合金粉末在120℃烘干1h，放入送粉器；

c)对镀镍进行粗化处理，获得粗糙表面，将模具基体预热到350℃，之后开始采用等离子喷焊：保护气体氩气，流量38L/min；氢气流量7L/min或8L/min；工作电流500A；喷涂距离90mm；送粉率30g/min；喷涂角度80-90度；喷涂后石棉包裹保温冷却。

7.一种模具，其特征在于，模具的浇道口的内壁、耐磨球型腔的表面、铁液缓冲槽的表面具有如权利要求1-6任一所述的表面强化层。