CN104264092A - 一种用于模具钢表面的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents

一种用于模具钢表面的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于模具钢表面的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的制备方法：先按原料组成及其质量百分比含量配料：Fe粉12.00～16.00％，FeB粉30.00～35.00％，Mo粉40.00～45.00％，B粉0.50～2.00％，Cr粉2.00～3.00％，Ni粉2.00～3.00％，Mn粉2.00～3.00％，C粉0.20～0.50％；再于氩气保护下干磨，随后过滤；再将混合后的粉末喷涂到模具钢表面；最后于1200℃真空烧结炉中烧结。本发明显著提高了金属陶瓷涂层的硬度、弹性模量以及耐磨性。

Description

一种用于模具钢表面的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的制备方法
技术领域
本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种涂覆到模具钢表面的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的制备方法。
背景技术
钢铁工业是我国国民经济的基础，而模具被称为是工业发展的“基石”。随着科学技术高速发展和模具工作环境的恶化，单纯的金属材料已经不能满足模具行业的要求。通过调查发现，模具的失效大多是从表层的疲劳磨损开始的，而大多数模具的表面材料被磨损后即失效报废，造成了极大的材料浪费和经济损失。因此，提高模具的使用寿命的一个重要方法就是在其工作部位和易损坏的部位制备高性能的涂层，增强模具工作区域抗热冲击、耐磨损等性能，使模具寿命大幅度提高，从而提高经济效益。
Mo2FeB2基金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性，而且还可以与钢基体可以产生良好的冶金结合，成为模具涂层材料的合适选择。
发明内容
本发明的目的，是为进一步提高现有金属模具的使用寿命，提供一种涂覆到模具钢表面的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的制备方法。通过在原料中添加适量单质B粉末，有效降低Mo2FeB2基金属陶瓷的液相烧结起始温度，从而降低喷涂后烧结过程中由于烧结温度过高引起的对模具钢基体性能的破坏，更好地保护模具钢基体。
本发明通过如下技术方案予以实现。
一种用于模具钢表面的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的制备方法，步骤如下：
(1)按原料组成及其质量百分比含量：Fe粉12.00～16.00％，FeB粉30.00～35.00％，Mo粉40.00～45.00％，B粉0.50～2.00％，Cr粉2.00～3.00％，Ni粉2.00～3.00％，Mn粉2.00～3.00％，C粉0.20～0.50％；
(2)使用球磨机对步骤(1)的原料进行粉碎与混合，氩气保护下干磨，随后过滤；
(3)采用等离子喷涂工艺，将步骤(2)球磨以及混合后的粉末喷涂到模具钢表面；
(4)将步骤(3)具有Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的模具钢于真空烧结炉中烧结，烧结制度为：升温至600℃后放入试样，经过600℃×30min+800℃×30min+1000℃×90min+1100℃×30min+1200℃×60min的烧结后随炉冷却至室温；真空度控制在1～10-2Mpa。
所述步骤(1)的原料纯度均≥99.00％；
所述步骤(2)采用120目筛进行过滤；
所述步骤(2)的行星式球磨机采用直径为Ф5mm或Ф10mm的不锈钢磨球，大球与小球的质量比为2:1，球料比是5:1，球磨转速为300r/min，球磨时间为4h；
所述步骤(3)的模具钢为H13模具钢。
本发明的有益效果如下：
(1)所用FeB粉、Fe粉、Mo粉、B粉等原料都比较易得，可以有效的降低生产成本。
(2)通过有效添加单质B粉，降低了金属陶瓷的液相烧结的起始温度，提高了液相的扩散驱动力，有利于Mo2FeB2基体中所含固相的溶解和重排，改善了金属陶瓷涂层的致密性和均匀性，显著提高了金属陶瓷涂层的硬度、弹性模量以及耐磨性。
附图说明
图1是本发明的烧结工艺曲线图；
图2是对比实施例与实施例2的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的表面维氏硬度的比较图；
图3是对比实施例与实施例2的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的损耗和磨损系数比较图；
图4是对比实施例与实施例2的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的弹性模量比较图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
本发明采用的纯Fe粉、FeB粉、Mo粉、B粉以及Cr粉、Ni粉、Mn粉和C粉均为市售的化学纯粉末试剂，配料后先于QM-3SP2型行星式球磨机中球磨4h，采用氩气保护下干磨，过筛；然后将球磨好的粉末喷涂到H13模具钢表面，再将具有Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的H13模具钢于GSL1300型的真空烧结炉中进行烧结。
本发明的原理是通过添加适量B粉，能够降低Mo2FeB2基金属陶瓷液相烧结过程中的液相烧结温度，从而提高液相的扩散驱动力，有利于液相中所含固相的溶解和重排，进而有助于烧结体中组织的均匀化和致密化。通过添加B粉，金属陶瓷的弹性模量、硬度及耐磨性都有了显著的提高或者改善。Cr粉、Ni粉、Mn粉和C粉的添加是为了更好地适应等离子喷涂工艺的需要。
对比实施例
以Fe粉12.00％，FeB粉35.00％，Mo粉44.30％，Cr粉2.80％，Ni粉2.90％，Mn粉2.50％，C粉0.50％进行配料，但不添加B粉。将上述原料先于QM-3SP2型行星式球磨机中充分球磨4h，采用氩气保护下干磨，过筛；然后将球磨好的粉末喷涂到H13模具钢表面；再将具有Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的H13模具钢于GSL1300型的真空烧结炉中进行烧结。烧结制度是升温至600℃后放入试样，经过600℃×30min+800℃×30min+1000℃×90min+1100℃×30min+1200℃×60min的烧结后随炉冷却至室温，烧结工艺参考图1。
实施例1
以Fe粉16.00％，FeB粉30.00％，Mo粉45.00％进行配料，B粉0.66％，Cr粉2.50％，Ni粉3.00％，Mn粉2.34％，C粉0.50％。将上述原料先于QM-3SP2型行星式球磨机中充分球磨4h，采用氩气保护下干磨，过筛；然后将球磨好的粉末喷涂到H13模具钢表面；再将具有Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的H13模具钢于GSL1300型的真空烧结炉中进行烧结。烧结制度是升温至600℃后放入试样，经过600℃×30min+800℃×30min+1000℃×90min+1100℃×30min+1200℃×60min的烧结后随炉冷却至室温，烧结工艺参考图1。
实施例2
以Fe粉15.18％，FeB粉34.00％，Mo粉40.00％进行配料，B粉1.32％，Cr粉3.00％，Ni粉3.00％，Mn粉3.00％，C粉0.50％。将上述原料先于QM-3SP2型行星式球磨机中充分球磨4h，采用氩气保护下干磨，过筛；然后将球磨好的粉末喷涂到H13模具钢表面；再将具有Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的H13模具钢于GSL1300型的真空烧结炉中进行烧结。烧结制度是升温至600℃后放入试样，经过600℃×30min+800℃×30min+1000℃×90min+1100℃×30min+1200℃×60min的烧结后随炉冷却至室温，烧结工艺参考图1。
以上实施例均采用机械球磨方式使金属粉末充分混合，最后进行等离子喷涂等一系列技术路线，同时在Mo2FeB2基金属陶瓷的烧结工艺的设计中，延长了1000℃这个温度段的保温时间，以此来确保固相反应完全。
对比实施例与实施例2获得的高性能Mo2FeB2基金属陶瓷涂层经过物理、力学表征后其主要参数详见图2、图3、图4。其中，P-1表示对比实施例，P-2表示实施例2。
本发明采用MH—6型显微硬度计来测定显微硬度，加载载荷为100gf，加载停留时间为5s；采用M—2000型摩擦磨损试验机来测定试样的耐磨性，摩擦轮的材质为GCr12，磨轮的直径约为43mm,转速为400r/min,加载载荷为10kg，测量时间为120min；采用型号为432SVD的自动旋转塔数显维氏硬度计对试样的弹性模量进行研究，测试时所用的纳米压头为克努普氏压头，载荷为30kg，最大载荷加载时间15s。
图2是对比实施例与实施例2的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的表面维氏硬度的比较图，由图2可以看到，在原料中没有添加B粉的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的对比实施例表面维氏硬度为940HV，添加B粉的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的实施例2表面维氏硬度为1120HV。
图3是对比实施例与实施例2的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的损耗和磨损系数比较图，由图3可以看到，对比实施例的损耗为1.28μm，磨损系数为0.55；实施例2的损耗为0.52，磨损系数为0.45。
图4是对比实施例与实施例2的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的弹性模量比较图，由图4可以看到，对比实施例的弹性模量为260GPa，实施例2的弹性模量为330GPa。
通过上述比较，充分证明了本发明了添加B粉后的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的综合性能较为优异。

Claims (5)

1.一种用于模具钢表面的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的制备方法，步骤如下： 
(1)按原料组成及其质量百分比含量配料：Fe粉12.00～16.00％，FeB粉30.00～35.00％，Mo粉40.00～45.00％，B粉0.50～2.00％，Cr粉2.00～3.00％，Ni粉2.00～3.00％，Mn粉2.00～3.00％，C粉0.20～0.50％； 
(2)使用球磨机对步骤(1)的原料进行粉碎与混合，氩气保护下干磨，随后过滤； 
(3)采用等离子喷涂工艺，将步骤(2)球磨以及混合后的粉末喷涂到模具钢表面； 
(4)将步骤(3)具有Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的模具钢于真空烧结炉中烧结，烧结制度为：升温至600℃后放入试样，经过600℃×30min+800℃×30min+1000℃×90min+1100℃×30min+1200×60min的烧结后随炉冷却至室温；真空度控制在1～10-2Mpa。 
2.根据权利要求1所述的一种用于模具钢表面的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的原料纯度均≥99.00％。 
3.根据权利要求1所述的一种用于模具钢表面的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)采用120目筛进行过滤。 
4.根据权利要求1所述的一种用于模具钢表面的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的行星式球磨机采用直径为Ф5mm或Ф10mm的不锈钢磨球，大球与小球的质量比为2:1，球料比是5:1，球磨转速为300r/min，球磨时间为4h。 
5.根据权利要求1所述的一种用于模具钢表面的Mo2FeB2基金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的模具钢为H13模具钢。 
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