CN105154957A - 一种型材挤压模具表面强化复合材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模具钢材料领域，特别是一种型材挤压模具表面强化复合材料制备方法。将表面涂覆超细混合粉末层与型材挤压模具一同置入烧结炉中保持1400℃，表面涂覆混合粉末层发生物理化学反应生成多相组织复合材料层，多相组织复合材料层包括碳纳米管NTS、SiO₂、ZrO₂、TiO₂、SiC，晶粒尺寸分布于亚微米至纳米之间。表面涂覆混合粉末层发生物理化学反应，物理化学反应完成后，生成多相组织复合材料层，解决了外加复合材料层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，尤其适合于型材挤压模具等方面的应用。

Description

一种型材挤压模具表面强化复合材料制备方法

技术领域

本发明涉及模具钢材料领域，特别是一种型材挤压模具表面强化复合材料制备方法。

背景技术

黑色金属挤压工艺最早应用于军事工业，二战结束后，挤压工艺得到了长足的进展，成为工业生产中的重要环节，尤其是型材挤压工艺得到了快速发展，从建筑铝型材到高速列车车体的广泛应用。目前，型材挤压模具的使用寿命占整个型材产品成本的比重为22%，型材挤压模具由于挤压过程受力条件极为恶劣，型材挤压模具经常因为产生过量磨损而报废，型材挤压模具材料要求高的硬度、强度韧性和耐磨性其中硬度高（HRC≥58-64），才能保证模具在被加工材料产生变形时，模具本身不产生变形和开裂，高的耐磨性是模具长期使用不走形。高耐磨性是以高硬度为基础的。同时要求有足够的强度与韧性，高的强度会提高模具的变形抗力，高的韧性防止冲击载荷下的脆断。还要求有良好的疲劳性能和良好的抗咬合能力。传统的型材挤压模具材料主要通过添加Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe金属元素达到提高硬度，强度和耐磨性的目的。目前建筑用型材和高速列车车体高端型材需求量非常大，型材挤压技术发展非常迅速，但是型材挤压成形比一般挤压需要的载荷力更大，开发高强度高耐磨型材挤压模具材料十分必要。目前世界上主要开了4Cr5MoSiV1、3Cr2W8V等合金钢用于型材挤压成形，但是存在模具使用寿命短的问题。在专利申请号001171488的专利中提出了一种加稀土金属铌或加铝的中合金铬系热作模具钢，通过增加合金元素的合金化手段，上述专利通过添加稀有金属增加了模具成本，同时提高耐磨性非常有限。

基于上述目的，型材挤压模具表面强化可有效改善型材挤压模具性能，从而延长其在型材挤压过程中的寿命的有效方法。目前，在诸多表面强化方法中，基本可以分为两类，一类是扩散覆层，另一类是熔覆层。扩散覆层表面强化的常用方法主要包括：阳极氧化、铬酸盐化学氧化、物理气相沉积、化学气相沉积、电弧喷涂、电镀以及微弧氧化等。但这些方法获得的强化层较薄，不致密，强化层与基体之间属机械结合界面或扩散结合界面，结合强度不高，容易产生开裂、脱落，直接导致耐磨性能的降低。熔覆层表面强化的典型手段是激光表面处理，可以在型材挤压模具表面上获得厚而致密的强化层，且强化层与基体间属冶金结合，结合强度高，同时表面强化只对表层起作用，不影响基体的性质。但该类熔覆层表面强化技术均属于局部加热，且型材挤压模具的导热系数大，因此熔覆层至基体热影响区容易产生较大的温度应力而出现微裂纹、气孔等缺陷，导致不能发生良好的冶金结合。由于上述方法存在的问题，因此，本发明采用一种型材挤压模具表面强化复合材料制备方法，通过在型材挤压模具表面形成一种高强度的复合材料层，从而达到提高型材挤压模具表面硬度，强度和耐磨性。

发明内容

本发明专利的目的是：本发明的目的是要提供一种型材挤压模具表面强化复合材料制备方法，通过在型材挤压模具表面形成一种高强度的复合材料层，从而达到提高型材挤压模具表面硬度，强度和耐磨性，较传统的4Cr5MoSiV1、3Cr2W8V等合金钢的强度、韧性、硬度和疲劳性能大幅提升。

本发明专利的技术方案是：本发明是一种型材挤压模具表面强化复合材料制备方法，通过采用机械化球磨设备制备超细混合粉末,混合粉末包括：纳米管干粉NTS、Zr、Ti、ZrO2、SiO2、和SiC六种微粉，按照摩尔比7:6:3:3:7:3组成，粒度分布在0.3～1.65微米之间；对基体型材挤压模具型腔表面依次经过表面砂纸打磨、乙醇超声波清洗20-30分钟、碱液清洗5-12分钟、中和5-12分钟、蒸馏水5-12分钟、烘干过程5-12分钟，去除表面结晶水氧化膜，对基体型材挤压模具型腔表面实现清洁处理；采用电泳法将混合粉末涂覆于清洁处理后的基体型材挤压模具型腔表面，在基体型材挤压模具表面涂覆混合超细粉末层；将表面涂覆超细混合粉末层与型材挤压模具一同置入烧结炉中保持1400℃，由于温度梯度分布，基体型材挤压模具型腔表面加热至1380℃左右，而表面涂覆混合粉末层则被加热至1420℃左右，两者同时被保持30分钟；表面涂覆混合粉末层在1420℃保持30分钟，表面涂覆混合粉末层发生物理化学反应，物理化学反应完成后，生成多相组织复合材料层，所述的多相组织复合材料层包括碳纳米管NTS、SiO2、ZrO2、TiO2、SiC，晶粒尺寸分布于亚微米至纳米之间。在型材挤压模具表面形成一种高强度的复合材料层。

一种型材挤压模具表面强化复合材料制备方法，由于反应生成TiO2和ZrO2，在WCrMoV基体材料表面还有NTS、SiO2和SiC，表面强化复合材料的硬度和耐磨性要求越高反应生成增强相的时间越长。

在烧结过程中引发生合成反应，生产TiO2和ZrO2超细晶粒颗粒：

O₂+Ti=（加热1400℃）TiO₂

O₂+Zr=（加热1400℃）ZrO₂

上述产物和NTS、SiO2和SiC结合成一种具有韧性，同时有高的硬度、强度和耐磨性的复合材料层，而且两种生成物的反应相互之间也有分解及进一步的反应,是一个互相促进和分解的平衡过程，从而达到最终的平衡反应速度。碳纳米管的几何尺寸直径是20-50nm。通过对反应时间、反应温度的组成等进行相关调节，可以控制反应生成复合材料层的硬度、强度和耐磨性，从而满足不同部位的使用要求。

本发明的基体使用合金的化学成分及重量百分比为：10-18%Cr、1-18%Mo、1-18%V和余量为Ni组成的NiCrMoV合金，可以通过上述成分要求合金熔炼进行熔炼提供。CrMoVNi基体材料在真空熔炼炉内熔炼，最终可获得强度、韧性和硬度大幅提升的CrMoVNi合金钢。

与现有型材挤压模具钢材料相比，型材挤压模具表面强化复合材料的制备方法具有如下优点：

（1）硬度、耐磨性、韧性、强度显著提高。TiO2、ZrO2、NTS、SiO2和SiC组成的表面强化复合材料直径尺寸细小，分布均匀，组织稳定性高，表面无污染，与在CrMoVNi基体结合良好。材料的高温力学性能和耐磨性能显著提高，尤其适合于型材挤压模具等方面的应用。

（2）表面强化复合材料组织稳定性好，不会分解有毒气体或溶解物，本发明因将表面涂覆超细混合粉末层与型材挤压模具一同置入烧结炉中保持1400℃，表面涂覆混合粉末层发生物理化学反应，物理化学反应完成后，生成多相组织复合材料层，解决了外加复合材料层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。

具体实施方式

下面给出本发明的最佳实施例：本发明型材挤压模具基体材料CrMoVNi合金的化学成分及重量百分比为：10-18%Cr、1-18%Mo、1-18%V和余量为Ni组成的NiCrMoV合金，可以通过上述成分要求合金熔炼进行熔炼提供。通过采用机械化球磨设备制备超细混合粉末,混合粉末包括：纳米管干粉NTS、Zr、Ti、ZrO2、SiO2、和SiC六种微粉，按照摩尔比7:6:3:3:7:3组成，粒度分布在0.3～1.65微米之间；对基体型材挤压模具型腔表面依次经过表面砂纸打磨、将型材挤压模具放入乙醇超声波清洗25分钟、碱液清洗10分钟、中和10分钟、蒸馏水10分钟、烘干过程10分钟，去除表面结晶水氧化膜，对基体型材挤压模具型腔表面实现清洁处理；采用电泳法将混合粉末涂覆于清洁处理后的基体型材挤压模具型腔表面，在基体铝合金表面涂覆混合超细粉末层；将表面涂覆超细混合粉末层与型材挤压模具一同置入烧结炉中保持1400℃，由于温度梯度分布，基体型材挤压模具型腔表面加热至1380℃，而表面涂覆混合粉末层则被加热至1420℃，两者同时被保持30分钟；表面涂覆混合粉末层在1420℃保持30分钟，表面涂覆混合粉末层发生物理化学反应，物理化学反应完成后，生成多相组织复合材料层，所述的多相组织复合材料层包括碳纳米管NTS、SiO2、ZrO2、TiO2、SiC，晶粒尺寸分布于亚微米至纳米之间。在型材挤压模具表面形成一种高强度的复合材料层。本发明材料的抗拉强度，耐磨性、尤其硬度和组织稳定性都显著提高，而且生产工艺稳定性好，便于大批量生产。

Claims (2)

1.一种型材挤压模具表面强化复合材料制备方法，其特征是通过在型材挤压模具表面形成一种高强度的复合材料层；

（a）基体使用合金的化学成分及重量百分比为：10-18%Cr、1-18%Mo、1-18%V和余量为Ni组成的NiCrMoV合金；

（b）多相组织复合材料层包括碳纳米管NTS、SiO₂、ZrO₂、TiO₂、SiC，晶粒尺寸分布于亚微米至纳米之间。

2.根据权利要求1所述的一种型材挤压模具表面强化复合材料制备方法，其特征是将表面涂覆超细混合粉末层与型材挤压模具一同置入烧结炉中保持1400℃，表面涂覆混合粉末层发生物理化学反应生成多相组织复合材料层。