CN111005025B - 一种汽车气门模具用耐高温磨损涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种汽车气门模具用耐高温磨损涂层的制备方法，包括以下步骤：在氩气氛围下，将旋转电极置于汽车气门模具表面的易磨损部位处，以旋转电极为正极，以汽车气门模具为负极，在旋转电极和汽车气门模具表面产生高能量脉冲放电，使得旋转电极的部分电极金属与汽车气门模具表面的易磨损部位形成冶金结合，得到耐高温磨损涂层。本发明对汽车气门模具的修复效果较好，且形成的涂层的硬度较高，热疲劳性能较好。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车气门模具用耐高温磨损涂层的制备方法。
背景技术
模具是指工业生产上用以注塑、吹塑、挤出、压铸或锻压成型、冶炼、冲压等方法得到所需产品的各种模子和工具。模具的成型面是指用以成型制品(也称产品)的表面，成型面为直接与所成型制品接触的表面。模具成型面的加工质量、加工精度及使用性能均要求较高，直接决定所成型制品的加工质量和加工精度，在机械加工中，模具成型面需经机加工、清洗、打磨等多个工序才能加工完成。模具使用过程中，需对成型面进行有效保护，一旦成型面出现破损、开裂、磨损等缺陷，则直接影响模具的成型效果，甚至导致模具报废。
目前，模具可采用的修复方式有电镀、电弧或火焰堆焊、热喷涂(火焰、等离子)等。电镀层一般很薄，不超过0.03mm，而且与基体结合差，损坏部位难于修复；在堆焊、热喷涂或喷焊时，热量注入大，能量不集中，模具热影响区大，易产生热应力和变形，修复部位与模具的结合很难达到原来模具的要求。汽车气门模具由于其工作环境的特殊性容易产生高温磨损，一旦高温磨损尺寸超差对模具的成型效果会产生较大的影响，现有的修复方式对汽车气门模具的修复效果均不理想。
申请号为CN201611038574.3的中国发明公开了“一种汽车模具的修复工艺”，包括以下步骤：(1)采用无损探伤的方法对磨具进行检测；(2)磨具裂纹清理；(3)打磨裂纹；(4)配制合金粉；(5)对模具进行预热处理；(6)激光修复；(7)修复完成后对模具表面进行石棉保温，并缓冷至室温，然后检验尺寸并进行探伤；(8)磨具清洗；(9)磨具表面维护。该发明在应用于汽车气门模具时同样存在修复效果不佳的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种汽车气门模具用耐高温磨损涂层的制备方法，其对汽车气门模具的修复效果较好，且形成的涂层的硬度较高，热疲劳性能较好。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种汽车气门模具用耐高温磨损涂层的制备方法，包括以下步骤：
在氩气氛围下，将旋转电极置于汽车气门模具表面的易磨损部位处，以旋转电极为正极，以汽车气门模具为负极，在旋转电极和汽车气门模具表面产生高能量脉冲放电，使得旋转电极的部分电极金属与汽车气门模具表面的易磨损部位形成冶金结合，得到耐高温磨损涂层。
进一步地，本发明所述高能量脉冲放电的电流密度为105-106A/cm2。
进一步地，本发明所述旋转电极的部分电极金属与汽车气门模具表面的易磨损部位形成冶金结合时的温度为5000-10000℃。
进一步地，本发明所述旋转电极的转速为500-800转/分。
进一步地，本发明所述旋转电极由钨基合金制成，所述钨基合金的重量百分比组分为：钨93％，铁3％，镍3％，氧化钽0.3％，氧化铽0.2％，氧化镧0.5％，各组分的重量百分比为100％。
进一步地，本发明所述钨基合金的制备步骤为：
按重量百分比称取各组分混合后得到合金粉，将合金粉、无水乙醇、椰油酰胺丙基甜菜碱加入球磨机中氩气氛围下球磨3小时，取出得到混合粉末，将混合粉末80℃下真空烘干后转入放电等离子烧结机中，升温至600℃后保温4分钟，然后升温至1300℃，保温3分钟后随炉冷却至室温得到钨基合金。
进一步地，本发明所述合金粉、无水乙醇、椰油酰胺丙基甜菜碱的重量比为1:4:0.018，球磨机中的磨球为不锈钢球，合金粉与磨球的重量比为1:6，球磨机的转速为400转/分。
进一步地，本发明所述放电等离子烧结机的压力为55Mpa，升温速度为50℃/分。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明利用旋转电极与汽车气门模具之间产生的瞬间高能量脉冲放电的原理，在极小的放电区域内瞬间产生高密度电流，短时间和微小空间的高度集中放电产生了大量的热能，在放电的微小区域内产生高温，使得旋转电极和汽车气门模具上极微小的放电点处的金属熔化，并将部分熔化的电极金属抛离旋转电极的表面而过渡到汽车气门模具表面易磨损部位，在旋转电极作用下与呈熔融态的汽车气门模具表层挤压在一起，并有部分电极材料熔渗、扩散与熔融的汽车气门模具表面易磨损部位的金属实现冶金结合，从而得到含有电极材料的合金化耐高温磨损涂层而达到表面修复的效果。由于使用的能量密度很高，在时间和空间上高度集中，对汽车气门模具的热输入也非常集中，热量在汽车气门模具中的传导和扩散范围极小，所以汽车气门模具的组织和性能发生变化的热影响区很小，几乎没有热应力和变形，大大提高了涂层与汽车气门模具之间的结合强度(实际测试显示可达到70Mpa以上)，使得汽车气门模具易磨损部位的尺寸恢复到正常范围，进而为气门生产企业降低成本，提高经济效益。
2)本发明使用的旋转电极的材料为硬度较高、耐磨损及耐热性能较好的钨基合金，且在钨基合金中添加了氧化钽、氧化铽和氧化镧，其中，氧化钽和氧化铽均能有效提高耐高温磨损涂层的韧性，而且氧化铽还能进一步提高耐高温磨损涂层的热疲劳性能(实际测试显示涂层的热疲劳性能是汽车气门模具的3-5倍)，而氧化镧则能进一步提高耐高温磨损涂层的硬度(实际测试显示，涂层的常温显微硬度达到800HV以上，700℃时显微硬度达到400HV左右)和耐磨损性能；此外，在钨基合金的制备步骤中，各组分球磨时还添加了椰油酰胺丙基甜菜碱，椰油酰胺丙基甜菜碱能有效提高各组分的球磨分散性，进而提高钨基合金以及耐高温磨损涂层的韧性。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
汽车气门模具用耐高温磨损涂层的制备方法，包括以下步骤：
在氩气氛围下，将转速为700转/分的旋转电极置于汽车气门模具表面的易磨损部位处，以旋转电极为正极，以汽车气门模具为负极，在旋转电极和汽车气门模具表面产生电流密度为9×105A/cm2的高能量脉冲放电，使得旋转电极的部分电极金属与汽车气门模具表面的易磨损部位9000℃下形成冶金结合，得到耐高温磨损涂层。
其中，旋转电极由钨基合金制成，钨基合金的重量百分比组分为：钨93％，铁3％，镍3％，氧化钽0.3％，氧化铽0.2％，氧化镧0.5％，各组分的重量百分比为100％。钨基合金的制备步骤为：
按重量百分比称取各组分混合后得到合金粉，将重量比为1:4:0.018的合金粉、无水乙醇、椰油酰胺丙基甜菜碱加入球磨机中氩气氛围下球磨3小时，取出得到混合粉末，将混合粉末80℃下真空烘干后转入放电等离子烧结机中，升温至600℃后保温4分钟，然后升温至1300℃，保温3分钟后随炉冷却至室温得到钨基合金。其中，球磨机中的磨球为不锈钢球，合金粉与磨球的重量比为1:6，球磨机的转速为400转/分，放电等离子烧结机的压力为55Mpa，升温速度为50℃/分。
实施例2
汽车气门模具用耐高温磨损涂层的制备方法，包括以下步骤：
在氩气氛围下，将转速为500转/分的旋转电极置于汽车气门模具表面的易磨损部位处，以旋转电极为正极，以汽车气门模具为负极，在旋转电极和汽车气门模具表面产生电流密度为5×105A/cm2的高能量脉冲放电，使得旋转电极的部分电极金属与汽车气门模具表面的易磨损部位5000℃下形成冶金结合，得到耐高温磨损涂层。
在本实施例中，旋转电极的材料及其制备步骤与实施例1相同。
实施例3
汽车气门模具用耐高温磨损涂层的制备方法，包括以下步骤：
在氩气氛围下，将转速为1000转/分的旋转电极置于汽车气门模具表面的易磨损部位处，以旋转电极为正极，以汽车气门模具为负极，在旋转电极和汽车气门模具表面产生电流密度为106A/cm2的高能量脉冲放电，使得旋转电极的部分电极金属与汽车气门模具表面的易磨损部位10000℃下形成冶金结合，得到耐高温磨损涂层。
在本实施例中，旋转电极的材料及其制备步骤与实施例1相同。
实施例4
汽车气门模具用耐高温磨损涂层的制备方法，包括以下步骤：
在氩气氛围下，将转速为600转/分的旋转电极置于汽车气门模具表面的易磨损部位处，以旋转电极为正极，以汽车气门模具为负极，在旋转电极和汽车气门模具表面产生电流密度为8×105A/cm2的高能量脉冲放电，使得旋转电极的部分电极金属与汽车气门模具表面的易磨损部位6000℃下形成冶金结合，得到耐高温磨损涂层。
在本实施例中，旋转电极的材料及其制备步骤与实施例1相同。
对比实施例1
与实施例1不同的是旋转电极材料的钨基合金中不包含氧化钽。
对比实施例2
与实施例1不同的是旋转电极材料的钨基合金中不包含氧化铽。
对比实施例3
与实施例1不同的是旋转电极材料的钨基合金中不包含氧化镧。
对比实施例4
与实施例1不同的是旋转电极材料的钨基合金的制备步骤中，球磨时未添加椰油酰胺丙基甜菜碱。
对照例
对照例是申请号为CN201611038574.3的中国发明的实施例一。
应用例：
采用本技术在某气门驱动制造有限公司气门模具易磨损部位制备涂层，其使用寿命可提高3-5倍。模具因高温磨损尺寸超差后，可以采用本发明进行修复，使尺寸恢复到正常范围，达到使用要求，从而为气门生产企业降低成本，提高经济效益。
试验例1：
试验方法：取九块同样尺寸的7CrSiMnMoV钢制成的钢板，对钢板表面进行同样的高温磨损破坏处理产生磨损部位，分别用实施例1-4、对比实施例1-4和对照例对钢板进行修复，修复完后使用电子显微硬度计测定修复部位涂层的显微硬度，测定条件为载荷2N，保持时间15s。测试结果如表1所示：
| 显微硬度(HV) | |
| 实施例1 | 825.6 |
| 实施例2 | 825.2 |
| 实施例3 | 825.4 |
| 实施例4 | 825.1 |
| 对比实施例1 | 825.5 |
| 对比实施例2 | 825.6 |
| 对比实施例3 | 804.8 |
| 对比实施例4 | 825.6 |
| 对照例 | 798.7 |
表1
表1显示出，实施例1-4的显微硬度均明显高于对照例，其中实施例1的显微硬度最高。对比实施例1-4的部分步骤与实施例1不同，对比实施例3的显微硬度明显降低，说明旋转电极材料的钨基合金中的氧化镧能有效提高修复后形成的涂层的显微硬度。
试验例2：
试验方法：将经过试验例1试验后的实施例1-4、对比实施例1-4以及对照例中各个钢板修复后形成的涂层截取一部分，使用摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验并测出体积磨损率，磨损率＝磨损体积/(载荷×滑动距离)，体积磨损率越低表明修复后形成的涂层的耐磨性能越好。测试结果如表2所示：
表2
表2显示出，实施例1-4的体积磨损率均明显低于对照例，表明经过本发明制得的涂层的耐磨性能较好，其中实施例1的耐磨性能最好。对比实施例1-4的部分步骤与实施例1不同，对比实施例3的体积磨损率明显升高，说明旋转电极材料的钨基合金中的氧化镧能有效提高修复后形成的涂层的耐磨性能。
试验例3：
试验方法：将经过试验例1试验后的实施例1-4、对比实施例1-4以及对照例中各个钢板修复后形成的涂层截取一部分，利用压痕法测定出断裂韧性，载荷为9.8N，时间为20s，断裂韧性＝0.079·P·log(4.5·a/c)/a3/2，P为载荷，a为压痕对角线长度的一半，c为压痕中心到裂纹尖端的长度，断裂韧性数值越小表明修复后形成的涂层的韧性越好。测试结果如表3所示：
表3
表3显示出，实施例1-4的断裂韧性数值均明显小于对照例，表明经过本发明制得的涂层的韧性较好，其中实施例1的韧性最好。对比实施例1-4的部分步骤与实施例1不同，对比实施例1-3的断裂韧性数值均明显增大，说明旋转电极材料的钨基合金中的氧化钽和氧化铽，以及旋转电极材料的钨基合金的制备步骤中球磨时添加的椰油酰胺丙基甜菜碱均能有效提高修复后形成的涂层的韧性。
试验例4：
试验方法：将经过试验例1试验后的实施例1-4、对比实施例1-4以及对照例中各个钢板修复后形成的涂层截取一部分，利用箱式电阻炉进行750℃热疲劳试验，加热至750℃后立即水冷至室温，然后再次加热至750℃后水冷至室温，重复循环该过程，使用100倍显微镜观测涂层表面是否出现裂纹，记录涂层第一次出现裂纹的循环次数，循环次数越多表明修复后形成的涂层的热疲劳性能越好。测试结果如表4所示：
| 循环次数(次) | |
| 实施例1 | 24 |
| 实施例2 | 22 |
| 实施例3 | 23 |
| 实施例4 | 23 |
| 对比实施例1 | 24 |
| 对比实施例2 | 19 |
| 对比实施例3 | 23 |
| 对比实施例4 | 24 |
| 对照例 | 11 |
表4
表4显示出，实施例1-4的循环次数均明显多于对照例，表明经过本发明制得的涂层的热疲劳性能较好，其中实施例1的热疲劳性能最好。对比实施例1-4的部分步骤与实施例1不同，对比实施例2的循环次数明显减少，说明旋转电极材料的钨基合金中的氧化铽能有效提高修复后形成的涂层的热疲劳性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (3)
1.一种汽车气门模具用耐高温磨损涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
在氩气氛围下，将转速为500-800转/分的旋转电极置于汽车气门模具表面的易磨损部位处，以旋转电极为正极，以汽车气门模具为负极，在旋转电极和汽车气门模具表面产生电流密度为105-106A/cm2的高能量脉冲放电，使得旋转电极的部分电极金属与汽车气门模具表面的易磨损部位5000-10000℃下形成冶金结合，得到耐高温磨损涂层；
所述旋转电极由钨基合金制成，所述钨基合金的重量百分比组分为：钨93％，铁3％，镍3％，氧化钽0.3％，氧化铽0.2％，氧化镧0.5％，各组分的重量百分比为100％；
所述钨基合金的制备步骤为：
按重量百分比称取各组分混合后得到合金粉，将合金粉、无水乙醇、椰油酰胺丙基甜菜碱加入球磨机中氩气氛围下球磨3小时，取出得到混合粉末，将混合粉末80℃下真空烘干后转入放电等离子烧结机中，升温至600℃后保温4分钟，然后升温至1300℃，保温3分钟后随炉冷却至室温得到钨基合金。
2.根据权利要求1所述的一种汽车气门模具用耐高温磨损涂层的制备方法，其特征在于：所述合金粉、无水乙醇、椰油酰胺丙基甜菜碱的重量比为1:4:0.018，球磨机中的磨球为不锈钢球，合金粉与磨球的重量比为1:6，球磨机的转速为400转/分。
3.根据权利要求1所述的一种汽车气门模具用耐高温磨损涂层的制备方法，其特征在于：所述放电等离子烧结机的压力为55Mpa，升温速度为50℃/分。
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