CN111155083A - 一种覆有涂层的热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料领域，具体公开了一种覆有涂层的热作模具钢，包括热作模具钢基体和设置于所述热作模具钢基体上的涂层；所述涂层主要由TiC和高熵合金组成，所述高熵合金为高熵合金FeMnCrNiCo。所述热作模具钢以高熵合金为基础，以TiC作为增强相，利用激光熔覆技术，将FeMnCrNiCo高熵合金粉末和TiC熔覆在热作模具钢上，使热作模具钢具有更好的高温性能，能有效减少在高温工作环境中的高温磨损和高温氧化；所述覆有涂层的热作模具钢的综合性能优异，能够在工作时承受巨大冲击力，能够承受与高温金属接触，反复加热和冷却。

Description

一种覆有涂层的热作模具钢及其制备方法
技术领域
本发明属于材料领域，特别涉及一种覆有涂层的热作模具钢及其制备方法。
背景技术
热作模具钢是指适宜于制作对金属进行热变形加工的模具用的合金工具钢，空淬硬化热作模具钢(4Cr5MoSiV)是在模具行业应用广泛的热作模具钢。目前大部分热作模具钢主要是采用淬火加回火的工艺制备，其具有良好高温性能。但是，目前采用淬火加回火的工艺，热作模具钢在复杂的高温工作环境中，受到多方面的影响，往往会出现高温磨损和高温氧化的缺陷，导致模具的失效，从而间接的增加了生产成本。
因此，希望提供一种在高温工作环境中，能够减少高温磨损和高温氧化的热作模具钢。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种覆有涂层的热作模具钢，在高温工作环境中，能够有效减少高温磨损和高温氧化。
一种覆有涂层的热作模具钢，包括热作模具钢基体和设置于所述热作模具钢基体上的涂层；所述涂层主要由TiC和高熵合金组成。
优选的，所述高熵合金为高熵合金FeMnCrNiCo；进一步优选的，所述高熵合金FeMnCrNiCo中各金属质量比为Fe：Mn：Cr：Ni：Co＝1：1：1：1：1。
优选的，所述涂层，按重量份计，由5-20份TiC和80-100份的高熵合金FeMnCrNiCo组成。
优选的，所述涂层的厚度为0.6-1.2mm；进一步优选的，所述涂层的厚度为0.8-1.0mm。
优选的，所述热作模具钢基体包括4CrW2Si、3Cr2W8V、4Cr5MoSiV、5CrNiMo、5CrMnMo、5CrNiW、5CrNiTi或5CrMnMoSiV中的一种；进一步优选的，所述热作模具钢基体为4Cr5MoSiV。
一种覆有涂层的热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)对热作模具钢基体进行清洗和除氧化物，其中，除氧化物采用车削、打磨等机械方法，直至露出金属光泽；表面清洗可以用金属洗净剂、氢氧化纳等热碱液，以及汽油、丙酮等有机溶剂进行清洗；
(2)称取TiC和高熵合金所需Fe粉、Mn粉、Cr粉、Ni粉、Co粉，混粉，得混合粉体；
(3)在惰性气体下，将步骤(2)制得的混合粉体熔覆在热作模具钢基体上形成涂层，制得所述热作模具钢。
优选的，步骤(3)中所述的熔覆为激光熔覆，在所述激光熔覆中：激光功率：1500-2000W；速度：5-10mm/s；激光斑点直径：2-4mm。
进一步优选的，在所述激光熔覆中：激光功率：1700W；速度：6mm/s；激光斑点直径：3mm。
优选的，步骤(3)中所述惰性气体为氩气，所述惰性气体的气流量为20-30L/min。
所述的热作模具钢在模具领域的应用。
高熵合金(High-entropy alloys)是由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金。高熵合金具有十分优异的力学性能，例如具有高硬度、抗高温软化、耐高温氧化、耐腐蚀和高电阻率等特性。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)以高熵合金为基础，以TiC作为增强相，利用激光熔覆技术，将FeMnCrNiCo高熵合金粉末和TiC熔覆在热作模具钢上，使热作模具钢具有更好的高温性能，能有效减少在高温工作环境中的高温磨损和高温氧化。
(2)所述覆有涂层的热作模具钢的综合性能优异，能够在工作时承受巨大冲击力，能够承受与高温金属接触，反复加热和冷却。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
实施例1
一种覆有涂层的热作模具钢，包括4Cr5MoSiV钢板和设置于4Cr5MoSiV钢板上的涂层；涂层由5份TiC和95份高熵合金FeMnCrNiCo组成，涂层的厚度为0.8mm。
一种覆有涂层的热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体前处理，首先，将4Cr5MoSiV钢板切割成厚度为10mm，宽度为100mm，长度为200mm的板材。然后，用铣床对4Cr5MoSiV钢板表面进行切削，去掉氧化层，直至裸露出金属光泽。接着，对4Cr5MoSiV钢进行脱脂清洗，脱脂剂主要成分为氢氧化钾，并使用有机络合剂作为清洗助剂，清洗时温度控制在25℃左右，清洗完毕后用清水冲洗最后用酒精擦拭钢板表面并烘干，备用。
(2)准备原料，称取5份TiC、19份Fe粉、19份Mn粉、19份Cr粉、19份Ni粉、19份Co粉，粉末的纯度在99.9％以上，颗粒度在80-300目之间；将TiC粉和各金属粉末，依次装入混粉机中混粉以保证粉末混合均匀，得混合粉末。
(3)将步骤(2)中制得的混合粉末采用激光焊接设备于4Cr5MoSiV钢板上进行熔覆操作，所用的保护气为氩气，即制得覆有涂层的热作模具钢。具体工艺参数为：激光功率：1700W；速度：6mm/s；激光斑点直径：3mm；保护气体：氩气；气流量：25L/min。
经测试，相对于未加涂层的4Cr5MoSiV钢，本实施例制得的热作模具钢，在相同工作条件下，高温磨损失重量降低了30％，高温氧化增重量降低了20％。
实施例2
一种覆有涂层的热作模具钢，包括4Cr5MoSiV钢板和设置于4Cr5MoSiV钢板上的涂层；涂层由5份TiC和95份高熵合金FeMnCrNiCo组成，涂层的厚度为1.0mm。
一种覆有涂层的热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体前处理，首先，将4Cr5MoSiV钢板切割成厚度为10mm，宽度为100mm，长度为200mm的板材。然后，用铣床对4Cr5MoSiV钢板表面进行切削，去掉氧化层，直至裸露出金属光泽。接着，对4Cr5MoSiV钢进行脱脂清洗，脱脂剂主要成分为氢氧化钾，并使用有机络合剂作为清洗助剂，清洗时温度控制在25℃左右，清洗完毕后用清水冲洗最后用酒精擦拭钢板表面并烘干，备用。
(2)准备原料，称取5份TiC、19份Fe粉、19份Mn粉、19份Cr粉、19份Ni粉、19份Co粉，粉末的纯度在99.9％以上，颗粒度在80-300目之间；将TiC粉和各金属粉末，依次装入混粉机中混粉以保证粉末混合均匀，得混合粉末。
(3)将步骤(2)中制得的混合粉末采用激光焊接设备于4Cr5MoSiV钢板上进行熔覆操作，所用的保护气为氩气，即制得覆有涂层的热作模具钢。具体工艺参数为：激光功率：1700W；速度：6mm/s；激光斑点直径：3mm；保护气体：氩气；气流量：25L/min。
经测试，相对于未加涂层的4Cr5MoSiV钢，本实施例制得的覆有涂层的热作模具钢，在相同工作条件下，高温磨损失重量降低了35％，高温氧化增重量降低了25％。
实施例3
一种覆有涂层的热作模具钢，包括4Cr5MoSiV钢板和设置于4Cr5MoSiV钢板上的涂层；涂层由5份TiC和95份高熵合金FeMnCrNiCo组成，涂层的厚度为1.2mm。
一种覆有涂层的热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体前处理，首先，将4Cr5MoSiV钢板切割成厚度为10mm，宽度为100mm，长度为200mm的板材。然后，用铣床对4Cr5MoSiV钢板表面进行切削，去掉氧化层，直至裸露出金属光泽。接着，对4Cr5MoSiV钢进行脱脂清洗，脱脂剂主要成分为氢氧化钾，并使用有机络合剂作为清洗助剂，清洗时温度控制在25℃左右，清洗完毕后用清水冲洗最后用酒精擦拭钢板表面并烘干，备用。
(2)准备原料，称取5份TiC、19份Fe粉、19份Mn粉、19份Cr粉、19份Ni粉、19份Co粉，粉末的纯度在99.9％以上，颗粒度在80-300目之间；将TiC粉和各金属粉末，依次装入混粉机中混粉以保证粉末混合均匀，得混合粉末。
(3)将步骤(2)中制得的混合粉末采用激光焊接设备于4Cr5MoSiV钢板上进行熔覆操作，所用的保护气为氩气，即制得覆有涂层的热作模具钢。具体工艺参数为：激光功率：1700W；速度：6mm/s；激光斑点直径：3mm；保护气体：氩气；气流量：25L/min。
经测试，相对于未加涂层的4Cr5MoSiV钢，本实施例制得的热作模具钢，在相同工作条件下，高温磨损失重量降低了32％，高温氧化增重量降低了25％。
实施例4
一种覆有涂层的热作模具钢，包括4Cr5MoSiV钢板和设置于4Cr5MoSiV钢板上的涂层；涂层由5份TiC和95份高熵合金FeMnCrNiCo组成，涂层的厚度为1.5mm。
一种覆有涂层的热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体前处理，首先，将4Cr5MoSiV钢板切割成厚度为10mm，宽度为100mm，长度为200mm的板材。然后，用铣床对4Cr5MoSiV钢板表面进行切削，去掉氧化层，直至裸露出金属光泽。接着，对4Cr5MoSiV钢进行脱脂清洗，脱脂剂主要成分为氢氧化钾，并使用有机络合剂作为清洗助剂，清洗时温度控制在25℃左右，清洗完毕后用清水冲洗最后用酒精擦拭钢板表面并烘干，备用。
(2)准备原料，称取5份TiC、19份Fe粉、19份Mn粉、19份Cr粉、19份Ni粉、19份Co粉，粉末的纯度在99.9％以上，颗粒度在80-300目之间；将TiC粉和各金属粉末，依次装入混粉机中混粉以保证粉末混合均匀，得混合粉末。
(3)将步骤(2)中制得的混合粉末采用激光焊接设备于4Cr5MoSiV钢板上进行熔覆操作，所用的保护气为氩气，即制得覆有涂层的热作模具钢。具体工艺参数为：激光功率：1700W；速度：6mm/s；激光斑点直径：3mm；保护气体：氩气；气流量：25L/min。
经测试，相对于未加涂层的4Cr5MoSiV钢，本实施例制得的热作模具钢，在相同工作条件下，高温磨损失重量降低了25％，高温氧化增重量降低了15％。
随着涂层厚度从0.8mm到1.2mm增加，其性能出现先增强后减弱的趋势，当厚度为1.5mm时，出现下降的趋势，因此并非涂层厚度越大，制得的热作模具钢在高温工作环境中，高温磨损失重量降低越多，高温氧化增重量越少，涂层覆于基体表面可以隔绝氧气，以及外界高温下的磨损，当涂层厚度为0.6-1.2mm时，涂层形成致密的保护层作用于基体，隔绝氧气，有效较少高温氧化；而当涂层大于1.2mm时，不再增加隔绝氧气的效果，同时因为涂层厚度的增加，不利于基体内部的散热，高温对热作模具钢的影响大。因此当涂层厚度为0.6-1.2mm时，热作模具钢具有较好效果，既能节省涂层材料，又能获得显著效果。
实施例5
一种覆有涂层的热作模具钢，包括4Cr5MoSiV钢板和设置于4Cr5MoSiV钢板上的涂层；涂层由3份TiC和95份高熵合金FeMnCrNiCo组成，涂层的厚度为1.0mm。
一种覆有涂层的热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体前处理，首先，将4Cr5MoSiV钢板切割成厚度为10mm，宽度为100mm，长度为200mm的板材。然后，用铣床对4Cr5MoSiV钢板表面进行切削，去掉氧化层，直至裸露出金属光泽。接着，对4Cr5MoSiV钢进行脱脂清洗，脱脂剂主要成分为氢氧化钾，并使用有机络合剂作为清洗助剂，清洗时温度控制在25℃左右，清洗完毕后用清水冲洗最后用酒精擦拭钢板表面并烘干，备用。
(2)准备原料，称取3份TiC、19份Fe粉、19份Mn粉、19份Cr粉、19份Ni粉、19份Co粉，粉末的纯度在99.9％以上，颗粒度在80-300目之间；将TiC粉和各金属粉末，依次装入混粉机中混粉以保证粉末混合均匀，得混合粉末。
(3)将步骤(2)中制得的混合粉末采用激光焊接设备于4Cr5MoSiV钢板上进行熔覆操作，所用的保护气为氩气，即制得覆有涂层的热作模具钢。具体工艺参数为：激光功率：1700W；速度：6mm/s；激光斑点直径：3mm；保护气体：氩气；气流量：25L/min。
经测试，相对于未加涂层的4Cr5MoSiV钢，本实施例制得的热作模具钢，在相同工作条件下，高温磨损失重量降低了15％，高温氧化增重量降低了15％。
实施例6
一种覆有涂层的热作模具钢，包括4Cr5MoSiV钢板和设置于4Cr5MoSiV钢板上的涂层；涂层由25份TiC和95份高熵合金FeMnCrNiCo组成，涂层的厚度为1.0mm。
一种覆有涂层的热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体前处理，首先，将4Cr5MoSiV钢板切割成厚度为10mm，宽度为100mm，长度为200mm的板材。然后，用铣床对4Cr5MoSiV钢板表面进行切削，去掉氧化层，直至裸露出金属光泽。接着，对4Cr5MoSiV钢进行脱脂清洗，脱脂剂主要成分为氢氧化钾，并使用有机络合剂作为清洗助剂，清洗时温度控制在25℃左右，清洗完毕后用清水冲洗最后用酒精擦拭钢板表面并烘干，备用。
(2)准备原料，称取25份TiC、19份Fe粉、19份Mn粉、19份Cr粉、19份Ni粉、19份Co粉，粉末的纯度在99.9％以上，颗粒度在80-300目之间；将TiC粉和各金属粉末，依次装入混粉机中混粉以保证粉末混合均匀，得混合粉末。
(3)将步骤(2)中制得的混合粉末采用激光焊接设备于4Cr5MoSiV钢板上进行熔覆操作，所用的保护气为氩气，即制得覆有涂层的热作模具钢。具体工艺参数为：激光功率：1700W；速度：6mm/s；激光斑点直径：3mm；保护气体：氩气；气流量：25L/min。
经测试，相对于未加涂层的4Cr5MoSiV钢，本实施例制得的热作模具钢，在相同工作条件下，高温磨损失重量降低了25％，高温氧化增重量降低了15％。
实施例7
一种覆有涂层的热作模具钢，包括4CrW2Si钢板和设置于4CrW2Si钢板上的涂层；涂层由10份TiC和95份高熵合金FeMnCrNiCo组成，涂层的厚度为1.0mm。
一种覆有涂层的热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体前处理，首先，将4CrW2Si钢板切割成厚度为10mm，宽度为100mm，长度为200mm的板材。然后，用铣床对4CrW2Si钢板表面进行切削，去掉氧化层，直至裸露出金属光泽。接着，对4CrW2Si钢进行脱脂清洗，脱脂剂主要成分为氢氧化钾，并使用有机络合剂作为清洗助剂，清洗时温度控制在25℃左右，清洗完毕后用清水冲洗最后用酒精擦拭钢板表面并烘干，备用。
(2)准备原料，称取10份TiC粉、19份Fe粉、19份Mn粉、19份Cr粉、19份Ni粉、19份Co粉，粉末的纯度在99.9％以上，颗粒度在80-300目之间；将TiC粉和各金属粉末，依次装入混粉机中混粉以保证粉末混合均匀，得混合粉末。
(3)将步骤(2)中制得的混合粉末采用激光焊接设备于4CrW2Si钢板上进行熔覆操作，所用的保护气为氩气，即制得覆有涂层的热作模具钢。具体工艺参数为：激光功率：1700W；速度：6mm/s；激光斑点直径：3mm；保护气体：氩气；气流量：25L/min。
经测试，相对于未加涂层的4CrW2Si钢，本实施例制得的热作模具钢，在相同工作条件下，高温磨损失重量降低了15％，高温氧化增重量降低了10％。
实施例8
一种覆有涂层的热作模具钢，包括4Cr5MoSiV钢板和设置于5CrNiMo钢板上的涂层；涂层由7份TiC和100份高熵合金FeMnCrNiCo组成，涂层的厚度为1.0mm。
一种覆有涂层的热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体前处理，首先，将5CrNiMo钢板切割成厚度为10mm，宽度为100mm，长度为200mm的板材。然后，用铣床对5CrNiMo钢板表面进行切削，去掉氧化层，直至裸露出金属光泽。接着，对5CrNiMo钢进行脱脂清洗，脱脂剂主要成分为氢氧化钾，并使用有机络合剂作为清洗助剂，清洗时温度控制在25℃左右，清洗完毕后用清水冲洗最后用酒精擦拭钢板表面并烘干，备用。
(2)准备原料，称取7份TiC粉、20份Fe粉、20份Mn粉、20份Cr粉、20份Ni粉、20份Co粉，粉末的纯度在99.9％以上，颗粒度在80-300目之间；将TiC粉和各金属粉末，依次装入混粉机中混粉以保证粉末混合均匀，得混合粉末。
(3)将步骤(2)中制得的混合粉末采用激光焊接设备于5CrNiMo钢板上进行熔覆操作，所用的保护气为氩气，即制得覆有涂层的热作模具钢。具体工艺参数为：激光功率：1700W；速度：6mm/s；激光斑点直径：3mm；保护气体：氩气；气流量：25L/min。
经测试，相对于未加涂层的5CrNiMo钢，本实施例制得的热作模具钢，在相同工作条件下，高温磨损失重量降低了20％，高温氧化增重量降低了15％。
对比例1
对比例1与实施例2的区别在于，将实施例2中5份TiC换为5份高熵合金FeMnCrNiCo，包括1份Fe、1份Mn、1份Cr、1份Ni、1份Co，其余原料与制备方法同实施例2。
经测试，相对于未加涂层的4Cr5MoSiV钢，对比例1制得的热作模具钢，在相同工作条件下，高温磨损失重量降低了5％，高温氧化增重量降低了5％。

Claims (10)

1.一种覆有涂层的热作模具钢，其特征在于，包括热作模具钢基体和设置于所述热作模具钢基体上的涂层；所述涂层主要由TiC和高熵合金组成。
2.根据权利要求1所述的热作模具钢，其特征在于，所述高熵合金为高熵合金FeMnCrNiCo。
3.根据权利要求2所述的热作模具钢，其特征在于，所述高熵合金FeMnCrNiCo中各金属的质量比为Fe：Mn：Cr：Ni：Co＝1：1：1：1：1。
4.根据权利要求2所述的热作模具钢，其特征在于，所述涂层，按重量份计，由5-20份TiC和80-100份高熵合金FeMnCrNiCo组成。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的热作模具钢，其特征在于，所述涂层的厚度为0.6-1.2mm。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的热作模具钢，其特征在于，所述热作模具钢基体包括4CrW2Si、3Cr2W8V、4Cr5MoSiV、5CrNiMo、5CrMnMo、5CrNiW、5CrNiTi或5CrMnMoSiV中的一种。
7.根据权利要求6所述的热作模具钢，其特征在于，所述热作模具钢基体为4Cr5MoSiV。
8.一种覆有涂层的热作模具钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对热作模具钢基体进行表面清洗和除氧化物；
(2)称取TiC和高熵合金所需Fe粉、Mn粉、Cr粉、Ni粉、Co粉，混粉，得混合粉体；
(3)在惰性气体下，将步骤(2)制得的混合粉体熔覆在热作模具钢基体上形成涂层，制得权利要求1-7中任一项所述的覆有涂层的热作模具钢。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述熔覆为激光熔覆，在所述激光熔覆中：激光功率：1500-2000W；速度：5-10mm/s；激光斑点直径：2-4mm。
10.权利要求1-7中任一项所述的热作模具钢在模具领域的应用。
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