CN114774912A - 一种激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：使用砂纸对基体表面进行打磨去除表面杂质及氧化皮，并用无水乙醇清洗吹干；激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的合金粉末包括不锈钢合金粉末64％～76％、纯钛粉末:8％～12％、石墨粉末:12％～18％、六方氮化硼粉末:4％～6％；将各个组分放入行星式球磨机中进行球磨并干燥，得到复合粉末，然后将制得的混合粉末置于烘箱中烘干，采用激光熔覆技术将复合粉末熔覆锻造模具H13钢表面，得到原位生成自润滑陶瓷高温固体耐磨涂层。本发明在提升模具表面耐磨性、耐蚀性的同时，也提高了模具表面的自润滑性，使得模具表面具有良好的脱模性能。
Description
技术领域
本发明属于锻造模具表面保护处理技术领域，具体涉及一种激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的制备方法。
背景技术
锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、形状和尺寸锻件的加工方法。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。模具是锻造过程中的重要基础装备，随着工业的发展，高效率的模具成型技术逐渐代替原先的切削为主的加工工艺。模具性能的好坏，寿命高低，直接影响产品的质量和经济效益，而模具材料表面处理是影响模具寿命诸因素中的主要因素，因而为了提高模具的使用寿命，降低成本，增加效益，这就要求模具材料表面的硬度与耐磨性强。
传统模具表面磨损严重，造成模具表面损坏，模具表面自润滑性不佳、耐磨性不高。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的制备方法，利用激光熔覆方法在模具表面进行表面改性，在基体表面制备涂层，涂层与基体之间结合良好，达到冶金结合，更好的保护模具的表面，在提升模具表面耐磨性、耐蚀性的同时，也提高了模具表面的自润滑性，使得模具表面具有良好的脱模性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：锻造模具H13钢基体表面材料预处理：
使用砂纸对基体表面进行打磨去除表面杂质及氧化皮，并用无水乙醇清洗吹干；
步骤2：制备激光熔覆原料合金粉末：
由以下质量百分比的组分组成：不锈钢合金粉末64％～76％、纯钛粉末:8％～12％、石墨粉末:12％～18％、六方氮化硼(h-BN)粉末:4％～6％；
步骤3：混粉、球磨干燥：
将步骤2准备好的各个组分放入行星式球磨机中进行球磨并干燥，所述球磨时间2-4h得到复合粉末，然后将制得的混合粉末置于烘箱中烘干，温度为90℃，烘干时间为2h；
步骤4：激光熔覆工艺：
采用激光熔覆技术将步骤3得到的复合粉末熔覆在步骤1处理后的锻造模具H13钢表面，得到原位生成自润滑陶瓷高温固体耐磨涂层。
所述步骤1中锻造模具H13钢材料化学成分：C：0.37～0.42；Si：0.80～1.20；Mn：0.20～0.50；Cr：4.75～5.50；Mo：1.10～1.75；V：0.80～1.20；P：≤0.03；S：≤0.03；其余为Fe。
所述步骤1中基体采用线切割制成200mm×100mm×15mm的试样。
所述步骤2中，激光熔覆原料合金粉末质量百分比：不锈钢合金粉末64％～76％、纯钛粉末:8％～12％，粒径为50～150μm；墨粉末:12％～18％、六方氮化硼(h-BN)粉末:4％～6％，粒径为2-8μm。
所述步骤4具体为：激光熔覆采用半导体光纤耦合激光器，波长1080nm，激光光斑15mm×2mm的矩形光斑，透镜焦距为194mm，送粉系统则双筒送粉器、送粉管和送粉头组成，熔覆实验的送粉方式采用旁轴送粉，送粉气体为氮气，激光熔覆工艺参数包括：熔覆用激光功率为2500～3000W，采用0.4～0.5的搭接率，离焦量15mm，扫描速度为6-8mm/s。
所述步骤3中球磨条件为：球磨转速为300-500r/min，球料比为2～4:1。
本发明的有益效果：
1.本发明通过对传统锻造模具钢表面强化改性，用激光熔覆的方法，在锻造模具钢表面原位生成自润滑陶瓷高温耐磨的熔覆层。本发明通过在不锈钢粉末中添加固体润滑剂石墨和六方氮化硼在易磨损的模具表面分散开来形成良好的润滑转移膜，使得复合涂层具有综合的减磨耐磨以及耐高温性能。
2.本发明通过激光熔覆技术，利用激光束的高温辐射作用下原位生成自润滑相自润滑陶瓷相TiC、TiN、Cr3C2，利用陶瓷相和固体润滑剂的协同作用，解决锻造过程中模具表面的磨损腐蚀失效问题，在实际锻造过程中石墨和六方氮化硼两种不同的固体润滑剂服役的温度不同，通过添加可以使得模具材料表面能承载更宽的温度范围。本发明具有生产设备及工艺简单、操作方便、易于实现自动化、无污染等优点，工件形状尺寸不受限制，因此可用于加工复杂表面或者表面修复。
附图说明：
图1为本发明涂层与基体的摩擦系数示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明一种激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层，激光熔覆原料粉末由以下质量百分比组成：不锈钢合金粉末64％～76％、纯钛粉末:8％～12％、石墨粉末:12％～18％、六方氮化硼(h-BN)粉末:4％～6％。
激光熔覆原料粉末：不锈钢合金粉末64％～76％、纯钛粉末:8％～12％，粒径为50～150μm；石墨粉末:12％～18％、六方氮化硼(h-BN)粉末:4％～6％，粒径为2-8μm。
混粉、球磨干燥：将准备好的各个组分放入行星式球磨机中进行球磨并干燥，所述球磨时间2-4h得到复合粉末，球磨转速为300-500r/min，球料比为2～4:1，然后将制得的混合粉末置于烘箱中烘干，温度为80～100℃，烘干时间为1～3h。
所述球磨机型号为QM-3PS2。
激光熔覆工艺：激光熔覆采用半导体光纤耦合激光器，波长1080nm，激光光斑15mm×2mm的矩形光斑，透镜焦距为194mm。送粉系统则由双筒送粉器、送粉管和送粉头组成。熔覆实验的送分方式采用旁轴送粉，送粉气体为氮气。激光熔覆工艺参数包括：熔覆用激光功率为2500～3000W，采用0.4～0.5的搭接率，离焦量15mm，扫描速度为6-8mm/s。
锻造模具H13钢基体，尺寸大小为200mm×100mm×15mm。
实施例1
(1)锻造模具H13钢基体材料的表面预处理如下：预处理包括基体表面打磨，表面除油除锈，所述表面打磨采用刚玉水砂纸打磨，所述表面打磨除锈后采用无水乙醇进行表面清洗和擦拭，然后吹干备用。
所述锻造模具H13钢，由以下组分和重量百分比含量的原料组成：C：0.37～0.42；Si：0.80～1.20；Mn：0.20～0.50；Cr：4.75～5.50；Mo：1.10～1.75；V：0.80～1.20；P：≤0.03；S：≤0.03；其余为Fe；
(2)混粉、球磨干燥：将准备好的各个组分放入行星式球磨机中进行球磨并干燥，所述球磨时间2h得到复合粉末，球磨转速为300r/min，球料比为2:1，然后将制得的混合粉末置于烘箱中烘干，温度为80℃，烘干时间为1h。
(3)用于激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的合金粉末，由以下质量百分比的组分组成：不锈钢粉末76％、纯钛粉末:8％、石墨粉末:12％、六方氮化硼(h-BN)粉末:4％。
(4)激光熔覆工艺:激光熔覆采用半导体光纤耦合激光器，波长1080nm，激光光斑15mm×2mm的矩形光斑，透镜焦距为194mm。送粉系统则由双筒送粉器、送粉管和送粉头组成。熔覆实验的送分方式采用旁轴送粉，送粉气体为氮气。激光熔覆工艺参数包括：熔覆用激光功率为2500W，采用0.4的搭接率，离焦量15mm，扫描速度为6mm/s。
所述的步骤(4)中激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层包含TiC/TiN/Cr3C2高温耐磨复合涂层和C/h-BN高温自润滑耐磨复合涂层。
实施例2
(1)锻造模具H13钢基体材料的表面预处理如下：预处理包括基体表面打磨，表面除油除锈，所述表面打磨采用刚玉水砂纸打磨，所述表面打磨除锈后采用无水乙醇进行表面清洗和擦拭，然后吹干备用。
所述锻造模具H13钢，由以下组分和重量百分比含量的原料组成：C：0.37～0.42；Si：0.80～1.20；Mn：0.20～0.50；Cr：4.75～5.50；Mo：1.10～1.75；V：0.80～1.20；P：≤0.03；S：≤0.03；其余为Fe；
(2)混粉、球磨干燥：将准备好的各个组分放入行星式球磨机中进行球磨并干燥，所述球磨时间4h得到复合粉末，球磨转速为500r/min，球料比为4:1，然后将制得的混合粉末置于烘箱中烘干，温度为100℃，烘干时间为3h。
(3)用于激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的合金粉末，由以下质量百分比的组分组成：不锈钢粉末64％、纯钛粉末:12％、石墨粉末:18％、六方氮化硼(h-BN)粉末:6％。
(4)激光熔覆工艺:激光熔覆采用半导体光纤耦合激光器，波长1080nm，激光光斑15mm×2mm的矩形光斑，透镜焦距为194mm。送粉系统则由双筒送粉器、送粉管和送粉头组成。熔覆实验的送分方式采用旁轴送粉，送粉气体为氮气。激光熔覆工艺参数包括：熔覆用激光功率为3000W，采用0.5的搭接率，离焦量15mm，扫描速度为8mm/s。
所述的步骤(4)中激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层包含TiC/TiN/Cr3C2高温耐磨复合涂层和C/h-BN高温自润滑耐磨复合涂层。
实施例3
(1)锻造模具H13钢基体材料的表面预处理如下：预处理包括基体表面打磨，表面除油除锈，所述表面打磨采用刚玉水砂纸打磨，所述表面打磨除锈后采用无水乙醇进行表面清洗和擦拭，然后吹干备用。
所述锻造模具H13钢，由以下组分和重量百分比含量的原料组成：C：0.37～0.42；Si：0.80～1.20；Mn：0.20～0.50；Cr：4.75～5.50；Mo：1.10～1.75；V：0.80～1.20；P：≤0.03；S：≤0.03；其余为Fe；
(2)混粉、球磨干燥：将准备好的各个组分放入行星式球磨机中进行球磨并干燥，所述球磨时间3h得到复合粉末，球磨转速为400r/min，球料比为3:1，然后将制得的混合粉末置于烘箱中烘干，温度为90℃，烘干时间为2h。
(3)用于激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的合金粉末，由以下质量百分比的组分组成：不锈钢粉末70％、纯钛粉末:10％、石墨粉末:15％、六方氮化硼(h-BN)粉末:5％。
(4)激光熔覆工艺:激光熔覆采用半导体光纤耦合激光器，波长1080nm，激光光斑15mm×2mm的矩形光斑，透镜焦距为194mm。送粉系统则由双筒送粉器、送粉管和送粉头组成。熔覆实验的送分方式采用旁轴送粉，送粉气体为氮气。激光熔覆工艺参数包括：熔覆用激光功率为2750W，采用0.45的搭接率，离焦量15mm，扫描速度为7mm/s。
所述的步骤(4)中激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层包含TiC/TiN/Cr3C2高温耐磨复合涂层和C/h-BN高温自润滑耐磨复合涂层。
激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层包含TiC/TiN/Cr3C2高温耐磨复合涂层和C/h-BN高温自润滑耐磨复合涂层，这是由于激光熔覆过程中h-BN部分分解成B和N，其中N与Ti元素反应生成TiN，C与不锈钢粉末中的Cr元素反应生成Cr3C2，且C与Ti结合生成TiC，且由于石墨与六方氮化硼的残留，在激光熔覆涂层中起到自润滑作用能显著降低摩擦系数和磨损率。激光熔覆涂层的显微硬度在1200-1450HV0.2之间，显微硬度是模具钢基体的6倍多(220HV0.2)，涂层与基体的摩擦系数见附图1。
Claims (6)
1.一种激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：锻造模具H13钢基体表面材料预处理：
使用砂纸对基体表面进行打磨去除表面杂质及氧化皮，并用无水乙醇清洗吹干；
步骤2：制备激光熔覆原料合金粉末：
由以下质量百分比的组分组成：不锈钢合金粉末64％～76％、纯钛粉末:8％～12％、石墨粉末:12％～18％、六方氮化硼(h-BN)粉末:4％～6％；
步骤3：混粉、球磨干燥：
将步骤2准备好的各个组分放入行星式球磨机中进行球磨并干燥，所述球磨时间2-4h得到复合粉末，然后将制得的混合粉末置于烘箱中烘干，温度为90℃，烘干时间为2h；
步骤4：激光熔覆工艺：
采用激光熔覆技术将步骤3得到的复合粉末熔覆在步骤1处理后的锻造模具H13钢表面，得到原位生成自润滑陶瓷高温固体耐磨涂层。
2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤1中锻造模具H13钢材料化学成分：C：0.37～0.42；Si：0.80～1.20；Mn：0.20～0.50；Cr：4.75～5.50；Mo：1.10～1.75；V：0.80～1.20；P：≤0.03；S：≤0.03；其余为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤1中基体采用线切割制成200mm×100mm×15mm的试样。
4.根据权利要求1所述的一种激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，激光熔覆原料合金粉末质量百分比：不锈钢合金粉末64％～76％、纯钛粉末:8％～12％，粒径为50～150μm；墨粉末:12％～18％、六方氮化硼(h-BN)粉末:4％～6％，粒径为2-8μm。
5.根据权利要求1所述的一种激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤4具体为：激光熔覆采用半导体光纤耦合激光器，波长1080nm，激光光斑15mm×2mm的矩形光斑，透镜焦距为194mm，送粉系统则双筒送粉器、送粉管和送粉头组成，熔覆实验的送粉方式采用旁轴送粉，送粉气体为氮气，激光熔覆工艺参数包括：熔覆用激光功率为2500～3000W，采用0.4～0.5的搭接率，离焦量15mm，扫描速度为6-8mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种激光熔覆原位生成自润滑陶瓷高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤3中球磨条件为：球磨转速为300-500r/min，球料比为2～4:1。
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