[发明专利]一种用于热作模具钢表面强化的耐磨金属陶瓷涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属陶瓷涂层及其制备方法，更具体地说，涉及用于热作模具钢表面强化的金属陶瓷涂层及其制备方法。

背景技术

钢铁工业的快速发展对钢铁材料性能的要求越来越高，传统的钢材由于其硬度、耐磨性、耐热冲击等性能比较差，已经不能满足工业产品的需求，而金属陶瓷因具有优良的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能，已经逐渐得到了重视。

热作模具钢在工作时与热态金属相接触，型腔表面温度高达400～600℃，这样高的温度会使模腔表面硬度和强度显著降低。而且金属在巨大的压应力、张应力、弯曲应力和冲击载荷的作用下，与型腔相对运动，会对模具产生强烈的磨损。模具工作过程中反复受到冷却介质冷却和热态金属加热的交替作用，热磨损和热疲劳是模具主要的失效形式，这就要求模具钢表面具有高硬度、良好的耐磨性、尺寸稳定性、红硬性、抗热疲劳性和综合力学性能。鉴于热作模具的失效大都由表面开始，从节省能源和资源，充分发挥材料性能潜力并获得特殊性能和最大经济效益出发，对模具钢模具进行表面改性处理，是综合改善芯棒工作寿命的关键。涂层技术作为材料表面技术的重要手段，旨在用极少量的材料起大量、昂贵的整体材料所起到的作用，同时极大地降低产品的成本，从而达到提高产品质量、延长使用寿命、节约资源和能源的目的。因此，选择适当的工艺方法在钢材的工作表面制备一定厚度的耐磨、抗热疲劳性能好的金属陶瓷涂层，是当前亟待解决的课题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对热作模具钢在工作过程中的失效形式，提供一种在模具钢表面制备三元硼化物金属陶瓷涂层及其工艺。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

针对热作模具钢在工作过程中的失效形式，通过反复研究改进，提供一种在模具钢表面制备三元硼化物金属陶瓷涂层，采用等离子喷涂工艺。该等离子喷涂工艺采用等离子喷涂设备和同步自动送粉装置，由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将配制的粉末材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面，等离子电弧移开后，在模具钢表面形成附着牢固的涂层(例如可达1～2mm厚)，经过后期热处理，使得涂层具有更好的耐磨性、抗热疲劳性能，最终使工件使用寿命提高1倍或数倍以上，具体来说，可按下述步骤进行：

首先(即步骤1)对模具钢基体进行预热处理，为了保证钢基体所需要的硬度，防止在加工过程中产生变形，对基体进行淬火和回火的预热处理，可根据不同模具钢的性能选择与之相适应的预热处理工艺。

其次(即步骤2)对工作层表面进行清理和机械加工，可选用溶剂清除钢基体表面的油污(例如乙醇、丙酮等)，再对钢基体的工作层采用打磨或喷砂处理。

步骤3、进行等离子喷涂加工，采用的喷涂粉末的其化学成份按质量百分比为：FeB：10-12％、Mo：16-18％、Ni：0.5-1％、Cr：0.5-1％、C：0.2-0.5％、余量为Fe粉；优选为FeB：10-12％、Mo：16-18％、Ni：0.5-0.8％、Cr：0.8-1％、C：0.2-0.5％、余量为Fe粉；同时调整自动送粉装置的送粉速率满足涂层需要。

最后(步骤4)进行后续热处理，对等离子喷涂后的制件进行真空烧结处理，以减少等离子喷涂后涂层及基体组织转变后残余应力，温度为1100-1200℃，去应力退火时间为30min～60min；优选为1140-1200℃，去应力退火时间为30min～40min；更加优选1150-1200℃，去应力退火时间为30min～40min。

等离子喷涂加工及自动送粉装置的工艺参数如表1：

表1等离子喷涂加工及自动送粉装置的工艺参数