CN116103598B - 一种转向节用模具钢耐热耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种转向节用模具钢耐热耐磨涂层及其制备方法，所述的耐热耐磨涂层由5CrNiMo模具钢基体向外依次为第一喷涂层、第二喷涂层，所述第一涂层为Cr3C2与NiCr的复合喷涂层，所述第二涂层为Cr2O3与Nano‑TiO2的复合喷涂层；其制备方法步骤如下：涂层成分配比、模具钢表面喷砂处理、第一喷涂层混料、第一喷涂层加料、第一喷涂层喷涂处理、第二喷涂层混料、第二喷涂层加料、第二喷涂层喷涂处理。本发明耐热耐磨涂层由表层至内部成分梯度性变化，磨损过程中自润滑，良好的抗疲劳性，可显著改善模具材料的耐热性，实现工业生产上对热作模具钢材料的性能要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种模具钢涂层及其制备方法，尤其涉及一种转向节用模具钢新型耐热耐磨涂层及其制备方法，属于金属表面处理工程技术领域。
背景技术
随着我国汽车行业的迅猛发展，对于重卡、中卡、轻卡等全系列商用车的需求迅猛增加，从而对模具的需求增加，对热作模具的性能要求越来越高。模具的使用性能和寿命直接影响着汽车零部件的质量、加工成本和效率。同时经济全球化竞争日益激烈，降低模具维修及使用成本对于汽车等行业的发展迫在眉睫。
5CrNiMo钢具有冲击韧性好、淬透性好、制造成本低等优点，广泛用于制造各种大中型锻锤模以及切边模。由于该模具钢在工作环境中会承受巨大的冲击负荷，被反复加热和冷却过程中会引起不均匀的热应力和热应变，同时承受流动炽热金属与型腔表面的摩擦，因此其使用寿命较短，经常产生崩裂、塌陷、磨损、热疲劳等失效现象。此外，该类热作模具钢碳含量高、合金含量较低，高温热稳定性较差、热疲劳性能差，当使用温度超过600℃时模具钢热稳硬度下降、容易出现热疲劳裂纹，严重影响了其应用范围及使用寿命。因此，在保证该系列热作模具钢良好冲击韧性的前提下，提高材料热强性，改善其耐热性，可显著提高生产效率，降低生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转向节用模具钢新型耐热耐磨涂层及其制备方法，通过采用涂层成分设计、等离子喷涂等工艺，实现涂层成分梯度化、优良耐热耐磨涂层制备，效改善模具钢由于材料韧性不足以及锻模型腔表面的耐磨性偏低引起的表面崩裂和型腔磨损现象，提高其耐热耐磨性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种转向节用模具钢耐热耐磨涂层及其制备方法，所述的耐热耐磨涂层由5CrNiMo模具钢基体向外依次为第一喷涂层、第二喷涂层，所述第一涂层为Cr3C2与NiCr的复合喷涂层，所述第二涂层为Cr2O3与Nano-TiO2的复合喷涂层；其制备方法步骤如下：
(1)涂层成分配比：以Cr3C2、NiCr、Cr2O3、Nano-TiO2颗粒为原料，按照比例称量各组分；
(2)模具钢表面喷砂处理：对5CrNiMo热作模具钢表面进行清洗打磨，然后进行喷砂处理，为下一步喷涂工艺做准备；
(3)第一喷涂层混料：将称量的Cr3C2与NiCr粉末放入到无水乙醇中并搅拌均匀，经超声振荡处理5～10min后，在真空炉中60-80℃保温1-2h，得到均匀混合的Cr3C2-NiCr粉末颗粒；
(4)第一喷涂层加料：将混合处理后的Cr3C2-NiCr粉末颗粒加入到等离子喷涂设备中，准备喷涂加工；
(5)第一喷涂层喷涂处理：采用等离子喷涂技术在5CrNiMo热作模具钢表面喷涂第一喷涂层，即Cr3C2-NiCr的复合涂层；喷涂电流为515A，喷涂电压55V，氩气流量为40L/min，氢气流量为3～6L/min，送粉率40g/min，喷涂距离：120～150m，喷枪平移速率为200mm/s，重复喷涂4次；
(6)第二喷涂层混料：将称量的Cr2O3与Nano-TiO2粉末放入到无水乙醇并搅拌均匀，经超声振荡处理5～10min后，在真空炉中60-80℃保温1-2h，得到均匀混合的Cr2O3和Nano-TiO2粉末颗粒；
(7)第二喷涂层加料：将混合处理后Cr2O3和Nano-TiO2粉末颗粒加入到等离子喷涂设备中，准备喷涂加工；
(8)第二喷涂层喷涂处理：采用等离子喷涂技术在5CrNiMo热作模具钢第一喷涂层Cr3C2-NiCr涂层的表面进一步喷射第二喷涂层，即Cr2O3与Nano-TiO2的复合涂层；喷涂处理的工艺参数与步骤(5)相同。
所述Cr3C2、NiCr、Cr2O3和Nano-TiO2的粒度为40～60μm的颗粒。
所述Cr3C2、NiCr、Cr2O3、Nano-TiO2的颗粒纯度不小于99.9％。
所述第一喷涂层中Cr3C2与NiCr的质量分数比为4:1。
所述第二喷涂层中Cr2O3与Nano-TiO2的质量分数比为2～4:1，优选4:1。
所述喷砂处理的工艺为：射吸式喷砂，70～80目棕刚玉砂，喷砂角度60°，喷枪/工件相对移动速度40m/min，空气压力0.5MPa，喷砂距离300mm。
所述第一喷涂层及第二喷涂层的厚度均为150-200μm。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用具有高硬度、耐磨性、耐热性和组织稳定性的Cr3C2、NiCr复合成分，实现涂层的高耐磨性；采用控制等离子喷涂参数使Cr3C2-NiCr颗粒仅表面局部融化，而5CrNiMo合金全部融化，实现涂层层间结合良好，组织致密性的耐磨涂层制备。
(2)本发明采用高硬度、耐磨性、耐热性和组织稳定性的Cr2O3与良好的化学稳定润滑性的Cr2O3-Nano-TiO2复合成分涂层，实现涂层的自润滑性耐热功能，实现材料服役工程中实际工况下耐热性以降低磨损失效速率，提升使用寿命。
(3)本发明在Cr3C2-NiCr/5CrNiMo热作模具钢上进一步制备Cr2O3与Nano-TiO2复合成分的涂层，实现涂层的耐磨与耐热双功能性，并通过控制工艺参数，实现涂层的成分梯度变化。
本发明方法获得的涂层由表层至内部成分梯度性变化，磨损过程中自润滑，良好的抗疲劳性，可显著改善模具材料的耐热性，实现工业生产上对热作模具钢材料的性能要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例1的显微组织图(800倍)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分，而不是全部的实施例。以下对实施例的描述仅仅是说明性的，不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
转向节用模具钢耐热耐磨涂层A的制备(如图1所示)，其制备方法步骤如下：
(1)涂层成分配比：以Cr3C2、NiCr、Cr2O3、Nano-TiO2颗粒为原料，按照既定成分，称量各组分的含量；
(2)基体处理：将热作模具钢切割成既定尺寸的块体，通过丙酮与酒精的双重清洗以去除油污，清洗干净吹干后，采用200、400、600、800、1000目砂纸逐层打磨，再进行喷砂处理，采用射吸式喷砂，选择75目左右棕刚玉砂，喷砂角度为60°，喷枪/工件相对移动速度40m/min，空气压力0.5MPa，喷砂距离300mm，为下一步喷涂工艺做准备；
(3)混料：将称量的Cr3C2与NiCr粉末按4:1的比例放入到无水乙醇中并搅拌均匀，通过超声振荡处理5min后，然后在真空炉中60℃保温2h，得到均匀混合的粉末颗粒；
(4)加料：将混合好的Cr3C2-NiCr粉末加入到等离子喷涂设备中，准备喷涂加工；
(5)第一喷涂层等离子喷涂处理：采用等离子喷涂技术在5CrNiMo热作模具钢表面喷涂Cr3C2-NiCr涂层,喷涂电流为515A，喷涂电压55V，氩气流量为40L/min，氢气流量为3～6L/min，送粉率40g/min，喷涂距离：120～150m，喷枪平移速率为200mm/s，重复喷涂4次，即可获得层间结合优良且组织致密的高耐磨性涂层(第一喷涂层)。
(6)混料：将称量的Cr2O3与Nano-TiO2粉末按照4:1放入到无水乙醇中并搅拌均匀，通过超声振荡处理7min后，然后在真空炉中70℃保温1.5h，得到均匀混合的粉末颗粒，最后将均匀化混合处理后涂层粉末加入到等离子喷涂设备中，准备喷涂加工；
(7)第二喷涂层等离子喷涂处理：采用等离子喷涂技术在5CrNiMo热作模具钢Cr3C2-NiCr涂层表面进一步喷射Cr2O3与Nano-TiO2复合涂层，喷涂电流为515A，喷涂电压55V，氩气流量为40L/min，氢气流量为3～6L/min，送粉率40g/min，喷涂距离：120～150m，喷枪平移速率为200mm/s，重复喷涂4次，即可获得自润滑性的梯度耐磨成分的涂层(第二喷涂层)。
根据GB/T8642-2002《热喷涂抗拉结合强度的测定》测试上述实施例1制得的梯度性耐热耐磨涂层的结合强度为39.5MPa，并进一步对所作涂层进行摩擦磨损性能测试，采用HT-1000高温摩擦磨损试验机测试涂层的高温摩擦系数，载荷1N，摩擦半径为5mm，转速为220r/min，测试时间为30min，摩擦因数为0.4，平均磨痕宽度为365.5μm。测试结果表明，本发明的转向节用模具钢的涂层结合强度优良，在摩擦磨损过程中由于其表面涂层的耐热作用，降低了材料的摩擦磨损速度，改善了材料的耐磨性，提升了材料的使用寿命。此外，本实施例试样在400℃和550℃分别经历了均值为120和50次热震循环后，表面涂层没有剥落，圆柱主体部分完好，表明该复合涂层具备良好的抗热疲劳性能。
本实施例的800倍显微组织如图1所示。
实施例2
转向节用模具钢耐热耐磨涂层B的制备(如图1所示)，其制备方法步骤如下：
(1)涂层成分配比：以Cr3C2、NiCr、Cr2O3、Nano-TiO2颗粒为原料，按照既定成分，称量各组分的含量；
(2)基体处理：将热作模具钢切割成既定尺寸的块体，通过丙酮与酒精的双重清洗以去除油污，清洗干净吹干后，采用200、400、600、800、1000目砂纸逐层打磨，再进行喷砂处理，采用射吸式喷砂，选择75目左右棕刚玉砂，角度为60°，喷枪/工件相对移动速度40m/min，空气压力0.5MPa，喷砂距离300mm，为下一步喷涂工艺做准备；
(3)混料：将称量的Cr3C2与NiCr粉末按4:1的比例放入到无水乙醇中并搅拌均匀，通过超声振荡处理8min后，然后在真空炉中80℃保温1.5h，得到均匀混合的粉末颗粒；
(4)加料：将混合好的Cr3C2-NiCr粉末加入到等离子喷涂设备中，准备喷涂加工；
(5)第一喷涂层等离子喷涂处理：采用等离子喷涂技术在5CrNiMo热作模具钢表面喷涂Cr3C2-NiCr涂层,喷涂电流为515A，喷涂电压55V，氩气流量为40L/min，氢气流量为3～6L/min，送粉率40g/min，喷涂距离：120～150m，喷枪平移速率为200mm/s，重复喷涂4次，即可获得层间结合优良且组织致密的高耐磨性涂层(第一喷涂层)。
(6)混料：将称量的Cr2O3与Nano-TiO2粉末按照3:1放入到无水乙醇并搅拌均匀，通过超声振荡处理10min后，然后在真空炉中75℃保温2h，得到均匀混合的粉末颗粒，最后将均匀化混合处理后涂层粉末加入到等离子喷涂设备中，准备喷涂加工；
(7)第二喷涂层等离子喷涂处理：采用等离子喷涂技术在5CrNiMo热作模具钢Cr3C2-NiCr涂层表面进一步喷射Cr2O3与Nano-TiO2复合涂层，喷涂电流为515A，喷涂电压55V，氩气流量为40L/min，氢气流量为3～6L/min，送粉率40g/min，喷涂距离：120～150m，喷枪平移速率为200mm/s，重复喷涂4次，即可获得自润滑性的梯度耐磨成分的涂层(第二喷涂层)。
根据GB/T8642-2002《热喷涂抗拉结合强度的测定》测试上述实施例2制得的梯度性耐热耐磨涂层的结合强度为37.9MPa左右，并进一步对所作涂层进行摩擦磨损性能测试，采用HT-1000高温摩擦磨损试验机测试涂层的高温摩擦系数，载荷1N，摩擦半径为5mm，转速为220r/min，测试时间为30min，摩擦因数为0.43，平均磨痕宽度为371.3μm。测试结果表明，本发明的转向节用模具钢的涂层结合强度优良，在摩擦磨损过程中由于其表面涂层的耐热作用，降低了材料的摩擦磨损速度，改善了材料的耐磨性，提升了材料的使用寿命。此外，本实施例的试样在400℃和550℃分别经历了均值为120和50次热震循环后，表面涂层基本没有剥落，圆柱主体部分完好，表明该复合涂层具备良好的抗热疲劳性能。
实施例3
转向节用模具钢耐热耐磨涂层C的制备，其制备方法步骤如下：
(1)涂层成分配比：以Cr3C2、NiCr、Cr2O3、Nano-TiO2颗粒为原料，按照既定成分，称量各组分的含量；
(2)基体处理：将热作模具钢切割成既定尺寸的块体，通过丙酮与酒精的双重清洗以去除油污，清洗干净吹干后，采用200、400、600、800、1000目砂纸逐层打磨，再进行喷砂处理，采用射吸式喷砂，选择75目左右棕刚玉砂，角度为60°，喷枪/工件相对移动速度40m/min，空气压力0.5MPa，喷砂距离300mm，为下一步喷涂工艺做准备；
(3)混料：将称量的Cr3C2与NiCr粉末按4:1的比例放入到无水乙醇中并搅拌均匀，通过超声振荡处理10min后，然后在真空炉中80℃保温1.5h，得到均匀混合的粉末颗粒；
(4)加料：将混合好的Cr3C2-NiCr粉末加入到等离子喷涂设备中，准备喷涂加工；
(5)第一喷涂层等离子喷涂处理：采用等离子喷涂技术在5CrNiMo热作模具钢表面喷涂Cr3C2-NiCr涂层,喷涂电流为515A，喷涂电压55V，氩气流量为40L/min，氢气流量为3～6L/min，送粉率40g/min，喷涂距离：120～150m，喷枪平移速率为200mm/s，重复喷涂4次，即可获得层间结合优良且组织致密的高耐磨性涂层(第一喷涂层)。
(6)混料：将称量的Cr2O3与Nano-TiO2粉末按照2:1放入到无水乙醇中并搅拌均匀，通过超声振荡处理8min后，然后在真空炉中60℃保温1.5h，得到均匀混合的粉末颗粒，最后将均匀化混合处理后涂层粉末加入到等离子喷涂设备中，准备喷涂加工；
(7)第二喷涂层等离子喷涂处理：采用等离子喷涂技术在5CrNiMo热作模具钢Cr3C2-NiCr涂层表面进一步喷射Cr2O3与Nano-TiO2复合涂层，喷涂电流为515A，喷涂电压55V，氩气流量为40L/min，氢气流量为3～6L/min，送粉率40g/min，喷涂距离：120～150m，喷枪平移速率为200mm/s，重复喷涂4次，即可获得自润滑性的梯度耐磨成分的涂层(第二喷涂层)。
根据GB/T8642-2002《热喷涂抗拉结合强度的测定》测试上述实施例3制得的梯度性耐热耐磨涂层的结合强度为35.2MPa左右，并进一步对所作涂层进行摩擦磨损性能测试，采用HT-1000高温摩擦磨损试验机测试涂层的高温摩擦系数，载荷1N，摩擦半径为5mm，转速为220r/min，测试时间为30min，摩擦因数为0.49，平均磨痕宽度为377.1μm。测试结果表明，本发明的转向节用模具钢的涂层结合强度优良，在摩擦磨损过程中由于其表面涂层的耐热作用，降低了材料的摩擦磨损速度，改善了材料的耐磨性，提升了材料的使用寿命。试样在400℃和550℃分别经历了均值为120和50次热震循环后，基本上没有剥落，圆柱主体部分完好，表明该复合涂层具备较好的抗热疲劳性能。
通过对以上实施例的结合强度、摩擦磨损性能以及热震测试结果分析可知，A、B、C三种涂层组织相比，实施例1制备的A涂层组织更致密，具有更优异的强度及耐磨性与抗热疲劳性。
本发明采用等离子喷涂技术制备Cr3C2-NiCr/5CrNiMo热作模具钢材料涂层，采用模具型腔加工三维实体扫描路径进行喷涂，保证喷涂质量稳定；控制等离子喷涂参数使Cr3C2-NiCr颗粒仅表面局部融化，保证涂层与基体成分的层间结合良好，组织致密性。本发明在Cr3C2-NiCr/5CrNiMo耐磨涂层上进一步制备采用Cr2O3和Nano-TiO2复合成分的涂层，实现涂层的耐磨性同时，满足自润滑性特征与成分梯度变化性。
本发明上述实施方案，只是举例说明，不是仅有的，所有在本发明范围内或等同本发明的范围内的改变均被本发明包围。
Claims (3)
1.一种转向节用模具钢耐热耐磨涂层，其特征在于，由5CrNiMo模具钢基体向外依次为第一喷涂层、第二喷涂层，所述第一涂层为Cr3C2与NiCr的复合喷涂层，所述第二涂层为Cr2O3与Nano-TiO2的复合喷涂层；其制备方法步骤如下：
（1）涂层成分配比：以Cr3C2、NiCr、Cr2O3、Nano-TiO2颗粒为原料，按照既定成分，称量各组分的含量；
（2）基体处理：将热作模具钢切割成既定尺寸的块体，通过丙酮与酒精的双重清洗以去除油污，清洗干净吹干后，采用200、400、600、800、1000目砂纸逐层打磨，再进行喷砂处理，采用射吸式喷砂，选择75目棕刚玉砂，喷砂角度为60°，喷枪/工件相对移动速度40m/min，空气压力0.5MPa，喷砂距离300mm，为下一步喷涂工艺做准备；
（3）混料：将称量的Cr3C2与NiCr粉末按4:1的比例放入到无水乙醇中并搅拌均匀，通过超声振荡处理5min后，然后在真空炉中60℃保温2h，得到均匀混合的粉末颗粒；
（4）加料：将混合好的Cr3C2-NiCr粉末加入到等离子喷涂设备中，准备喷涂加工；
（5）第一喷涂层等离子喷涂处理：采用等离子喷涂技术在5CrNiMo热作模具钢表面喷涂Cr3C2-NiCr涂层, 喷涂电流为515A，喷涂电压55V，氩气流量为40L/min，氢气流量为3~6L/min，送粉率40g/min，喷涂距离：120~150m，喷枪平移速率为200mm/s，重复喷涂4次，即可获得层间结合优良且组织致密的高耐磨性涂层，即第一喷涂层；
（6）混料：将称量的Cr2O3与Nano-TiO2粉末按照4:1放入到无水乙醇中并搅拌均匀，通过超声振荡处理7min后，然后在真空炉中70℃保温1.5h，得到均匀混合的粉末颗粒，最后将均匀混合的粉末颗粒加入到等离子喷涂设备中，准备喷涂加工；
（7）第二喷涂层等离子喷涂处理：采用等离子喷涂技术在5CrNiMo热作模具钢Cr3C2-NiCr涂层表面进一步喷射Cr2O3与Nano-TiO2复合涂层，喷涂电流为515A，喷涂电压55V，氩气流量为40L/min，氢气流量为3~6L/min，送粉率40g/min，喷涂距离：120~150m，喷枪平移速率为200mm/s，重复喷涂4次，即可获得自润滑性的梯度耐磨成分的涂层，即第二喷涂层。
2.根据权利要求1所述的转向节用模具钢耐热耐磨涂层，其特征在于，所述第一喷涂层及第二喷涂层的厚度均为150-200 μm。
3.一种权利要求1或2所述的转向节用模具钢耐热耐磨涂层的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
（1）涂层成分配比：以Cr3C2、NiCr、Cr2O3、Nano-TiO2颗粒为原料，按照既定成分，称量各组分的含量；
（2）基体处理：将热作模具钢切割成既定尺寸的块体，通过丙酮与酒精的双重清洗以去除油污，清洗干净吹干后，采用200、400、600、800、1000目砂纸逐层打磨，再进行喷砂处理，采用射吸式喷砂，选择75目棕刚玉砂，喷砂角度为60°，喷枪/工件相对移动速度40m/min，空气压力0.5MPa，喷砂距离300mm，为下一步喷涂工艺做准备；
（3）混料：将称量的Cr3C2与NiCr粉末按4:1的比例放入到无水乙醇中并搅拌均匀，通过超声振荡处理5min后，然后在真空炉中60℃保温2h，得到均匀混合的粉末颗粒；
（4）加料：将混合好的Cr3C2-NiCr粉末加入到等离子喷涂设备中，准备喷涂加工；
（5）第一喷涂层等离子喷涂处理：采用等离子喷涂技术在5CrNiMo热作模具钢表面喷涂Cr3C2-NiCr涂层, 喷涂电流为515A，喷涂电压55V，氩气流量为40L/min，氢气流量为3~6L/min，送粉率40g/min，喷涂距离：120~150m，喷枪平移速率为200mm/s，重复喷涂4次，即可获得层间结合优良且组织致密的高耐磨性涂层，即第一喷涂层；
（6）混料：将称量的Cr2O3与Nano-TiO2粉末按照4:1放入到无水乙醇中并搅拌均匀，通过超声振荡处理7min后，然后在真空炉中70℃保温1.5h，得到均匀混合的粉末颗粒，最后将均匀混合的粉末颗粒加入到等离子喷涂设备中，准备喷涂加工；
（7）第二喷涂层等离子喷涂处理：采用等离子喷涂技术在5CrNiMo热作模具钢Cr3C2-NiCr涂层表面进一步喷射Cr2O3与Nano-TiO2复合涂层，喷涂电流为515A，喷涂电压55V，氩气流量为40L/min，氢气流量为3~6L/min，送粉率40g/min，喷涂距离：120~150m，喷枪平移速率为200mm/s，重复喷涂4次，即可获得自润滑性的梯度耐磨成分的涂层，即第二喷涂层。
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