CN101210325B - 一种用于热锻模具的纳米复合耐磨涂层组合物及其应用 - Google Patents

一种用于热锻模具的纳米复合耐磨涂层组合物及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于热锻模具的纳米复合耐磨涂层组合物及其应用，所述组合物的原料组成如下：体积比为1∶1～4的纳米陶瓷粉末与碳纳米管和体积为纳米陶瓷粉末和碳纳米管混合体体积40～50％的钴，及体积为纳米陶瓷粉末和碳纳米管混合体体积3～4倍的粘结剂。该组合物的应用如下：将组分量的纳米陶瓷粉末与碳纳米管及钴混合，添加组分量的粘结剂，混合均匀后，涂敷于热锻模具需处理部位表面形成涂层，涂敷厚度为0.2～0.5mm，然后用高能激光束对所述涂层进行扫描处理，最终在热锻模具表面形成纳米复合耐磨涂层。所获得的纳米复合耐磨涂层，具有高硬度、高耐磨性、高减磨性，且处理速度快，效率高，适应性强，能增加模具使用寿命35％以上。

Description

一种用于热锻模具的纳米复合耐磨涂层组合物及其应用
技术领域
本发明涉及的是表面工程领域，具体是一种用于热锻模具的纳米复合耐磨涂层组合物及其应用。
背景技术
提高模具寿命的主要途径是表面强化处理。模具的表面强化处理是指用机械、物理或化学方法对模具工作表面进行改性或覆层等处理，使模具在保证高的强韧性基础上，具有更高的强度、硬度、耐磨，同时获得优异的抗高温疲劳、氧化、抗咬合、抗粘着、抗擦伤、耐腐蚀等性能。目前常用的表面强化技术处理温度较高，导致模具变形，影响了模具表面质量和尺寸精度。如渗碳处理温度高于900℃；渗氮处理高于550℃。电镀技术虽然温度低于100℃，但对形状复杂的零件，存在镀层厚度不均匀、结合力差，尺寸精度低等许多问题。因此为适应工业化大规模生产的需要，亟待发展新的纳米化表面强化技术。
热锻模具现在常用H11、H12或H13等耐热模具钢通过热处理和电火花加工成形，该材料中由于加入了W、V、Mo、Cr等合金元素，增加马氏体的回火稳定性来提高抗高温性能，以及依靠回火过程有限的碳化物弥散沉淀得到一定的强化，耐磨性不仅与硬度有关还与钢中碳化物的数量、大小及分布有关，因此，虽然该材料有较好的耐热性，但高温的耐冲击磨损性能不高，导致高温磨损失效，失效部位主要体现在模腔应力集中点或高温聚集点，如模腔边缘、中央凸块处等.
激光加工技术在模具上应用已经受到人们的广泛重视。利用高能量密度的激光对模具进行表面处理，从而改变模具表层的显微结构或成分，实现模具表面强化或修复。目前，我国已开展这方面的研究，这些研究主要集中在激光表面淬火、激光表面合金化、激光熔覆。强化的目的主要是在金属表面形成淬硬层，改变表层成分和涂覆一层耐磨层，如球墨铸铁凸轮轴激光表面强化处理；45钢表面激光熔覆Al2O3-NiCrAl处理；钢基表面熔覆陶瓷层；熔覆SiC、B4C、Al2O3、WC陶瓷增强材料涂层；不锈钢1Cr18Ni9Ti表面激光熔覆等。这些研究表明激光表面处理能提高材料的耐磨性。但是这些研究其一，几乎都处在实验室研究阶段，还没有广泛的工业化应用；其二，激光表面处理的零件往往形状比较简单；其三，处理的基体材料种类比较少；其四，激光处理方法比较单一。而迄今为止，国内外用激光直接制备纳米复合耐磨涂层并应用在服役条件比较恶劣的热锻模具表面处理中的资料也未见报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于热锻模具的纳米复合耐磨涂层组合物及其应用，即利用激光处理法在热锻模具表面获得纳米复合耐磨涂层，使其易损部位具有高硬度高耐磨性，从而提高使用寿命。
本发明所述用于热锻模具的纳米复合耐磨涂层组合物，其原料组成如下：体积比为1∶1～4的纳米陶瓷粉末与碳纳米管和体积为纳米陶瓷粉末和碳纳米管混合体体积40～50％的钴，及体积为纳米陶瓷粉末和碳纳米管混合体体积3～4倍的粘结剂。
本发明中所述的纳米陶瓷粉末为纳米氧化物、纳米氮化物或纳米碳化物，优选纳米氧化铝、纳米氧化硅、纳米氧化钛、纳米氮化硅、纳米氮化钛、纳米碳化硅或纳米碳化钛。
所述的碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
所述粘结剂为通用的酚醛清漆，任何专业技术人员都可以很方便地得到并应用。
所述粘结剂的体积优选为纳米陶瓷粉末和碳纳米管混合体体积的3倍。
上述纳米复合耐磨涂层组合物可应用于热锻模具表面，具体的应用按如下步骤进行：先对热锻模具表面需处理部位作清洁处理，将体积比为1∶1～4的纳米陶瓷粉末与碳纳米管及体积为纳米陶瓷粉末和碳纳米管混合体体积40～50％的钴混合，添加体积为纳米陶瓷粉末和碳纳米管混合体体积3～4倍的粘结剂，混合均匀后，涂敷于热锻模具需处理部位表面形成涂层，涂敷厚度为0.2～0.5mm，然后用高能激光束对所述涂层进行扫描处理，处理完毕后自然冷却，最终在热锻模具表面形成纳米复合耐磨涂层。
一般而言，上述需处理部位主要为热锻模具的易损部位，故在制备之初，需针对不同的热锻模具，确定其容易造成磨损失效的部位。
上述应用的激光扫描处理过程中，激光大部分能量能够被预置涂层和基体材料表面层吸收。在高能激光束的作用下，使得混合体与金属基体表面层在短时间内熔化，产生熔池。本发明激光扫描处理推荐采用如下工艺参数：功率密度：13～47kw/cm2，激光作用时间：0.017～0.24s。
所述的激光扫描处理采用高能激光源，所述的高能激光源推荐二氧化碳激光，可根据涂层面积选择相应的光斑。
在激光扫描处理同时对激光扫描区域进行同步惰性气体保护，所述的惰性气体为氩气、氦气或氮气。
所述热锻模具材料为常见的H11、H12或H13。
本发明采用简单的激光直接处理技术，通过调整工艺参数，在热锻模具表面获得复合耐磨涂层，具有高硬度、高耐磨性、高减磨性，能够延长模具的失效周期，提高模具的使用寿命。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：(1)能在模具表面直接获得纳米复合耐磨涂层，增加脱模性能；(2)涂层为纳米陶瓷和纳米碳材料的复合体；(3)涂层与基体结合强度高，为冶金结合；(4)复合耐磨涂层的性价比高，并且处理速度快，效率高，适应性强，增加模具使用寿命35％以上。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但本发明的保护范围不限于此：
本发明所用酚醛清漆购自浙江兰歌化学工业有限公司。
实施例1
在H11材料模具上制备纳米复合耐磨涂层。涂前需要对模具表面需处理部位去油污清洁处理，将体积比为1∶4的纳米氧化铝粉末与单壁碳纳米管材料混合后，钴的添加量为纳米氧化铝粉末与单壁碳纳米管材料混合体积的40％，再加入粘结剂酚醛清漆充分搅拌混合均匀，酚醛清漆的添加量与纳米氧化铝粉末和单壁碳纳米管材料的混合体积的配比为3∶1，将上述混合体预置于模具相应部位，涂敷厚度为0.5mm，用二氧化碳激光器产生的高能激光束对涂层实施激光强化处理，在激光扫描处理同时对激光扫描区域进行同步惰性气体保护，氮气为保护气体，激光工艺参数如下：功率密度：13kw/cm2，激光作用时间：0.24秒，获得模具表面的纳米复合耐磨涂层，并且与基体形成冶金结合。待自然冷却后测试表面性能，结果见表1。
实施例2
在H12材料模具上制备纳米复合耐磨涂层。涂前需要对模具表面需处理部位去油污清洁处理，将体积比为1∶1的纳米氧化硅粉末与多壁碳纳米管材料混合，钴的添加量为纳米氧化硅粉末与多壁碳纳米管混合体积的50％，再加入粘结剂酚醛清漆混合均匀，酚醛清漆的添加量与纳米氧化硅粉末和多壁碳纳米管材料的混合体积的配比为3∶1，将上述混合体预置于模具相应部位，涂敷厚度为0.2mm，用二氧化碳激光器产生的高能激光束对涂层实施激光强化处理，在激光扫描处理同时对激光扫描区域进行同步惰性气体保护，氩气为保护气体，激光工艺参数为：功率密度：47kw/cm2，激光作用时间：0.017秒，获得模具表面的纳米复合耐磨涂层，并且与基体形成冶金结合，待自然冷却后测试表面性能，结果见表1。
实施例3
在H13材料模具上制备纳米复合耐磨涂层。涂前需要对模具表面处理部位去油污清洁处理，将体积比为1∶2的纳米氧化钛粉末与多壁碳纳米管材料混合，钴的添加量为纳米氧化钛粉末与多壁碳纳米管材料混合体积的43％，再加入粘结剂酚醛清漆混合均匀，酚醛清漆的添加量与纳米氧化钛粉末和多壁碳纳米管材料混合体积的配比为3∶1，将上述混合体预置于模具相应部位，涂敷厚度为0.3mm，用二氧化碳激光器产生的高能激光束对涂层实施激光强化处理，在激光扫描处理同时对激光扫描区域进行同步惰性气体保护，氦气为保护气体，激光工艺参数为：功率密度：41kw/cm2，激光作用时间：0.095秒，获得模具表面的纳米复合耐磨涂层，并且与基体形成冶金结合。待自然冷却后测试表面性能，结果见表1。
实施例4
在H13材料模具上制备纳米复合耐磨涂层。涂前需要对模具表面处理部位去油污清洁处理，将体积比为1∶3的纳米氮化钛粉末与多壁碳纳米管材料混合，钴的添加量为纳米氮化钛粉末与多壁碳纳米管材料混合体积的46％，再加入粘结剂酚醛清漆混合均匀，酚醛清漆的添加量与纳米氮化钛粉末和多壁碳纳米管材料混合体积的配比为3∶1，将上述混合体预置于模具相应部位，涂敷厚度为0.4mm，用二氧化碳激光器产生的高能激光束对涂层实施激光强化处理，在激光扫描处理同时对激光扫描区域进行同步惰性气体保护，保护气体为氮气，激光工艺参数为：功率密度：35kw/cm2，激光作用时间：0.11秒，获得模具表面的纳米复合耐磨涂层，并且与基体形成冶金结合。待自然冷却后测试表面性能，结果见表1。
实施例5
在H13材料模具上制备纳米复合耐磨涂层。涂前需要对模具表面处理部位去油污清洁处理，将体积比为1∶1.5的纳米氮化硅粉末与多壁碳纳米管材料混合，钴的添加量为纳米氮化硅粉末与多壁碳纳米管材料混合体积的42％，再加入粘结剂酚醛清漆混合均匀，酚醛清漆的添加量与纳米氮化硅粉末和多壁碳纳米管材料混合体积的配比为3∶1，将上述混合体预置于模具相应部位，涂敷厚度为0.25mm，用二氧化碳激光器产生的高能激光束对涂层实施激光强化处理，在激光扫描处理同时对激光扫描区域进行同步惰性气体保护，保护气体为氮气，激光工艺参数为：功率密度：28kw/cm2，激光作用时间：0.13秒，获得模具表面的纳米复合耐磨涂层，并且与基体形成冶金结合。待自然冷却后测试表面性能，结果见表1。
实施例6
在H13材料模具上制备纳米复合耐磨涂层。涂前需要对模具表面处理部位去油污清洁处理，将体积比为1∶3的纳米碳化钛粉末与多壁碳纳米管材料混合，钴的添加量为纳米碳化钛粉末与多壁碳纳米管材料混合体积的46％，再加入粘结剂酚醛清漆混合均匀，酚醛清漆的添加量与纳米碳化钛粉末和多壁碳纳米管材料混合体积的配比为3∶1，将上述混合体预置于模具相应部位，涂敷厚度为0.2mm，用二氧化碳激光器产生的高能激光束对涂层实施激光强化处理，在激光扫描处理同时对激光扫描区域进行同步惰性气体保护，保护气体为氮气，激光工艺参数为：功率密度：24kw/cm2，激光作用时间：0.14秒，获得模具表面的纳米复合耐磨涂层，并且与基体形成冶金结合。待自然冷却后测试表面性能，结果见表1。
实施例7
在H13材料模具上制备纳米复合耐磨涂层。涂前需要对模具表面处理部位去油污清洁处理，将体积比为1∶2.2的纳米碳化硅粉末与多壁碳纳米管材料混合，钴的添加量为纳米碳化硅粉末与多壁碳纳米管材料混合体积的48％，再加入粘结剂酚醛清漆混合均匀，酚醛清漆的添加量与纳米碳化硅粉末和多壁碳纳米管材料混合体积的配比为3∶1，将上述混合体预置于模具相应部位，涂敷厚度为0.4mm，用二氧化碳激光器产生的高能激光束对涂层实施激光强化处理，在激光扫描处理同时对激光扫描区域进行同步惰性气体保护，保护气体为氮气，激光工艺参数为：功率密度：19kw/cm2，激光作用时间：0.19秒，获得模具表面的纳米复合耐磨涂层，并且与基体形成冶金结合。待自然冷区后测试表面性能，结果见表1。
对以上实施例分别进行测试表面硬度、耐磨性和使用寿命，所获得数据如表1。
表1实施例的表面硬度、耐磨性和使用寿命(作为对比的H13基体硬度为400HV0.2)
Figure G2007101646143D00091

Claims (8)

1.一种用于热锻模具的纳米复合耐磨涂层组合物的应用，其特征在于所述组合物的原料组成如下：体积比为1∶1～4的纳米陶瓷粉末与碳纳米管和体积为纳米陶瓷粉末和碳纳米管混合体体积40～50％的钴，及体积为纳米陶瓷粉末和碳纳米管混合体体积3～4倍的粘结剂；所述的应用按如下步骤进行：先对热锻模具表面需处理部位作清洁处理，将体积比为1∶1～4的纳米陶瓷粉末与碳纳米管及体积为纳米陶瓷粉末和碳纳米管混合体体积40～50％的钴混合，添加体积为纳米陶瓷粉末和碳纳米管混合体体积3～4倍的粘结剂，混合均匀后，涂敷于热锻模具需处理部位表面形成涂层，涂敷厚度为0.2～0.5mm，然后用高能激光束对所述涂层进行扫描处理，激光扫描处理采用如下工艺参数：功率密度：13～47kw/cm2，激光作用时间：0.017～0.24s；处理完毕后自然冷却，最终在热锻模具表面形成纳米复合耐磨涂层。
2.如权利要求1所述的纳米复合耐磨涂层组合物的应用，其特征在于，所述的激光扫描处理采用高能激光源，所述的高能激光源为二氧化碳激光。
3.如权利要求1所述的纳米复合耐磨涂层组合物的应用，其特征在于，在激光扫描处理同时对激光扫描区域进行同步惰性气体保护，所述的惰性气体为氩气、氦气或氮气。
4.如权利要求1～3之一所述的纳米复合耐磨涂层组合物的应用，其特征在于，所述热锻模具材料为H11、H12或H13。
5.如权利要求1～3之一所述的纳米复合耐磨涂层组合物的应用，其特征在于所述的纳米陶瓷粉末为纳米氧化物、纳米氮化物或纳米碳化物。
6.如权利要求5所述的纳米复合耐磨涂层组合物的应用，其特征在于，所述的纳米陶瓷粉末为纳米氧化铝、纳米氧化硅、纳米氧化钛、纳米氮化硅、纳米氮化钛、纳米碳化硅或纳米碳化钛。
7.如权利要求1～3之一所述的纳米复合耐磨涂层组合物的应用，其特征在于，所述的碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
8.如权利要求1～3之一所述的纳米复合耐磨涂层组合物的应用，其特征在于，所述粘结剂为酚醛清漆。
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