CN108018548B - 一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金及其制备方法 - Google Patents

一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金及其制备方法，其目的是对模具局部磨损表面进行修复，使得模具的尺寸和功能得以恢复与重新利用并提升模具表面的性能。本发明的核心技术是通过多种表面技术叠加，形成具有不同功能性的多层复合涂层合金，所述的涂层合金为钴、铬、钨、铁和碳化钨合金，按质量百分比计(Wt/％)：钴(Co)：45‑50，铬(Cr)：30‑40％，钨(W)：2‑4，碳化钨(WC)：2‑4，铁(Fe)：余量。

Description

一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金及其制备方法，应用高能密度的激光束加热熔化涂层合金并快速凝固与基体形成冶金结合，在钨基粉末合金压铸模具磨损失效表面形成耐磨涂层，属于材料科学与工程领域。
背景技术
钨基粉末合金是一种以钨为硬质相，以镍、铜或镍、铁等为粘结相构成的复合材料，具有高导热，高强度，高密度，低热膨胀系数与优异抗蚀性、抗氧化性和抗冲击韧性等性能，是制造高精度模具和压铸模具的最佳材料之一。钨基粉末合金压铸模具在成型零件压铸生产过程中，融熔的有色金属液以高压、高温和高速进入模具型腔，对型腔表面产生剧烈的冲击和冲刷，导致钨基粉末合金压铸模具型腔表面产生腐蚀、磨损和裂纹；在填充过程中，金属液、杂质和熔渣对模具型腔表面也会产生复杂的化学作用，加速模具型腔表面的腐蚀、磨损和裂纹的产生。国内外的相关文献认为热磨损是钨基粉末合金压铸模具失效的主要原因之一。钨基粉末合金压铸模具型腔表面磨损过量将导致液态有色金属压制成型零件的尺寸超差和表面质量不合格。钨基粉末合金压铸模具制造的费用高，这是因为钨基粉末合金材料价格昂贵，模具加工和制造难度大，投入生产后的模具修理和维护费用也高，因此，及时维修模具，防止模具进一步损坏，可以大大降低压铸生产的模具费用。合理的解决办法就是通过表面工程技术对模具局部损伤表面进行修复，使得模具的尺寸和功能得以恢复与重新利用并提升模具表面的性能。目前，工程材料常用的表面工程技术有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、热喷涂、堆焊以及近年来开发的多种增材制造技术和合金***等。钨基粉末合金由于其特殊的物理化学性能，导热性极强，线膨胀系数小；钨的熔点高，与多数金属并不形成合金，即使形成合金也多为金属间化合物，工程材料常用的表面工程技术用于修复钨基粉末合金压铸模具型腔工作面的磨损部位，存在的主要问题是修复层和基体材料的化学成分和性能存在较大差异，材料相互间的兼容性和结合性较差，修复后的钨基粉末合金压铸模具在铸件生产过程中，型腔表面修复层受到金属液的高压、高温和高速冲刷，同时，存在着吸收融熔金属凝固过程中放出的热量，型腔表面修复层首先达到较高温度而膨胀；开模后，型腔表面修复层与空气接触激冷收缩而产生拉应力，这种交变应力反复循环，在修复层和基体材料界面结合处极易产生裂纹，随着生产次数的增加，最终导致修复层的开裂和剥落。因此，如何同时提高钨基粉末合金压铸模具修复层的耐磨性和抗疲劳性及其与基体的结合强度，延长模具的使用寿命，提高模具利用率，是科研工作者不可推卸的责任和长期而艰巨的任务。
发明内容
本发明的目的是提供一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金及其制备方法，对钨基粉末合金压铸模具型腔工作面的磨损部位应用高能密度的激光束加热熔化涂层合金并快速凝固与基体形成冶金结合，在钨基粉末合金压铸模具磨损表面形成耐磨涂层，使得模具型腔的尺寸和功能得以恢复与重新利用。
本发明所述的一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金及其制备方法，其核心技术是：综合考虑涂层合金与钨基粉末合金物理化学兼容性以及涂层合金的表面硬度、耐磨性和高温性能，通过多种表面技术叠加，形成具有不同功能性的多层复合涂层合金。
本发明的上述目的是这样实现的：
一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金，第一层为铁基高镍合金，其成分按质量百分比Wt/％计：镍Ni：32-36，铁Fe：64-68，硫S、磷P和碳C元素≦0.5；第二层为耐磨涂层合金，通过正交优化试验确定耐磨涂层合金成分，其成分按质量百分比Wt/％计：钴Co：45-50，铬Cr：30-40，钨W：2-4，碳化钨WC：2-4，铁Fe：余量。
所述的一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金的制备方法，通过多种表面叠加，形成具有不同功能性的多层复合涂层合金，包括以下具体步骤：
第一步，对钨基粉末合金压铸模具型腔工作面的磨损部位进行机械处理，清除表面氧化物和各种污物；
第二步，采用电火花沉积，在钨基粉末合金压铸模具型腔工作面的磨损部位沉积一层铁基高镍合金；
第三步，采用高能密度的激光束在钨基粉末合金压铸模具型腔工作面沉积的铁基高镍合金表面熔敷一层耐磨涂层合金。
第二步中，电火花沉积铁基高镍合金层厚度为：50～80μm。
第三步中，所述耐磨涂层合金材料粉末颗粒大小为40－80μm。
第三步中，所述采用高能密度的激光束熔敷步骤为：
采用1.0KW脉冲Nd：YAG固体激光器进行激光熔敷，脉宽6.0ms，光斑直径2.0mm，离焦位置10mm；熔敷速度3mm/s，熔敷涂层合金粉末通过侧向送粉方式送入激光熔敷熔池，激光熔敷前对粉末进行真空烘干处理，以去除粉末表面吸附的水分，送粉量3.0g/min；采用氩气保护激光熔敷熔池，保护气流量10L/min。
本发明所述的一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金及其制备方法，首先是采用电火花沉积技术在钨基粉末合金压铸模具型腔工作面的磨损部位沉积一层铁基高镍合金。电火花沉积技术可以在极短的时间内将铁基高镍合金与钨基粉末合金接触处的温度瞬间达到8000℃-25000℃，进而将铁基高镍合金熔敷到钨基粉末合金表面形成中间层。铁基高镍合金的强度和塑形较好，与钨基粉末合金的线膨胀系数相近，同时二者之间材料相互间的兼容性和结合性较好，沉积一层铁基高镍合金可以提高后续激光熔敷耐磨涂层合金与钨基粉末合金结合强度和抗疲劳性能。铁基高镍合金的高温抗热磨损性能差，钨基粉末合金压铸模具型腔工作面的磨损部位沉积铁基高镍合金不能直接作为工作层。本发明所述的一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金及其制备方法，采用高能密度的激光束在钨基粉末合金压铸模具型腔工作面磨损部位沉积的铁基高镍合金表面再熔敷一层耐磨涂层合金。本发明所述的耐磨涂层合金为钴、铬、钨、铁和碳化钨合金，钴铬钨合金有很好的抗热疲劳、抗热腐蚀、耐磨蚀性能和焊接性，较好的焊接性为日后再次修复使用的材料提供了良好的相容性和兼容性；铁与合金***的各元素以及钨基粉末合金都具有较好的兼容性；添加碳化钨硬质合金可进一步提高涂层合金的耐磨性，添加碳化钨的量需要控制在一定范围内，其目的是保证熔敷涂层合金与钨基粉末合金等寿命。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述的一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金及其制备方法，通过多种表面技术叠加，采用电火花沉积技术沉积一层与钨基粉末合金兼容性和结合性较好的铁基高镍合金，再利用高能密度的激光束在铁基高镍合金表面熔敷一层耐磨涂层合金，同时解决了修复层的耐磨性和抗疲劳性及其与基体的结合强度。
附图说明
图1铁基高镍合金表面熔敷耐磨涂层合金
具体实施方式
通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。
本发明所述的一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金及其制备方法，是通过多种表面技术叠加，首先采用电火花沉积技术在钨基粉末合金压铸模具型腔工作面的磨损部位沉积一层铁基高镍合金，然后再利用高能密度的激光束在铁基高镍合金表面熔敷一层耐磨涂层合金。耐磨涂层合金成分，按质量百分比计(Wt/％)：钴(Co)：45-50，铬(Cr)：30-40％，钨(W)：2-4，碳化钨(WC)：2-4，铁(Fe)：余量。
本发明所述的一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金及其制备方法，包括以下工艺步骤：
第一步，对钨基粉末合金压铸模具型腔工作面的磨损部位进行机械处理，清除表面氧化物和各种污物。
第二步，采用电火花沉积技术在钨基粉末合金压铸模具型腔工作面的磨损失效部位沉积一层铁基高镍合金，铁基高镍合金成分按质量百分比计(Wt/％)：镍(Ni)：32-36，铁(Fe)：64-68，硫(S)、磷(P)和碳(C)等元素≦0.5。本发明所述铁基高镍合金也可采用市售成分和性能相近的合金***。
第三步，采用高能密度的激光束在钨基粉末合金压铸模具型腔工作面沉积的铁基高镍合金表面上再熔敷一层耐磨涂层合金。本发明所述的涂层合金为钴、铬、钨、铁和碳化钨合金，涂层合金材料粉末颗粒大小为40－80μm，按质量百分比计(Wt/％)：钴(Co)：45-50，铬(Cr)：30-40％，钨(W)：2-4，碳化钨(WC)：2-4，铁(Fe)：余量。采用1.0KW脉冲Nd：YAG固体激光器进行激光熔敷，脉宽6.0ms，光斑直径2.0mm，离焦位置10mm；熔敷速度3mm/s，熔敷合金粉末通过侧向送粉方式送入激光熔敷熔池，激光熔敷前对粉末进行真空烘干处理，以去除粉末表面吸附的水分，送粉量3.0g/min；采用氩气保护激光熔敷熔池，保护气流量10L/min。
本发明所述的一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金及其制备方法，下述所有实施例均采用上述铁基高镍合金、涂层合金成分以及工艺步骤和参数得到的，钨基粉末合金成分按质量百分比计(Wt/％)：W：97，Ni：2.1，Fe：0.9。实施例见下表1。
本发明本发明所述的一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金及其制备方法，按照上述工艺步骤和成分进行钨基粉末合金压铸模具修复所达到的技术指标：
(1)修复后的涂层合金与钨基粉末合金基体结合强度120-150MPa；
(2)修复后的涂层合金耐磨性是钨基粉末合金基体材料耐磨性的1.1－1.3倍。
表1涂层合金材料成分及其涂层性能

Claims (1)

1.一种修复钨基粉末合金压铸模具涂层合金，其特征在于，第一层为铁基高镍合金，其成分按质量百分比Wt/％计：镍Ni：32-36，铁Fe：64-68，硫S、磷P和碳C元素之和≦0.5；第二层为耐磨涂层合金，其成分按质量百分比Wt/％计：钴Co：45-50，铬Cr：30-40，钨W：2-4，碳化钨WC：2-4，铁Fe：余量；所述涂层合金的制备方法，通过多种表面叠加，形成具有不同功能性的多层复合涂层合金，包括以下具体步骤：
第一步，对钨基粉末合金压铸模具型腔工作面的磨损部位进行机械处理，清除表面氧化物和各种污物；
第二步，采用电火花沉积，在钨基粉末合金压铸模具型腔工作面的磨损部位沉积一层铁基高镍合金；
第三步，采用高能密度的激光束在钨基粉末合金压铸模具型腔工作面沉积的铁基高镍合金表面熔敷一层耐磨涂层合金；
第二步，电火花沉积铁基高镍合金层厚度为：50～80μm；
第三步，所述耐磨涂层合金材料粉末颗粒大小为40－80μm；
第三步所述采用高能密度的激光束熔敷步骤为：
采用1.0KW脉冲Nd：YAG固体激光器进行激光熔敷，脉宽6.0ms，光斑直径2.0mm，离焦位置10mm；熔敷速度3mm/s，熔敷涂层合金粉末通过侧向送粉方式送入激光熔敷熔池，激光熔敷前对粉末进行真空烘干处理，以去除粉末表面吸附的水分，送粉量3.0g/min；采用氩气保护激光熔敷熔池，保护气流量10L/min。
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