CN109402626A - 在重载冲压模具上制备超耐磨复合涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在重载冲压模具上制备超耐磨复合涂层的方法，包括以下步骤：清洁模具表面，通过激光器将熔覆粉末熔合并覆盖在模具的表面以形成激光熔覆层，对所得激光熔覆层进行电火花加工和研抛加工；将所得模具预热至550～650℃，并于1030～1050℃盐浴8～10小时，用于在激光熔覆层表面反应生成碳化钒以形成TD涂层。将所得模具在1030～1050℃淬火，淬火后于550℃高温回火两次即可，在模具的表面制备本发明超耐磨复合涂层可以显著地提升重载冲压模具寿命，在重载的情况下，相比于表面上单独制备TD涂层的模具，表面上制备有本发明超耐磨复合涂层的模具的寿命可以提高5倍以上。

Description

在重载冲压模具上制备超耐磨复合涂层的方法
技术领域
本发明属于表面加工及涂层技术领域，具体来说涉及一种在重载冲压模具上制备超耐磨复合涂层的方法。
背景技术
大载荷、高寿命、重载冷冲模具要求：芯部有高韧性、表层具有超硬、高耐磨性(硬度大于2000HV)。从经济性、适用性角度，目前国内重载模具采用Cr12MoV钢上热扩散的方法(TD法)，可以得到硬度大于2000HV耐磨涂层，再经过1030～1050℃淬火，两次550℃回火工艺，使芯部的Cr12MoV钢韧性也能保证，但该处理下的Cr12MoV钢整体的硬度仅有55～59HRC，这造成模具在强摩擦、高载荷重载冲压下，模具基体无法有效的支撑TD超硬、高耐磨涂层，使得涂层脱落，造成模具失效，严重降低寿命。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种在重载冲压模具上制备超耐磨复合涂层的方法，该方法在保证整体的模具内部的韧性前提下，满足了模具对超硬、高强度、高耐磨性的要求，能够很大程度的提升重载模具的寿命。
为此，本发明的技术方案如下：
一种在重载冲压模具上制备超耐磨复合涂层的方法，包括以下步骤：
1)清洁模具表面，通过激光器将熔覆粉末熔合并覆盖在所述模具的表面以形成激光熔覆层，其中，所述模具的材质为Cr12MoV，所述激光熔覆层的厚度为0.5～1.5mm，所述熔覆粉末包括：30～50wt％的碳化物粉末和余量的金属粉末，所述熔覆粉末中碳含量≥0.5wt％，所述金属粉末为铁基粉末、Cr12Mo1V1粉末或镍基粉末；
在所述步骤1)中，清洁模具表面包括：去除所述模具表面的油脂和铁锈。
在所述步骤1)中，所述熔覆粉末的粒度为60～120目。
在所述步骤1)中，所述激光器的功率为3～5KW，所述激光器照射在熔覆粉末上的光斑直径为3.5～5mm，所述激光器的扫描(熔合)速度为300～500mm/min。
在所述步骤1)中，所述碳化物粉末为B4C、WC、TiC或SiC。
2)对步骤1)所得激光熔覆层进行电火花加工和研抛加工，以使激光熔覆层表面的粗糙度值Rz小于0.1μm；
3)将步骤2)所得模具预热至550～650℃，并于1030～1050℃盐浴8～10小时，用于在所述激光熔覆层表面反应生成碳化钒以形成TD涂层；其中，所述盐浴的配方由78wt％的硼砂、8wt％的供钒剂、4wt％的还原剂和10wt％的活化剂组成，其中，所述供钒剂为V2O5，所述还原剂为铝粉，所述活化剂为NaF。
在所述步骤3)中，所述模具在盐浴时保持水平放置。
4)将步骤3)所得模具在1030～1050℃淬火，淬火后于550℃高温回火两次即可。
在上述技术方案中，在所述步骤4)后，抛光所述TD涂层的表面直至该TD涂层的表面光亮(粗糙度值Rz小于0.08μm)，以使TD涂层达到最佳的强韧性。
上述方法在修复失效模具中的应用。
上述方法制备得到的超耐磨复合涂层。
在上述技术方案中，所述激光熔覆层的硬度为61～68HRC。
在上述技术方案中，所述TD涂层的硬度为2500～3500HV。
在上述技术方案中，所述TD涂层的厚度为7～10μm。
上述超耐磨复合涂层在提升重载冲压模具寿命中的应用，覆盖有所述超耐磨复合涂层的模具的寿命为单独(仅)覆盖有TD涂层的模具的寿命的5～9倍。
相比于现有技术，在模具的表面制备本发明超耐磨复合涂层可以显著地提升重载冲压模具寿命，在重载的情况下，相比于表面上单独制备TD涂层的模具，表面上制备有本发明超耐磨复合涂层的模具的寿命可以提高5倍以上。
附图说明
图1为覆盖在模具上的本发明的超耐磨复合涂层的结构示意图；
图2为本发明的超耐磨复合涂层的扫描照片；
图3为本发明的TD涂层的XRD分析。
其中，1为模具基体，2为激光熔覆层，3为TD涂层，4为镶嵌料。
具体实施方式
本发明的技术方案是基于Cr12MoV模具(即模具的材质为Cr12MoV)，在模具的强磨损部分上制备超耐磨复合涂层，对于要制备超耐磨复合涂层的部分，根据超耐磨复合涂层的厚度，将模具加工出0.5～1.5mm的预留量，使覆盖超耐磨复合涂层后的模具不会改变该模具制作产品的尺寸。具体操作为：设超耐磨复合涂层的厚度为t，当模具为凹模时，机加工制造的模具的尺寸要大于原始设计尺寸(设计尺寸+复合涂层厚度t)；当模具为凸模时，机加工制造的模具的尺寸要小于原始设计尺寸(设计尺寸-复合涂层厚度t)。
在本发明的具体实施方式中，激光器为3kW德国DILAS半导体激光器，微观组织相貌照片采用日本电子公司的JSM-6700F扫描式电子显微镜测试测得，厚度通过时代集团的TT240覆层测厚仪测得。XRD的测试设备为日本理学公司的DMAX-2500 18KVA X射线衍射仪。
覆盖在Cr12MoV模具上表面的超耐磨复合涂层的结构如图1所示，包括：覆盖在模具基体1(Cr12MoV模具)上的激光熔覆层2，以及覆盖在该激光熔覆层上的TD涂层3。激光熔覆层可以通过一次或先后两次熔合熔覆粉末制备而成，两次熔合熔覆粉末不仅可以增加厚度也会使表面会更平整，具体操作为：在做好第一层激光熔覆层后，进行第二层熔覆，在第二层熔覆时，激光中心对准第一层的最凹熔层。
在本发明的技术方案中，Cr12MoV模具硬度能达到55～59HRC，保证了Cr12MoV内部的韧性。激光熔覆层的厚度为毫米级，硬度能达到61～68HRC，起支撑作用。TD涂层作为超硬层，其硬度能达到2500～3500HV，厚度为7～10μm，位于最外部的超硬层可以由比Cr12MoV模具基体硬得多的激光熔覆层支撑。且激光熔覆层与模具之间的连接以及激光熔覆层与TD涂层之间的连接均是冶金结合，结合紧密，能够很大程度的提升重载模具的寿命和耐磨性。
用于本发明技术方案的对比，单独制备TD涂层的模具的方法为：清洁Cr12MoV模具表面，去除Cr12MoV模具表面的油脂和铁锈。将Cr12MoV模具预热至600℃，并于1050℃盐浴10小时，用于在模具表面反应生成TD涂层；其中，盐浴时保持模具水平放置。盐浴的配方由78wt％硼砂、8wt％供钒剂、4wt％还原剂和10wt％活化剂组成，其中，供钒剂为V2O5，还原剂为铝粉，活化剂为NaF。将Cr12MoV模具在1030℃油淬，油淬后于550℃高温回火两次即可。研抛TD涂层的表面，以使该TD涂层的表面的粗糙度值Rz为0.05μm。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
下述实施例中材料与药品的购买厂家以及纯度如下：
用于激光熔覆的粉末送粉的方法为：如模具需要覆盖激光熔覆层的表面为曲面或为内部面，则采用预置粉末法送粉；如模具需要覆盖激光熔覆层的表面为外表面而且为平面的结构较简单，则也可采用同步送粉法。
实施例1
一种在重载冲压模具上制备超耐磨复合涂层的方法，包括以下步骤：
1)清洁材质为Cr12MoV的模具表面，抛光去除模具表面的铁锈，用酒精或丙酮去除模具表面的有机物(油脂)。通过激光器将熔覆粉末熔合并覆盖在模具的表面，形成激光熔覆层。
激光熔覆层的厚度为1mm，熔覆粉末包括30wt％的B4C粉末和70wt％镍粉(Ni60)，熔覆粉末的粒度为60目。
激光器的功率为3KW，激光器照射在熔覆粉末上的光斑直径为4mm，激光器的扫描(熔合移动)速度为400mm/min。
2)对步骤1)所得激光熔覆层进行电火花加工和研抛加工，使模具达到原始设计尺寸且激光熔覆层表面的粗糙度达到Rz0.08μm；
3)将步骤2)所得模具预热至600℃，并将模具整体吊入至1050℃盐浴中保持10小时，在此过程中模具保持水平，以免变形。在该温度下，还原剂将供钒剂还原出活性钒原子，与激光熔覆层中碳原子生成碳化钒超硬层(热扩散过程)，即在激光熔覆层表面生成TD涂层；其中盐浴的配方由78wt％的硼砂、8wt％的供钒剂、4wt％的还原剂和10wt％的活化剂组成，供钒剂为V2O5，还原剂为铝粉，活化剂为NaF；
4)将步骤3)所得模具在1030℃淬火(油中淬火)，淬火后于550℃高温回火两次，使模具基体具有最佳的强韧性，硬度能达到55～59HRC，而激光熔覆层的一部分也变成了马氏体，还有一部分高熔点碳化物由于在该温度下不熔解，激光熔覆层的硬度能达到61～68HRC。
在步骤4)后，使用羊毛轮和抛光膏抛光，抛光TD涂层的表面至该TD涂层的表面光亮(此时，TD涂层表面粗糙度Rz达到0.05μm)。
微观组织相貌照片如图2所示，在激光熔覆层2上，生成了TD涂层3，位于TD涂层右侧的为镶嵌料4。图3为TD涂层的XRD分析，表1为TD涂层3的能谱分析元素含量，可以判定TD涂层3为碳化钒。
表1TD层能谱分析元素含量
通过覆层测厚仪测得TD涂层厚度为7μm。用洛氏硬度计测Cr12MoV模具基体层平均硬度测试为58.3HRC，激光熔覆层1硬度为61.8HRC，用日本岛津HMV-2T显微硬度计，加载10g，测得TD涂层平均硬度为2670HV，说明材质为Cr12MoV的模具上做超耐磨复合涂层可行，达到了设计的硬度阶梯，TD涂层完整，结合紧密。为某汽车座椅轨道做成型模具，轨道材料为QSTE420TM，板料厚度为2.5mm，成形模具材料选用Cr12MoV，线上测试的结果是具有复合耐磨层的汽车座椅轨道成型模具的寿命提升了5倍(即覆盖有所述超耐磨复合涂层的模具的寿命为单独仅覆盖有TD涂层的模具的寿命提升了5倍)。
实施例2
一种在重载冲压模具上制备超耐磨复合涂层的方法，包括以下步骤：
1)清洁材质为Cr12MoV的模具表面，抛光去除模具表面的铁锈，用酒精或丙酮去除模具表面的油脂。通过激光器将熔覆粉末熔合，并覆盖在模具的表面形成激光熔覆层。
激光熔覆层的厚度为1.1mm，熔覆粉末包括30wt％的WC粉末和70wt％Cr12Mo1V1，熔覆粉末的粒度为100目。
激光器的功率为3KW，激光器照射在熔覆粉末上的光斑直径为4mm，激光器的扫描(熔合移动)速度为400mm/min。
2)对步骤1)所得激光熔覆层进行电火花加工和研抛加工，使模具达到原始设计尺寸且激光熔覆层表面的粗糙度达到Rz0.08μm；
3)将步骤2)所得模具预热至600℃，并将模具整体吊入至1050℃盐浴中保持10小时，在此过程中模具保持水平，以免变形。在该温度下，还原剂将供钒剂还原出活性钒原子，与激光熔覆层中碳原子生成碳化钒超硬层(热扩散过程)，即在激光熔覆层表面生成TD涂层；其中盐浴的配方由78wt％的硼砂、8wt％的供钒剂、4wt％的还原剂和10wt％的活化剂组成，供钒剂为V2O5，还原剂为铝粉，活化剂为NaF；TD涂层的厚度为8μm，硬度为2600HV。
4)将步骤3)所得模具在1030℃淬火(油中淬火)，淬火后于550℃高温回火两次，使模具基体具有最佳的强韧，硬度能达到55～59HRC，而激光熔覆层的一部分也变成了马氏体，还有一部分高熔点碳化物由于在该温度下不熔解，激光熔覆层的硬度为64HRC。
在步骤4)后，使用羊毛轮和抛光膏抛光，抛光TD涂层的表面至该TD涂层的表面光亮(此时，TD涂层表面粗糙度Rz达到0.05μm)。
结果是具有复合耐磨层的汽车座椅轨道成型模具的寿命提升了7倍(即覆盖有超耐磨复合涂层的汽车座椅轨道成型模具的寿命为单独仅覆盖有TD涂层的汽车座椅轨道成型模具的寿命提升了7倍)。
实施例3
一种在重载冲压模具上制备超耐磨复合涂层的方法，包括以下步骤：
1)清洁材质为Cr12MoV的模具表面，抛光去除模具表面的铁锈，用酒精或丙酮去除模具表面的油脂。通过激光器将熔覆粉末熔合，并覆盖在模具的表面形成激光熔覆层。
激光熔覆层的厚度为1.2mm，熔覆粉末包括40wt％的WC粉末和60wt％Cr12Mo1V1，熔覆粉末的粒度为100目。
激光器的功率为3KW，激光器照射在熔覆粉末上的光斑直径为4mm，激光器的扫描(熔合移动)速度为400mm/min。
2)对步骤1)所得激光熔覆层进行电火花加工和研抛加工，使模具达到原始设计尺寸且激光熔覆层表面的粗糙度达到Rz0.08μm；
3)将步骤2)所得模具预热至600℃，并将模具整体吊入至1050℃盐浴中保持10小时，在此过程中模具保持水平，以免变形。在该温度下，还原剂将供钒剂还原出活性钒原子，与激光熔覆层中碳原子生成碳化钒超硬层(热扩散过程)，即在激光熔覆层表面生成TD涂层；其中盐浴的配方由78wt％硼砂、8wt％供钒剂、4wt％还原剂和10wt％活化剂组成，供钒剂为V2O5，还原剂为铝粉，活化剂为NaF；TD涂层的厚度为8μm，硬度为2700HV。
4)将步骤3)所得模具在1030℃淬火(油中淬火)，淬火后于550℃高温回火两次，使模具基体具有最佳的强韧，硬度能达到55～59HRC，而激光熔覆层的一部分也变成了马氏体，还有一部分高熔点碳化物由于在该温度下不熔解，激光熔覆层的硬度为65HRC。
在步骤4)后，使用羊毛轮和抛光膏抛光，抛光TD涂层的表面至该TD涂层的表面光亮(此时，TD涂层表面粗糙度Rz达到0.05μm)。
结果是具有复合耐磨层的汽车座椅轨道成型模具的寿命提升了9倍(即覆盖有超耐磨复合涂层的汽车座椅轨道成型模具的寿命为单独仅覆盖有TD涂层的汽车座椅轨道成型模具的寿命提升了9倍)。
实施例4
一种在重载冲压模具上制备超耐磨复合涂层的方法，包括以下步骤：
1)清洁材质为Cr12MoV的模具表面，抛光去除模具表面的铁锈，用酒精或丙酮去除模具表面的油脂。通过激光器将熔覆粉末熔合并覆盖在模具的表面形成激光熔覆层。
激光熔覆层的厚度为1mm，熔覆粉末包括30wt％的WC粉末和70wt％铁基粉末Fe60，熔覆粉末的粒度为60目。
激光器的功率为3KW，激光器照射在熔覆粉末上的光斑直径为4mm，激光器的扫描(熔合移动)速度为400mm/min。
2)对步骤1)所得激光熔覆层进行电火花加工和研抛加工，使模具达到原始设计尺寸且激光熔覆层表面的粗糙度达到Rz0.08μm；
3)将步骤2)所得模具预热至600℃，并将模具整体吊入至1050℃盐浴中保持10小时，在此过程中模具保持水平，以免变形。在该温度下，还原剂将供钒剂还原出活性钒原子，与激光熔覆层中碳原子生成碳化钒超硬层(热扩散过程)，即在激光熔覆层表面生成TD涂层；其中盐浴的配方由78wt％硼砂、8wt％供钒剂、4wt％还原剂和10wt％活化剂组成，供钒剂为V2O5，还原剂为铝粉，活化剂为NaF；TD涂层的厚度为9μm，硬度为2650HV。
4)将步骤3)所得模具在1030℃淬火(油中淬火)，淬火后于550℃高温回火两次即可，使模具基体具有最佳的强韧，硬度能达到55～59HRC，而激光熔覆层的一部分也变成了马氏体，还有一部分高熔点碳化物由于在该温度下不熔解，激光熔覆层的硬度为63HRC。
在步骤4)后，使用羊毛轮和抛光膏抛光，抛光TD涂层的表面至该TD涂层的表面光亮(此时，TD涂层表面粗糙度Rz达到0.05μm)。
结果是具有复合耐磨层的汽车座椅轨道成型模具的寿命提升了6倍(即覆盖有超耐磨复合涂层的汽车座椅轨道成型模具的寿命为单独仅覆盖有TD涂层的汽车座椅轨道成型模具的寿命提升了6倍)。
本发明的技术方案不仅限于材质为Cr12MoV的模具，还可适用于其他材质的模具。在本发明的技术方案中，通过调整熔覆粉末的配方、粗糙度值、预热温度、盐浴温度时间、回火温度和淬火温度均能得到与上述实施例一致的性质。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种在重载冲压模具上制备超耐磨复合涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)清洁模具表面，通过激光器将熔覆粉末熔合并覆盖在所述模具的表面，以形成激光熔覆层，其中，所述模具的材质为Cr12MoV，所述激光熔覆层的厚度为0.5～1.5mm，所述熔覆粉末包括：30～50wt％的碳化物粉末和余量的金属粉末，所述熔覆粉末中碳含量≥0.5wt％，所述金属粉末为铁基粉末、Cr12Mo1V1粉末或镍基粉末；
2)对步骤1)所得激光熔覆层进行电火花加工和研抛加工，以使激光熔覆层表面的粗糙度值Rz小于0.1μm；
3)将步骤2)所得模具预热至550～650℃，并于1030～1050℃盐浴8～10小时，用于在所述激光熔覆层表面反应生成碳化钒以形成TD涂层；其中，所述盐浴的配方由78wt％的硼砂、8wt％的供钒剂、4wt％的还原剂和10wt％的活化剂组成，所述供钒剂为V2O5，所述还原剂为铝粉，所述活化剂为NaF。
4)将步骤3)所得模具在1030～1050℃油淬，淬火后于550℃高温回火两次即可。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)中，清洁模具表面包括：去除所述模具表面的有机物和铁锈。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述熔覆粉末的粒度为60～120目；所述激光器的功率为3～5KW，所述激光器照射在熔覆粉末上的光斑直径为3.5～5mm，所述激光器的扫描速度为300～500mm/min，所述碳化物粉末为B4C、WC、TiC或SiC。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述模具在盐浴时保持水平放置。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤4)后，抛光所述TD涂层的表面直至该TD涂层的表面光亮。
6.如权利要求1～5中任意一项所述方法在修复失效模具中的应用。
7.如权利要求1～5中任意一项所述方法制备得到的超耐磨复合涂层。
8.根据权利要求7所述的超耐磨复合涂层，其特征在于，所述激光熔覆层的硬度为61～68HRC。
9.根据权利要求7所述的超耐磨复合涂层，其特征在于，所述TD涂层的硬度为2500～3500HV，所述TD涂层的厚度为7～10μm。
10.如权利要求7所述的超耐磨复合涂层在提升重载冲压模具寿命中的应用，其特征在于，覆盖有所述超耐磨复合涂层的模具的寿命为仅覆盖有TD涂层的模具的寿命的5～9倍。
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