耐磨和耐腐蚀模具及在该模具基体工作表面形成防护涂层的制备工艺

摘要

本发明涉及一种耐磨和耐腐蚀模具及该模具基体工作表面防护涂层的制备工艺。耐磨和耐腐蚀的模具，具有铁基材料制作的基体，基体工作表面具有采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式制备的与基体工作表面呈冶金结合的纳米TiAlN涂层。模具基体工作表面防护涂层的制备工艺步骤为：1）模具基体预处理；2）激光熔覆。本发明解决了现有的离子氮化加物理气相沉积工艺在模具上沉积金属陶瓷硬质涂层，不能加工复杂表面或大尺寸模具、涂层粘附性有待进一步提高以及生产设备及其工艺较为复杂的技术问题。

说明书

技术领域

 本发明涉及一种耐磨和耐腐蚀模具及在该模具基体工作表面形成防护涂层的制备工艺。

背景技术

冲压件的质量、生产效率以及生产成本等，与模具设计和模具配件的精密度质量等有着直接的关系。模具直接与材料（金属或非金属）接触，使材料发生分离或塑性变形，从而获得所需的零件。目前国内不锈钢成形模具普遍使用的材料为Cr12(或Cr12MoV)、高速钢、合金铸铁等铁基合金，这些材料与不锈钢互溶性大，容易在制件和模具间发生粘着，轻者降低模具寿命，在工件表面产生划痕、划伤，重者会因模具与工件之间发生冷焊现象，造成模具报废。经失效分析其主要原因是模具的摩擦学性能差, 低的耐磨性和耐粘着性容易使模具的翻边圆角和翻边直壁磨损。

TiN涂层材料硬度高，摩擦系数小，以其耐磨性和抗蚀性好而广泛应用于各种零部件的表面保护层。为提高模具使用寿命, 在模具上沉积TiN等金属陶瓷硬质涂层是一有效途径，目前常采用离子氮化+物理气相沉积(PVD)的工艺。这种工艺制备的硬质涂层则可进一步提高涂层与基体的结合强度及涂层的耐磨性，在提高工件加工质量的同时还可延长模具使用寿命。但是这种工艺也存在不能加工复杂表面或大尺寸模具、涂层粘附性有待进一步提高以及生产设备及其工艺较为复杂等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决现有的离子氮化+物理气相沉积工艺在模具上沉积金属陶瓷硬质涂层，不能加工复杂表面或大尺寸模具、涂层粘附性有待进一步提高以及生产设备及其工艺较为复杂的技术问题，本发明提供一种耐磨和耐腐蚀模具及在该模具基体工作表面形成防护涂层的制备工艺，本发明可以加工复杂表面或者大尺寸模具，所制备的激光熔覆纳米TiAlN涂层具有具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦因数小等优良特性，能显著提高模具的使用寿命，并且具有生产设备及工艺简单的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种耐磨和耐腐蚀的模具，具有铁基材料制作的基体，基体工作表面具有防护涂层，所述的防护涂层为采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式制备的与基体工作表面呈冶金结合的纳米TiAlN涂层。纳米TiAlN涂层具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦因数小等优良特性，与TiN涂层相比，具有更高的机械性能和热稳定性，特别适合于模具等要求高耐磨性的场合。激光熔覆是一种新的表面改性技术，通过在基体工作表面添加熔覆材料并利用高功率密度的激光束使之与基体工作表面薄层一起熔凝的方法，在基体工作表面形成与其为冶金结合且无气孔、裂纹等缺陷的高性能表面涂层。该技术可以将高熔点的合金材料或陶瓷材料熔覆在低熔点的基体工作表面，以较低的成本在基体上制备出高性能的表面涂层。激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好等特点。而且激光熔覆的快速熔凝过程还可以获得微米或纳米晶结构涂层。激光熔覆工件前处理工艺简单，且熔覆不需要在真空环境下进行，工件尺寸基本不受限制。

为使涂层具有理想的机械性能、热稳定性和耐磨性能，且与基体结合强度最佳，作为优选，所述纳米TiAlN涂层的厚度为0.05~1mm。

在前述的模具基体工作表面形成防护涂层的制备工艺步骤为：

1）模具基体预处理

将加工好的模具基体工作表面用砂纸打磨，对打磨好的模具基体工作表面进行除油清洗，吹干备用；

2）激光熔覆

采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以TiAl合金粉末为熔覆材料，氮气保护下，在模具基体工作表面制备与基体工作表面呈冶金结合的纳米TiAlN涂层。

进一步地，前述制备工艺中的步骤1）中模具基体预处理具体为：将加工好的模具基体工作表面分别用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨，将模具放入丙酮溶液中除油清洗，然后用去离子水冲洗，吹干备用；

为达到良好的除油清洗效果，步骤1）中所述除油采用超声除油，时间为3~5min。

所述的熔覆材料，TiAl合金中的含Al量为原子百分比10~30%，粒度为200~500目。适量的Al可以确保激光熔覆后形成的是TiAlN涂层而不是TiN，同时过高的Al含量还会增加涂层的脆性以及涂层与基体之间的结合强度，影响涂层的使用寿命。粉末粒度太细易发生团聚，在熔覆过程中颗粒表面不能氮气充分接触，实现有效氮化，且熔覆过程中熔池内流动性差不易于成型；粉末粒度太粗熔覆过程中流动性较差，熔覆形成的涂层容易存在裂纹、孔洞等缺陷。

熔覆材料在激光熔覆前充分干燥。

激光熔覆参数为：激光功率1000~2500W、光斑直径Φ2-4mm、光斑移动速度5~20mm/s；激光熔覆过程采用侧吹12~18L/min氮气对熔覆区域进行保护同时作为反应所需氮源。由于涂层材料与金属基体之间的热膨胀系数等物理性能差别很大，使涂层与金属基体之间的匹配性不好，熔覆层易产生裂纹等缺陷，严重影响熔覆层的质量。为了获得具有特定宏观力学、微观组织结构的均匀致密的涂层，必须根据粉末种类、数量和粒度的不同，选择合适的激光熔覆工艺参数。激光熔覆工艺参数主要包括激光功率、光斑直径、激光扫描速度、熔覆材料的添加方式等。功率密度的增加、扫描速度减小、熔覆层平整度增加、开裂倾向减少。但功率过大，扫描速度太慢，会造成熔覆层合金烧损，稀释率增加，热影响区增大。激光熔覆层宽度主要由光斑尺寸决定。熔覆材料化学成分对熔覆层质量影响最大、最复杂。一般情况下，碳、硼含量高，熔覆层硬度高、开裂倾向大；镍、钴含量高，开裂倾向小。硅、硼含量高，熔覆层平整度高。因此，只有各工艺参数之间实现良好的搭配，才能获得符合实际性能要求的涂层。本发明的发明人在综合考虑金属基体材料、涂层材料及其性能要求等因数，结合激光熔覆的工艺特点，经过前期的理论设计和后续大量的实验研究，采用上述工艺制备的涂层组织细小、不存在缺陷且与基体呈冶金结合，涂层显微硬度值在HV2800左右，可提高模具寿命3-5倍以上

本发明的有益效果是，本发明的耐磨和耐腐蚀模具表面的纳米TiAlN涂层具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦因数小等优良特性，与TiN涂层相比，具有更高的机械性能和热稳定性，能显著提高模具的使用寿命。本发明的模具基体工作表面防护涂层的制备工艺，具有生产设备及工艺简单的优点，且熔覆不需要在真空环境下进行，工件尺寸基本不受限制，因此可以用于加工复杂表面或者大尺寸模具。制备的涂层组织细小、不存在缺陷且与基体呈冶金结合，涂层显微硬度值在HV2800左右，可提高模具寿命3-5倍以上。

具体实施方式

实施例1

一种耐磨和耐腐蚀的模具，具有铁基材料制作的基体，基体工作表面具有防护涂层，所述的防护涂层为采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式制备的与基体工作表面呈冶金结合的纳米TiAlN涂层。纳米TiAlN涂层的厚度为0.05mm。

在该模具基体工作表面形成防护涂层的制备工艺步骤为：

1）：模具基体预处理

将加工好的模具基体工作表面分别用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨，将模具基体放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗，超声辅助除油时间为3~5min,然后用去离子水冲洗，吹干备用。

2）：激光熔覆

采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以TiAl合金粉末为熔覆材料，在模具基体工作表面制备与基体工作表面呈冶金结合的，且具有与基体完全不同成分的厚度为0.05mm的纳米TiAlN涂层。其中熔覆材料TiAl合金粉末中的含Al量为原子百分比10%，粒度为200目；熔覆材料在激光熔覆前充分干燥。激光熔覆参数为：激光功率1000W、光斑直径Φ2mm、光斑移动速度20mm/s。且激光熔覆过程采用侧吹12~18L/min氮气对熔覆区域进行保护同时作为反应所需氮源。

实施例2：

一种耐磨和耐腐蚀的模具，具有铁基材料制作的基体，基体工作表面具有防护涂层，所述的防护涂层为采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式制备的与基体工作表面呈冶金结合的纳米TiAlN涂层。纳米TiAlN涂层的厚度为0.5mm。

在该模具基体工作表面形成防护涂层的制备工艺步骤为：

1）：模具基体预处理

将加工好的模具基体工作表面分别用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨，将模具基体放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗，超声辅助除油时间为3~5min,然后用去离子水冲洗，吹干备用。

2）：激光熔覆

采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以TiAl合金粉末为熔覆材料，在模具基体工作表面制备与基体工作表面呈冶金结合的，且具有与基体完全不同成分的厚度为0.5mm的纳米TiAlN涂层。其中熔覆材料TiAl合金粉末中的含Al量为原子百分比20%，粒度为300目；熔覆材料在激光熔覆前充分干燥。激光熔覆参数为：激光功率1500W、光斑直径Φ4mm、光斑移动速度15mm/s。且激光熔覆过程采用侧吹12~18L/min氮气对熔覆区域进行保护同时作为反应所需氮源。

实施例3：

一种耐磨和耐腐蚀的模具，具有铁基材料制作的基体，基体工作表面具有防护涂层，所述的防护涂层为采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式制备的与基体工作表面呈冶金结合的纳米TiAlN涂层。纳米TiAlN涂层的厚度为1mm。

在该模具基体工作表面形成防护涂层的制备工艺的步骤为：

1）：模具基体预处理

将加工好的模具基体工作表面分别用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨，将模具基体放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗，超声辅助除油时间为3~5min,然后用去离子水冲洗，吹干备用。

2）：激光熔覆

采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以TiAl合金粉末为熔覆材料，在模具基体工作表面制备与基体工作表面呈冶金结合的，且具有与基体完全不同成分的厚度为1mm的纳米TiAlN涂层。其中熔覆材料TiAl合金粉末中的含Al量为原子百分比30%，粒度为500目；熔覆材料在激光熔覆前充分干燥。激光熔覆参数为：激光功率2000W、光斑直径Φ3mm、光斑移动速度10mm/s。且激光熔覆过程采用侧吹12~18L/min氮气对熔覆区域进行保护同时作为反应所需氮源。

实施例4：

一种耐磨和耐腐蚀的模具，具有铁基材料制作的基体，基体工作表面具有防护涂层，所述的防护涂层为采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式制备的与基体工作表面呈冶金结合的纳米TiAlN涂层。纳米TiAlN涂层的厚度为0.1mm。

在该模具基体工作表面形成防护涂层的制备工艺的步骤为：

1）：模具基体预处理

将加工好的模具基体工作表面分别用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨，将模具基体放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗，超声辅助除油时间为3~5min,然后用去离子水冲洗，吹干备用。

2）：激光熔覆

采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，以TiAl合金粉末为熔覆材料，在模具基体工作表面制备与基体工作表面呈冶金结合的，且具有与基体完全不同成分的厚度为0.1mm的纳米TiAlN涂层。其中熔覆材料TiAl合金粉末中的含Al量为原子百分比15%，粒度为200目；熔覆材料在激光熔覆前充分干燥。激光熔覆参数为：激光功率2000W、光斑直径Φ2mm、光斑移动速度10mm/s。且激光熔覆过程采用侧吹12~18L/min氮气对熔覆区域进行保护同时作为反应所需氮源。