一种多主元合金粉末及其用于在模具钢上激光熔覆制备涂层的方法

摘要

本发明公开一种多主元合金粉末及其用于在模具钢上激光熔覆制备涂层的方法；所述多主元合金粉末按摩尔比计，该合金粉末成分包括：等摩尔比的Co、Cr、Al、Ni和Mn；其制备涂层的方法为：先用金相砂纸将模具钢表面的氧化膜打磨掉，并用无水乙醇或丙酮对打磨后的模具钢进行清洗，然后用聚乙烯醇溶液将上述多主元合金粉末调成糊状，预置在打磨清洗后的模具钢表面形成预置熔覆层，并80℃抽真空干燥5~6？h后，对预置熔覆层进行辐照处理，得到熔覆层。本发明利用多主元高熵合金的协同配伍作用，使制得的熔覆层具有高硬度、高耐磨性、高耐蚀性等诸多优异特性。

说明书

技术领域

本发明属于材料表面处理和强化技术领域，具体涉及一种多主元合金粉末及其用于在模具钢上激光熔覆制备涂层的方法。

背景技术

模具是机械、电器制造等工业部门中制造零件的主要加工工具。模具钢是用来制造冷作模具、热作模具等模具的钢种。按服役条件可将模具钢分为四大类：冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢、塑胶模具钢等四大类。其中，热作模具需要在较高温度下工作，因此要求其具有较好的强度和硬度、良好的导热性、较高的淬透性以及良好的抗氧化性和耐磨性等良好性能。模具质量的好坏直接影响着产品的质量、精度、产量和生产成本，而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理的影响。

近几年，虽然我国模具产业发展迅速，但我国生产的模具钢的品种、规格、质量和寿命与发达国家相比还有较大差距，仍需以高价从国外大量进口优质模具钢。与国外先进水平的差距主要表现为：模具使用寿命低，其中精冲模寿命一般只有国外先进水平的1/3左右；生产周期长；质量可靠性与稳定性较差；制造精度和标准化程度较低，等等。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种多主元合金粉末及其用于在模具钢上激光熔覆制备涂层的方法，使制得的表面熔覆层具有硬度高、耐磨性好、耐蚀性好和冶金结合力强的特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种多主元合金粉末，按摩尔比计，该合金粉末成分包括：等摩尔比的Co、Cr、Al、Ni和Mn。

上述多主元合金粉末用于在模具钢上激光熔覆制备涂层的方法，包括如下步骤：

1）按照上述配方配制多主元合金粉末，将配好的所述多主元合金粉末放入球磨机中混合4~6h；

2）用金相砂纸将模具钢表面的氧化膜打磨掉，并用无水乙醇或丙酮对打磨后的模具钢进行清洗；

3）将步骤1）球磨后的多主元合金粉末用质量浓度为0.3~0.5%的聚乙烯醇溶液调匀成糊状，将调成的糊浆预置在步骤2）处理后的模具钢表面形成预置熔覆层后，80℃抽真空干燥5~6h；其中，所述预置熔覆层的涂覆厚度为0.6~0.8mm；

4）用激光器对步骤3）模具钢表面的预置熔覆层进行辐照，辐照过程中用惰性气体进行保护，得到熔覆层；其中，辐照过程中激光电流为200~240A，扫描速度为100~140mm/min，脉宽为6ms，频率为6~7Hz，离焦量为+9~+10mm。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明多主元合金由5种或5种以上的合金元素按等摩尔比配制形成，利用Fe、Co、Cr、Al、Mn、Ni多种合金元素之间的协同配伍作用，使多主元高熵合金发挥其特有的高熵效应、缓慢扩散效应、纳米相强化及晶格畸变等特点，使制得的熔覆层具有高硬度、高耐磨性、高耐蚀性等诸多优异特性。

2、本发明采用激光熔覆法，借助激光照射产生大量的热量使得以不同的填料方式覆盖在基体表面上的一层熔敷材料和基体表层同时熔化，经快速凝固后在两者的界面很窄的区域内迅速产生分子或原子级的交互扩散，利用冶金结合的方式达到基体与熔覆层的牢固结合，在模具钢基材表面形成一层合金化层；经试验验证本发明方法制得的熔覆层表层硬度可达750HV，相比基体提高3倍左右，熔覆层的耐磨性较基体得到提高，熔覆层的摩擦系数较基体明显减小，熔覆层的磨损形貌较基体圆滑，熔覆层的磨损量为基体的1/3左右；涂层的自腐蚀电位为-0.17V，自腐蚀电流密度为1.76×10^-6A/cm²；基体的自腐蚀电位为-0.57V，自腐蚀电流为9.79×10^-6A/cm²。综合结果表明熔覆层的硬度、耐磨性和耐腐蚀性相对于基体具有较大提高，说明表面性能得到提高。

3、本发明采用Fe、Co、Cr、Al、Mn、Ni进行配比制作熔覆层材料，通过多种合金之间的协同配伍作用，在保证制得的熔覆层能够满足硬度高、耐磨性好、耐蚀性好和冶金结合力强要求的前提下，更好地节约材料成本，可以实现在较低成本金属部件表面制作高熵合金熔覆层，这种表面改性的方法具有良好的应用前景。

4、相比较其他的制备方法，本发明激光熔覆方法制备的熔覆层质量好，工作效率高，操作简单；在实际的工业生产中采用本发明方法可对材料表面进行改性或修复，使得材料性能改善和恢复，提高和延长材料的使用寿命，且节省了资源。

附图说明

图1为实施例1得到的多主元合金熔覆层示意图；

图2为实施例1得到的多主元合金熔覆层耐磨测试结果；

图3为实施例1得到的多主元合金熔覆层磨损形貌图；

图4为实施例1得到的多主元合金熔覆层磨损体积计算图；

图5位实施例1得到的多主元合金熔覆层耐蚀测试结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程，来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。下述实施例中使用的化学药品如无特殊说明，即为普通市售产品。

实施例1

一、一种多主元合金粉末，以摩尔份数计，包括如下成分：30份Co，30份Cr，30份Al，30份Mn和30份Ni，所述多主元合金粉末粒度为100~300目；所述Co、Cr、Al、Ni、Mn的纯度均≥99%。

二、上述多主元合金粉末用于在模具钢上制备熔覆层的方法，包括如下步骤：

1）用电子天平FA2004N按照上述配方配制多主元合金粉末，将配好的所述多主元合金粉末放入球磨机中混合4h；

2）用金相砂纸将5CrNiMo模具钢表面的氧化膜打磨掉，并用无水乙醇或丙酮对打磨后的模具钢进行清洗；

3）配制质量浓度为0.3%的聚乙烯醇溶液，水浴加热，使聚乙烯醇完全溶解；将步骤1）球磨后的多主元合金粉末用质量浓度为0.3%的聚乙烯醇溶液调匀成糊状，将调成的糊浆预置在步骤2）处理后的模具钢表面形成预置熔覆层后，在烘箱中80℃真空干燥6h；其中，所述预置熔覆层的涂覆厚度为0.6mm；

4）用JJM-1GXY-800B型激光器对步骤3）5CrNiMo模具钢表面的预置熔覆层进行辐照，辐照过程中用惰性气体进行保护，得到熔覆层；其中，辐照过程中激光电流为240A，扫描速度为140mm/min，脉宽为6ms，频率为7Hz，离焦量为+10mm。

将得到的熔覆层用线切割切下，得到的多主元合金熔覆层示意图如图1所示；经耐磨性测试和耐蚀测试，得到如图2~图4所示的耐磨测试结果和图5所示的耐蚀性测试结果，结果显示熔覆层表层硬度可达750HV左右，较基体提高3倍左右。结合图2、图3、图4、图5可知熔覆层的耐磨性较基体得到提高，熔覆层的摩擦系数较基体明显减小，熔覆层的磨损形貌较基体圆滑，熔覆层的磨损量为基体的1/3左右；涂层的自腐蚀电位为-0.17V，自腐蚀电流密度为1.76×10^-6A/cm²；基体的自腐蚀电位为-0.57V，自腐蚀电流为9.79×10^-6A/cm²。综合结果表明熔覆层的硬度、耐磨性和耐腐蚀性相对于基体具有较大提高，说明表面性能得到提高。

实施例2

一、一种多主元合金粉末，以摩尔份数计，包括如下成分：20份Co、20份Cr、20份Al、20份Mn、20份Ni和10份Fe；所述多主元合金粉末的粒度为100~300目；所述Co、Cr、Al、Ni、Mn和Fe的纯度均≥99%。

二、上述多主元合金粉末用于在模具钢上制备熔覆层的方法，包括如下步骤：

1）用电子天平FA2004N按照上述配方配制多主元合金粉末，将配好的所述多主元合金粉末放入球磨机中混合5h；

2）用金相砂纸将5CrNiMo模具钢表面的氧化膜打磨掉，并用丙酮对打磨后的模具钢进行清洗；

3）配制质量浓度为0.4%的聚乙烯醇溶液，水浴加热，使聚乙烯醇完全溶解；将步骤1）球磨后的多主元合金粉末用质量浓度为0.4%的聚乙烯醇溶液调匀成糊状，将调成的糊浆预置在步骤2）处理后的模具钢表面形成预置熔覆层后，在烘箱中80℃真空干燥5.5h；其中，所述预置熔覆层的涂覆厚度为0.7mm；

4）用JJM-1GXY-800B型激光器对步骤3）5CrNiMo模具钢表面的预置熔覆层进行辐照，辐照过程中用惰性气体进行保护，得到熔覆层；其中，辐照过程中激光电流为220A，扫描速度为120mm/min，脉宽为6ms，频率为6Hz，离焦量为+10mm。

将得到的熔覆层用线切割切下，经耐磨性测试和耐蚀测试，得到结果显示熔覆层表层硬度可达650HV左右，较基体提高2倍左右，熔覆层的摩擦系数较基体小得多，熔覆层的磨损形貌较基体圆滑，熔覆层的磨损量为基体的1/3左右；熔覆层的的自腐蚀电位为-0.15V，自腐蚀电流密度为1.80×10^-6A/cm²；基体的自腐蚀电位为-0.57V，自腐蚀电流为9.79×10^-6A/cm²。综合结果表明熔覆层的硬度、耐磨性和耐腐蚀性相对于基体具有较大提高，说明表面性能得到提高。

实施例3

一、一种多主元合金粉末，以摩尔份数计，包括如下成分：10份Fe、10份Co、10份Cr、10份Al、10份Mn和10份Ni；所述多主元合金粉末的粒度为100~300目；所述Co、Cr、Al、Ni、Mn和Fe的纯度均≥99%。

二、上述多主元合金粉末用于在模具钢上制备熔覆层的方法，包括如下步骤：

1）用电子天平FA2004N按照上述配方配制多主元合金粉末，将配好的所述多主元合金粉末放入球磨机中混合6h；

2）用金相砂纸将5CrNiMo模具钢表面的氧化膜打磨掉，并用丙酮对打磨后的模具钢进行清洗；

3）配制质量浓度为0.5%的聚乙烯醇溶液，水浴加热，使聚乙烯醇完全溶解；将步骤1）球磨后的多主元合金粉末用质量浓度为0.5%的聚乙烯醇溶液调匀成糊状，将调成的糊浆预置在步骤2）处理后的模具钢表面形成预置熔覆层后，在烘箱中80℃真空干燥5h；其中，所述预置熔覆层的涂覆厚度为0.8mm；

4）用JJM-1GXY-800B型激光器对步骤3）5CrNiMo模具钢表面的预置熔覆层进行辐照，辐照过程中用惰性气体进行保护，得到熔覆层；其中，辐照过程中激光电流为200A，扫描速度为100mm/min，脉宽为6ms，频率为6Hz，离焦量为+9mm。

将得到的熔覆层用线切割切下，经耐磨性测试和耐蚀测试，得到结果显示熔覆层表层硬度可达640HV左右，较基体提高2倍左右，熔覆层的摩擦系数较基体小得多，熔覆层的磨损形貌较基体圆滑，熔覆层的磨损量为基体的1/3左右；熔覆层的的自腐蚀电位为-0.13V，自腐蚀电流密度为1.82×10^-6A/cm²；基体的自腐蚀电位为-0.57V，自腐蚀电流为9.79×10^-6A/cm²。综合结果表明熔覆层的硬度、耐磨性和耐腐蚀性相对于基体具有较大提高，说明表面性能得到提高。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。