本发明专利技术涉及一种模具钢基体碳化钨增强复合材料表面强化层及其制备工艺，属于表面材料制备及表面加工技术领域。表面强化层化学成分按重量百分比为：C：1.85-2.45，Si：2.90-3.85，Cr：12.45-15.25，B：3.10-3.65，W：7.55-8.50，Co：2.20-2.85，Fe：4.50-5.50，余量：Ni，喷焊层内的主要强化相有WC、Cr7C3、Ni4B3和Co7W6。采用等离子喷焊制备表面强化层的工艺：对H13钢基体表面清理；采用氩与氢的混合气体，制备得到厚度符合要求的喷焊层；控制每道间搭接量，获得的复合材料表面层可达到修复缺陷或强化基体作用，恢复并延长模具使用寿命。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种模具钢基体碳化钨增强复合材料表面强化层，属于表面材料制备及表面加工
技术介绍
目前，模具表面缺陷的修复或强化采用的是电弧堆焊、电火花沉积、电刷镀、激光熔覆或“喷涂+重熔”等工艺制备模具表面修复层或强化层。H13钢(美国牌号)是世界范围内普遍使用的强韧兼具的热作模具钢，相当于国内的4Cr5MoSiVl，日本的SKD61和德国的1.2344。因含有较高的碳和钒，该钢具有高的淬透性、抗热裂能力、良好的耐热性和热强性以及较高的抗回火稳定性。基于该钢良好的综合性能，在锤锻模、热挤压模和压铸模方面都得到了广泛应用。但由于热作模具钢的工作条件恶劣，不仅要反复经历高温-低温热循环作用，而且要承受较大的交变应力，使得模具表面常常因磨损或热疲劳产生缺陷，所以模具表面强化(延寿技术)与缺陷修复一直是相关企业要解决的关键技术问题之一(赵峰 表面工程技术在模具制造中的应用与进展.机械工程与自动化，2009 ，189-191)。模具表面强化延寿技术是在模具的型腔易损部位沉积一层耐磨改性层，改性后模具工作表面具有高的硬度，而内部仍具有良好的韧性，因而能够提高模具的使用性能，充分发挥模具材料的性能潜力。模具修复技术是对模具已损坏的部位进行修复，并使其恢复原状(形状和性能)，加工处理后的模具能继续使用，从而延长了模具的使用寿命。目前，常用的模具表面修复或强化的主要工程手段有电弧堆焊、电火花沉积、电刷镀和激光熔覆等方法(郭小燕等表面技术在模具修复中的应用进展.表面技术，2007，36 (6)，70-7 。在制备模具表面修复(强化)层的工艺方法中，电弧堆焊往往由于热输入量很大，在被修复模具上造成的热影响区很大，容易导致模具变形甚至开裂；电火花沉积方法，由于沉积层与基体的结合质量不确定，特别是孔隙率和致密性不连续，有些拟用的修复材料，如合金系统成分复杂，或对于高硬度、高强度材料，难以加工成电极要求的丝材或棒材，而且当修复量较大时，生产效率极低，修复成本很高(徐东等电火花表面处理技术在模具上的应用.装备制造技术，2010，4 =150-153)；对于电刷镀方法，镀层一般很薄，大都小于0. 3mm，而且因为镀层与基体的结合是一种机械结合，所以与基体结合强度较低，使以上各种方法的实际应用受到很大限制(赵玮霖等汽车模具的电刷镀和喷焊快速修复.模具工业，2007，33 ), 64-66)；激光熔覆法由于设备一次投资大，推广和应用还有一定困难(江胜波等激光熔覆修复报废锻压模具涂层组织与性能研究.材料热处理技术，2009 (38)，86-88)。
技术实现思路
专利技术的目的和要解决的问题通常热作模具的服役条件比较恶劣，由于模具材料长期承受热疲劳或交变应力作用而产生各种表面缺陷，本专利技术的一种模具钢基体碳化钨增强复合材料表面强化层及其制备工艺，是采用等离子喷焊技术在模具钢表面制备碳化钨增强的复合材料表面层，达到修复缺陷或强化基体的作用，恢复并延长模具的使用寿命。实现本专利技术的技术方案是—种模具钢基体碳化钨增强复合材料表面强化层，其化学成分按重量百分比为:C :1. 85-2. 45，Si :2. 90-3. 85，Cr :12. 45-15. 25，B :3. 10-3. 65，W :7. 55-8. 50，Co 2. 20-2. 85，Fe :4. 50-5. 50，余量:Ni，喷焊层内的主要强化相有 WC、Cr7C3、Ni4B3 和 Co7W6°一种用于上述模具钢基体碳化钨增强复合材料表面强化层的制备工艺，采用等离子喷焊，具体步骤如下a)准备模具钢基体材料，将表面用脱脂棉蘸丙酮擦拭去油；b)采用镍基自熔性合金粉末NiCrBSi混入重量比为10-20%的钴基碳化钨WC/Co 粉末，其中WC 88%, Co 12%，机械搅拌混合均勻后放入送粉器，喷焊粉末合金的总重量根据喷焊层的要求的厚度和面积确定；c)等离子喷焊系统采用的是氩与氢构成的混合气体，其中氢气的比例为 20% -25%，引燃等离子弧，调节电弧电流为23-25A，电压为35-38V，待电弧稳定后开始自动送粉喷焊，控制喷焊速度为15-20cm/min，送粉率为70-80g/min，保持喷焊距离为 15-20mm ；d)控制每道喷焊层间的搭接量约为20-25%，根据使用要求，可以进行多道、多层喷焊，喷焊层厚度可在较宽范围内(0.5mm-4mm)调整。保持喷焊参数稳定，可获得表面平整、组织均勻的表面强化层。本专利技术相对于现有技术具有以下优点和进步本专利技术采用等离子喷焊在模具钢基体表面制备碳化钨增强的复合材料强化层，由于该方法可以控制使用较小的电流，使热输入量大大降低，不仅使热影响区范围减小，而且使碳化钨作为硬质点增强相尽可能多地保留下来，与火焰喷焊或激光熔覆等方法制备的表面层相比，该表面层具有厚度控制方便，表面质量好，硬度高的特点，是一种理想的模具表面缺陷修复方法或强化手段。采用“热喷涂+重熔”工艺或电弧粉末堆焊工艺，也可以制备类似的表面层，但由于重熔过程会导致较大的热输入，不仅使热影响区范围扩大，而且会熔化掉大部分涂层内的碳化钨增强相，严重削弱其强化作用。附图说明图1H13钢基体碳化钨增强的复合材料表面层。图1 (a)喷焊层与基体的界面组织。图1(b)喷焊层的组织图2H13钢基体碳化钨增强的复合材料表面层XRD分析。 具体实施例方式本专利技术是采用等离子喷焊工艺配合特定化学成分的粉体材料镍基自熔性合金与钴基碳化钨的混合物，其粒度范围为45 μ m-85 μ m,在模具钢表面制备复合材料强化层，该强化层的化学成分(按重量百分比)为=C 2. 56, Si 4. 82, Cr :14. 75,B 3. 45,ff 8. 10, Co 2. 56, Fe 4. 62，余量:Ni，喷焊层内的主要强化相有WC、Cr7C3、Ni4B3和Co7W6等；与传统工艺4制备的复合材料涂层相比，采用本专利技术制备的复合材料涂层具有组织均勻，强化相易于在喷焊粉末中添加并在所获涂层中得以保留，且在保持基体热影响区相对较窄的条件下可获得较大的涂层厚度。本专利技术的主要工艺是1)对H13钢基体表面进行清理，用丙酮等溶剂去除油污；2)等离子喷焊系统采用的是氩与氢构成的混合气体，其中氢气的比例为 20% -25%,电流调节为23-25A，待电弧稳定后开始自动送粉喷焊，控制喷枪移动速度 (15cm-20cm/min.)与送粉率(70-80g/min)，根据使用要求，可以进行多道、多层喷辉，喷焊层的厚度可在较宽范围内(0.5mm-4mm)调整；与采用传统表面工程方法制备涂层相比，该喷焊层具有化学成分均勻、厚度易于控制和结合强度高的特点；3)控制每一道喷焊层间的搭接量为20-25%，使表面喷焊层光滑、平整；4)金相分析表明，喷焊层与基体界面处存在冶金反应，联生结晶形成的柱状晶垂直于界面生长，属于典型的冶金结合，确保了喷焊层与基体之间的结合强度，参阅图1(a) 所示。XRD衍射(参阅图幻分析发现，表面喷焊层内的主要强化相有WC、Cr7C3、Ni4 *Co7W6 等，镶嵌在基体上，参阅图1(b)所示。本专利技术的具体工艺步骤是a)准备模具钢基体材料，将表面用脱脂棉蘸丙酮擦拭去油；并把镍基自熔性合金粉末NiCrBSi混入重量比分别本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种模具钢基体碳化钨增强复合材料表面强化层，其特征在于，其化学成分按重量百分比为：Ｃ：１．８５－２．４５，Ｓｉ：２．９０－３．８５，Ｃｒ：１２．４５－１５．２５，Ｂ：３．１０－３．６５，Ｗ：７．５５－８．５０，Ｃｏ：２．２０－２．８５，Ｆｅ：４．５０－５．５０，余量：Ｎｉ，喷焊层内的主要强化相有ＷＣ、Ｃｒ７Ｃ３、Ｎｉ４Ｂ３和Ｃｏ７Ｗ６。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王文权，卢宝胜，宫文彪，黄诗铭，尤群，
申请(专利权)人：吉林大学，一汽铸造有限公司，
类型：发明
国别省市：82
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