一種5CrNiMo 模具鋼自潤滑性梯度耐磨涂層及其制備方法

文／鞠輝，李良晨，蔡麗雯·中國重汽集團(tuán)工藝研究院

Cr3C2、NiCr、SiC 材料具有高硬度、耐磨性、耐蝕性和組織穩(wěn)定性，MoS2材料具有良好的潤濕性及可采用等離子噴涂技術(shù)的特點，因此在5CrNiMo 熱作模具鋼基材表面制備Cr3C2-NiCr/SiC-MoS2顆粒增強熱作模具鋼材料涂層，得以實現(xiàn)涂層的自潤滑功能以及成分梯度性，并提高熱作模具鋼的抗疲勞及耐磨性。

技術(shù)背景

伴隨我國汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，重卡、中卡、輕卡等全系列商用車的需求迅猛增加，從而對汽車沖壓模具的使用性能和壽命提出了更高的要求。模具的使用性能和壽命直接影響著汽車零部件的質(zhì)量、加工成本和效率。在汽車制造業(yè)中，模具費用可占到零件產(chǎn)品成本的15%以上，因此，模具的使用壽命極其重要。同時經(jīng)濟全球化競爭日益激烈，降低模具維修及使用成本對于汽車等行業(yè)的發(fā)展迫在眉睫。

5CrNiMo 鋼具有良好的韌性、強度和高耐磨性，屬熱作模具鋼，室溫下和500 ～600℃時的力學(xué)性能幾乎相同，例如在加熱到500℃時，仍能保持300HBW左右的硬度。該鋼種適合制造各種形狀復(fù)雜，沖擊載荷大、工作溫度較高、邊長大于400mm 的大中型錘鍛模及切邊模，在重型汽車零部件的模具應(yīng)用比較廣泛。

5CrNiMo熱鍛模在工作環(huán)境中會承受巨大的沖擊載荷，在反復(fù)加熱和冷卻過程中會引起不均勻的熱應(yīng)力和熱應(yīng)變，同時承受流動熾熱金屬與型腔表面的摩擦，因此其使用壽命較短，經(jīng)常產(chǎn)生崩裂、塌陷、磨損、熱疲勞等失效現(xiàn)象。鍛模的主要失效形式之一是崩裂和型腔磨損，這是由于熱鍛模的韌性不足以及鍛模型腔表面的耐磨性偏低，其中，70%的模具失效和廢棄是模具磨損后直接或間接引起的。因此，迫切需要具備更優(yōu)異抗疲勞性、耐磨性、可加工性以及良好組織穩(wěn)定性的模具鋼。

涂層制備方法

5CrNiMo模具鋼自潤滑性梯度耐磨及其制備方法是采用涂層成分設(shè)計、等離子噴涂等工藝，實現(xiàn)涂層成分梯度化、可自潤滑性的耐磨涂層制備，滿足了工業(yè)生產(chǎn)上對熱作模具鋼材料的性能要求。圖層具體制備流程如下。

⑴涂層成分配比：以Cr3C2、NiCr、SiC、MoS2顆粒為原料，Cr3C2、NiCr 按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)4∶1 配制，SiC、MoS2按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)2∶1 配制。

⑵基體處理：將熱作模具鋼清洗干凈并吹干后，表面用1000 目砂紙打磨，再進(jìn)行噴砂處理，為下一步噴涂工藝做準(zhǔn)備；噴砂工藝為：射吸式噴砂，70 ～80 目棕剛玉砂，噴砂角度60°，噴槍/工件相對移動速度40m/min，空氣壓力0.5MPa，噴砂距離300mm。

⑶混料：將稱量的Cr3C2與NiCr 粉末放入到無水乙醇中并攪拌均勻，超聲振蕩處理后，在真空爐中保溫，得到均勻混合的粉末顆粒；混料中超聲振蕩處理時間為5 ～10min；真空爐保溫溫度為60 ～80℃；保溫時間為3h。

⑷加料：將混合好的Cr3C2-NiCr 粉末加入到等離子噴涂設(shè)備中，準(zhǔn)備噴涂加工。

⑸等離子噴涂處理：采用等離子噴涂技術(shù)在5CrNiMo 熱作模具鋼表面噴涂Cr3C2-NiCr 涂層；噴涂電流為510 ～520A，噴涂電壓50 ～55V，氬氣流量為40L/min，氫氣流量為3 ～6L/min，送粉率40g/min，噴涂距離為120～150mm，噴槍平移速率為200mm/s，重復(fù)噴涂4 次。

⑹混料：將稱量的SiC 與MoS2粉末放入到無水乙醇并攪拌均勻，超聲振蕩處理后，在真空爐中保溫，得到均勻混合的粉末顆粒，最后將均勻化混合處理后的涂層粉末加入到等離子噴涂設(shè)備中，準(zhǔn)備噴涂加工；超聲振蕩處理時間為5 ～10min；真空爐保溫溫度為60 ～80℃；保溫時間為3h。

⑺等離子噴涂處理：采用等離子噴涂技術(shù)在5CrNiMo 熱作模具鋼Cr3C2-NiCr 涂層表面進(jìn)一步噴射SiC 與MoS2復(fù)合涂層。噴涂電流為510 ～520A，噴涂電壓為50 ～55V，氬氣流量為40L/min，氫氣流量為3 ～6L/min，送粉率為40g/min，噴涂距離為120 ～150mm，噴槍平移速率為200mm/s，即可獲得自潤滑性的梯度耐磨成分的涂層。

以上所述步驟中Cr3C2、NiCr、SiC、MoS2顆粒純度不小于99.9%。

采用等離子噴涂技術(shù)制備Cr3C2-NiCr/5CrNiMo熱作模具鋼材料涂層，采用模具型腔加工三維實體掃描路徑進(jìn)行噴涂，保證噴涂質(zhì)量穩(wěn)定；控制等離子噴涂參數(shù)使Cr3C2-NiCr 顆粒僅表面局部熔化，保證涂層與基體成分的層間結(jié)合良好，組織具有致密性。

生產(chǎn)實例

以4000t 摩擦壓力機生產(chǎn)的兩種底板為例，5CrNiMo 作為模具基體材料，設(shè)計兩組對比試驗，一組為不噴涂層，另一組在表面分別噴涂Cr3C2-NiCr/SiC-MoS2作為熱作模具鋼材料涂層(圖1)。材料在感應(yīng)爐中加熱至1250℃，經(jīng)預(yù)鍛、終鍛、切邊等工序完成兩種底板的批量生產(chǎn)驗證。

圖1 兩種噴涂層處理后的模具

批量生產(chǎn)兩種底板進(jìn)行驗證，模具壽命由3850件分別提升至4536 件、4583 件，分別提升17.8%、19.1%。

有益效果

⑴采用具有高硬度、耐磨性、耐蝕性和組織穩(wěn)定性的Cr3C2、NiCr 復(fù)合成分，實現(xiàn)涂層的高耐磨性；采用控制等離子噴涂參數(shù)使Cr3C2-NiCr 顆粒僅表面局部熔化，而5CrNiMo 合金全部熔化，實現(xiàn)涂層層間結(jié)合良好，組織致密性的耐磨涂層制備。

⑵采用高硬度、耐磨性、耐蝕性和組織穩(wěn)定性的SiC 與良好的潤濕潤滑性的MoS2復(fù)合成分涂層，實現(xiàn)涂層的自潤滑性功能。

⑶經(jīng)Cr3C2-NiCr/SiC-MoS2耐磨涂層的作用，可使5CrNiMo 材料模具壽命顯著提升。

⑷根據(jù)GB/T 8642-2002《熱噴涂抗拉結(jié)合強度的測定》測試制得的自潤滑性的梯度耐磨涂層的結(jié)合強度為47MPa 左右。

⑸在Cr3C2-NiCr/5CrNiMo 熱作模具鋼上進(jìn)一步制備SiC 與MoS2復(fù)合成分的涂層，實現(xiàn)涂層的耐磨與自潤滑的雙功能性，實現(xiàn)材料服役過程中實際工況下出現(xiàn)磨損后的快速自潤滑以降低磨損性的需求，并通過控制工藝參數(shù)，實現(xiàn)涂層的成分梯度變化。