一种5CrNiMo 模具钢自润滑性梯度耐磨涂层及其制备方法

2023-03-29鞠辉李良晨蔡丽雯中国重汽集团工艺研究院

锻造与冲压 2023年5期

文／鞠辉，李良晨，蔡丽雯·中国重汽集团工艺研究院

Cr3C2、NiCr、SiC 材料具有高硬度、耐磨性、耐蚀性和组织稳定性，MoS2材料具有良好的润湿性及可采用等离子喷涂技术的特点，因此在5CrNiMo 热作模具钢基材表面制备Cr3C2-NiCr/SiC-MoS2颗粒增强热作模具钢材料涂层，得以实现涂层的自润滑功能以及成分梯度性，并提高热作模具钢的抗疲劳及耐磨性。

技术背景

伴随我国汽车行业的迅猛发展，重卡、中卡、轻卡等全系列商用车的需求迅猛增加，从而对汽车冲压模具的使用性能和寿命提出了更高的要求。模具的使用性能和寿命直接影响着汽车零部件的质量、加工成本和效率。在汽车制造业中，模具费用可占到零件产品成本的15%以上，因此，模具的使用寿命极其重要。同时经济全球化竞争日益激烈，降低模具维修及使用成本对于汽车等行业的发展迫在眉睫。

5CrNiMo 钢具有良好的韧性、强度和高耐磨性，属热作模具钢，室温下和500 ～600℃时的力学性能几乎相同，例如在加热到500℃时，仍能保持300HBW左右的硬度。该钢种适合制造各种形状复杂，冲击载荷大、工作温度较高、边长大于400mm 的大中型锤锻模及切边模，在重型汽车零部件的模具应用比较广泛。

5CrNiMo热锻模在工作环境中会承受巨大的冲击载荷，在反复加热和冷却过程中会引起不均匀的热应力和热应变，同时承受流动炽热金属与型腔表面的摩擦，因此其使用寿命较短，经常产生崩裂、塌陷、磨损、热疲劳等失效现象。锻模的主要失效形式之一是崩裂和型腔磨损，这是由于热锻模的韧性不足以及锻模型腔表面的耐磨性偏低，其中，70%的模具失效和废弃是模具磨损后直接或间接引起的。因此，迫切需要具备更优异抗疲劳性、耐磨性、可加工性以及良好组织稳定性的模具钢。

涂层制备方法

5CrNiMo模具钢自润滑性梯度耐磨及其制备方法是采用涂层成分设计、等离子喷涂等工艺，实现涂层成分梯度化、可自润滑性的耐磨涂层制备，满足了工业生产上对热作模具钢材料的性能要求。图层具体制备流程如下。

⑴涂层成分配比：以Cr3C2、NiCr、SiC、MoS2颗粒为原料，Cr3C2、NiCr 按照质量分数4∶1 配制，SiC、MoS2按照质量分数2∶1 配制。

⑵基体处理：将热作模具钢清洗干净并吹干后，表面用1000 目砂纸打磨，再进行喷砂处理，为下一步喷涂工艺做准备；喷砂工艺为：射吸式喷砂，70 ～80 目棕刚玉砂，喷砂角度60°，喷枪/工件相对移动速度40m/min，空气压力0.5MPa，喷砂距离300mm。

⑶混料：将称量的Cr3C2与NiCr 粉末放入到无水乙醇中并搅拌均匀，超声振荡处理后，在真空炉中保温，得到均匀混合的粉末颗粒；混料中超声振荡处理时间为5 ～10min；真空炉保温温度为60 ～80℃；保温时间为3h。

⑷加料：将混合好的Cr3C2-NiCr 粉末加入到等离子喷涂设备中，准备喷涂加工。

⑸等离子喷涂处理：采用等离子喷涂技术在5CrNiMo 热作模具钢表面喷涂Cr3C2-NiCr 涂层；喷涂电流为510 ～520A，喷涂电压50 ～55V，氩气流量为40L/min，氢气流量为3 ～6L/min，送粉率40g/min，喷涂距离为120～150mm，喷枪平移速率为200mm/s，重复喷涂4 次。

⑹混料：将称量的SiC 与MoS2粉末放入到无水乙醇并搅拌均匀，超声振荡处理后，在真空炉中保温，得到均匀混合的粉末颗粒，最后将均匀化混合处理后的涂层粉末加入到等离子喷涂设备中，准备喷涂加工；超声振荡处理时间为5 ～10min；真空炉保温温度为60 ～80℃；保温时间为3h。

⑺等离子喷涂处理：采用等离子喷涂技术在5CrNiMo 热作模具钢Cr3C2-NiCr 涂层表面进一步喷射SiC 与MoS2复合涂层。喷涂电流为510 ～520A，喷涂电压为50 ～55V，氩气流量为40L/min，氢气流量为3 ～6L/min，送粉率为40g/min，喷涂距离为120 ～150mm，喷枪平移速率为200mm/s，即可获得自润滑性的梯度耐磨成分的涂层。

以上所述步骤中Cr3C2、NiCr、SiC、MoS2颗粒纯度不小于99.9%。

采用等离子喷涂技术制备Cr3C2-NiCr/5CrNiMo热作模具钢材料涂层，采用模具型腔加工三维实体扫描路径进行喷涂，保证喷涂质量稳定；控制等离子喷涂参数使Cr3C2-NiCr 颗粒仅表面局部熔化，保证涂层与基体成分的层间结合良好，组织具有致密性。