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、耐蝕性和組織穩定性，MoS2材料具有良好的潤濕性及可采用等離子噴涂技術的特點，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。

技術背景

伴隨我國汽車行業的迅猛發展，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量、加工成本和效率。在汽車制造業中，模具費用可占到零件產品成本的15%以上，因此，模具的使用壽命極其重要。同時經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的發展迫在眉睫。

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用比較廣泛。

5CrNiMo熱鍛模在工作環境中會承受巨大的沖擊載荷，在反復加熱和冷卻過程中會引起不均勻的熱應力和熱應變，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，經常產生崩裂、塌陷、磨損、熱疲勞等失效現象。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，迫切需要具備更優異抗疲勞性、耐磨性、可加工性以及良好組織穩定性的模具鋼。

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計、等離子噴涂等工藝，實現涂層成分梯度化、可自潤滑性的耐磨涂層制備，滿足了工業生產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 按照質量分數4∶1 配制，SiC、MoS2按照質量分數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，再進行噴砂處理，為下一步噴涂工藝做準備；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備中，準備噴涂加工。

⑸等離子噴涂處理：采用等離子噴涂技術在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備中，準備噴涂加工；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在5CrNiMo 熱作模具鋼Cr3C2-NiCr 涂層表面進一步噴射SiC 與MoS2復合涂層。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行噴涂，保證噴涂質量穩定；控制等離子噴涂參數使Cr3C2-NiCr 顆粒僅表面局部熔化，保證涂層與基體成分的層間結合良好，組織具有致密性。

生產實例

以4000t 摩擦壓力機生產的兩種底板為例，5CrNiMo 作為模具基體材料，設計兩組對比試驗，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)。材料在感應爐中加熱至1250℃，經預鍛、終鍛、切邊等工序完成兩種底板的批量生產驗證。

圖1 兩種噴涂層處理后的模具

批量生產兩種底板進行驗證，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、耐蝕性和組織穩定性的Cr3C2、NiCr 復合成分，實現涂層的高耐磨性；采用控制等離子噴涂參數使Cr3C2-NiCr 顆粒僅表面局部熔化，而5CrNiMo 合金全部熔化，實現涂層層間結合良好，組織致密性的耐磨涂層制備。

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

⑶經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GB/T 8642-2002《熱噴涂抗拉結合強度的測定》測試制得的自潤滑性的梯度耐磨涂層的結合強度為47MPa 左右。

⑸在Cr3C2-NiCr/5CrNiMo 熱作模具鋼上進一步制備SiC 與MoS2復合成分的涂層，實現涂層的耐磨與自潤滑的雙功能性，實現材料服役過程中實際工況下出現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，實現涂層的成分梯度變化。