專利名稱：生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于提高生物質燃料成型模具表面硬度(即提高其耐磨性)的技術，具體為一種生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝。
背景技術：
農作物秸桿是重要的可再生生物質資源，秸桿和生物質垃圾處理已經成為一個重大的社會問題。目前，秸桿綜合利用最佳途徑是將秸桿固化成型，制成高密度的燃料棒，作為工業或民用之燃料，俗稱“秸桿煤”。秸桿成型機是秸桿燃料成型的重要裝置，壓縮成型模 具是該機的關鍵工作部件。由于工作條件非常惡劣，如不進行強化，極易發生磨損，嚴重影響正常使用，維修成本也很高，嚴重影響秸桿燃料成型技術的應用和推廣。工作部件的使用壽命成為制約秸桿燃料成型設備和技術實用價值的決定性因素。為解決秸桿成型機工作部件的磨損問題，許多廠商嘗試采用各種強化工藝來來強化秸桿成型模具，但是這些工藝應用過程中往往存在這樣那樣的問題。如滲碳/氮，但是硬化層比較薄，起不到延長模具使用壽命的目的；熱噴涂硬質合金，其涂層與基體為機械結合，使用過程中受到較大的沖擊作用，所得涂層容易脫落；氬弧堆焊耐磨焊條，所得涂層表面粗糙度大，后續加工困難；采用激光熔覆的方法，雖能得到高硬度的涂層，但涂層硬度較高時，極易產生裂紋，此外在模具狹長的內表面進行強化，激光熔覆難以實現。

發明內容
為解決生物質燃料成型模具表面磨損嚴重問題，本發明的目的是提供一種生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝。采用本發明可以對生物質成型模具或一般模具表面進行粉末冶金強化處理，亦可對服役過程中發生嚴重磨損的模具進行幾何尺寸恢復的修復，更重要的是，與其它強化方式相比，該方法尤其適合異性面及模具狹長內表面的強化。本發明的技術方案是這樣實現的一種生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝，根據模具需強化部位面積及預強化涂層厚度稱取合適質量的粉末，該粉末為鈷/鎳基自熔性合金粉末與非金屬陶瓷粉末按比例混合的復合粉末，然后向該復合粉末內添加適量粘結成型劑，經真空攪拌充分混合，制得塑性粉末體，將該粉末體均勻涂于生物質燃料成型模具表面，經烘干，在真空爐內按照相應的升溫曲線進行粉末冶金強化，形成粉末冶金強化涂層。所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝，粉末冶金強化涂層硬度達到HRC50 70，涂層的厚度范圍可控，可以從O. 05mm 16mm( —般厚度為2mm以上)，涂層平滑光亮、無氣孔裂紋；涂層與葉片基體之間結合界面為冶金熔合，組織均勻，無冶金缺陷存在。所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝，粘結成型劑為常規技術，如=PMMA粘合劑(以聚甲基丙烯酸甲酯PMMA為基的粘結劑)、水基粘合劑(常規釬焊所用的水基粘結劑)、油基粘結劑或松香/松節油混合粘結劑等。所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝，涂層的施加方式為塑性粉末體預置法，合金粉末與粘結成型劑混合的重量比例為從95% 5%到80% 20%所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝，合金粉末與粘結成型劑的混合方式為采用真空攪拌的方式，攪拌過程中，攪拌器轉速為100 500轉/分，攪拌時真空度為10° KT1Pa,攪拌時間為5 30分鐘。所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝，烘干過程分為兩步，第一步50°c 200°C，1 3小時；第二步200°C 300°C，1 3小時。所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝，真空設備為具有按照程序升溫功能且具有較高真空度(10_2Pa以上)的真空爐。所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝，合金粉末采用鈷/鎳基自熔性合金粉末(鈷基自熔性合金粉末或鎳基自熔性合金粉末)與非金屬陶瓷粉末混合而成的復合粉末；其中，鈷/鎳基自熔性合金粉末和非金屬陶瓷粉末，混合的重量比例為從 80% 20%到 50% 50%。所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝，鈷基自熔性合金粉末可以為常用鈷基自熔性合金粉末(如(040、(042、(0428、(042(、(043或(050等)之一，鎳基自熔性合金粉末可以為常用鎳基自熔性合金粉末(如Ni20、Ni25、Ni35、Ν 45或Ni60等)之一，鈷基自熔性合金粉末、鎳基自熔性合金粉末的粒度為200目以下；非金屬陶瓷粉末可以為過渡非金屬陶瓷或難熔非金屬陶瓷(如碳化鉻、碳化鎢、碳化鈦、碳化鋯、碳化鑰、碳化硅、立方氮化硼或三氧化二鋁等)的非金屬陶瓷粉末之一，粉末粒度為200目以下。所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝，復合粉末采用機械滾動球磨或高能球磨制備。所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝，粉末冶金強化工藝為燒結溫度1100 1180°C，保溫I 30min后隨爐冷卻，加熱過程中真空度需維持在10 1Pa 10 3Pa0本發明的優點(I)本發明采用粉末冶金強化工藝，合金涂層的成分可根據需要調整，涂層的顯微硬度可在HV500 1300之間變化，這是其它涂層工藝難以達到的。(2)本發明粉末冶金強化工藝能較好地除掉顆粒表面的氧化膜，改善了非金屬陶瓷粉末同自熔合金的浸潤角，有利于粘結成型劑的徹底排除。(3)本發明不僅能對模具及易磨損機械零部件表面進行粉末冶金強化，還可以對模具異形表面及內表面進行強化，這是其它強化手段不易實現的。(4)本發明涂層的厚度范圍可控，可以從O. 05mm 16mm之間變化，薄涂層一般可作為防護作用，厚涂層一般作為耐磨涂層，可承受較大的沖擊載荷，涂層與基體牢固結合不易破碎。(5)本發明制備的涂層組織均勻，硬度分布均勻，不像激光束熔覆、電子束熔覆、聚焦光束熔覆和等離子束熔覆等技術易產生熔池內成分偏析、組織不均勻、熔池之間的搭接和涂層硬度不均勻等現象。在粉末冶金強化過程中，熔融狀態的涂層合金與基體可進行充分的相互擴散，在界面處形成牢固的冶金結合遠遠大于通過等離子、CVD、PVD等工藝制備的涂層。(6)本發明所用的粉末冶金強化設備比激光和等離子噴涂等設備簡單，可以通過熱電偶來精確控制粉末冶金強化溫度和時間來保證工藝質量。在降溫過程中采取分段保溫的方式，不僅保證晶粒細化滿足強度要求，同時有效地降低了殘余熱應力。
具體實施方式

本發明生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝，根據需涂層面積及預強化厚度稱取合適質量的粉末，該粉末采用鈷/鎳基自熔性合金粉末與非金屬陶瓷粉末按適當比例混合的復合粉末，然后將該粉末與適量的粘結成型劑經真空攪拌充分混合，均勻涂于生物質燃料成型模具表面，經烘干，在高真空爐內經粉末冶金強化；粉末冶金強化涂層硬度可達HRC50 70，厚度為2mm以上，涂層平滑光亮、無氣孔裂紋；其具體步驟如下(I)將模具內表面經充分打磨，可以采用金剛砂磨頭進行打磨，去除表面的氧化膜及油脂，然后再用酒精充分清洗模具內表面，用吹風機吹干。(2)經高能球磨機將鈷/鎳基自熔性合金粉末與非金屬陶瓷粉末充分混合，二者重量比例為從80% 20%到50% 50%，然后將該混合粉末與粘結成型劑經真空攪拌充分混合，二者重量比例為從95% 5%到80% 20%，得到塑性粉末體。(3)將得到的塑性粉末體均勻涂于模具內表面，粉末體厚度在O. 5 2. 5_之間自由控制，在馬弗爐內經2步烘干，第一步50°C 200°C，I 3小時；第二步200°C 300°C，I 3小時。(4)將烘干后的模具放于可編程具高真空度的真空爐內，按照預定程序進行升溫加熱，加熱過程中真空度需維持在KT1Pa 10_3Pa。燒結溫度1100 1180°C，保溫時間I 30min,后隨爐冷卻。實施例I某三柱塞式秸桿成型機模具為40Cr，該機壓縮成型設備由曲柄柱塞機構及料模等零部件組成，通過柱塞將秸桿原料壓入料模并成型。柱塞和料模是在較高溫度和壓力下工作的，柱塞、料模與秸桿始終處于干磨擦狀態，導致磨損速度非常快，工作5小時，局部磨損深度就達7mm。當磨損進行到一定程度時，柱塞與料模失去尺寸配合，成型就無法進行。采用鈷基自熔性合金粉末(本實施例中，鈷基自熔性合金的牌號是Co43)添加占鈷基自熔性合金粉末40%重量的碳化鶴陶瓷粉末經高能球磨制得混合粉末,混合粉末的粒度為200目，然后添加占混合粉末8%重量的PMMA粘合劑，經高速真空攪拌，轉速300轉/分，真空度為O. 5Pa，攪拌10分鐘，制備成塑性粉末體。然后均勻涂于模具內表面厚度約2mm，在馬弗爐內經2步烘干80°C烘干I小時，200°C烘干I小時，最后在真空爐內加熱到1150°C，保溫lOmin，后隨爐冷卻，加熱過程中真空度需維持在4X10_2Pa。最終，通過粉末冶金強化在模具內表面上形成厚2_左右的硬面層。經過著色檢測涂層無裂紋、氣孔，涂層與基體冶金結合，涂層硬度HRC65。該強化模具裝機運行后，與未強化模具相比使用壽命提高了近5倍。實施例2
與實施例I不同之處在于采用鈷基自熔性合金粉末(本實施例中，鈷基自熔性合金的牌號是Co40)添加占鈷基自熔性合金粉末50%重量的碳化鈦陶瓷粉末經高能球磨制得混合粉末,混合粉末的粒度為200目，然后添加占混合粉末10%重量的PMMA粘合劑，經高速真空攪拌，轉速200轉/分，真空度為O. 2Pa，攪拌20分鐘，制備成塑性粉末體。然后均勻涂于模具內表面厚度約2mm，在馬弗爐內經2步烘干100°C烘干2小時，220°C烘干2小時，最后在真空爐內加熱到11600C，保溫15min，后隨爐冷卻，加熱過程中真空度需維持在2 X 10_2Pa。最終，通過粉末冶金強化在模具內表面上形成厚2_左右的硬面層。經過著色檢測涂層無裂紋、氣孔，涂層與基體冶金結合，涂層硬度HRC65。該強化模具裝機運行后，與未強化模具相比使用壽命提高了近5倍。實施例3 某秸桿成型機模具沖頭材料為35CrNiMo，其工作過程中與烘干好的秸桿粉末在巨大推力作用下發生嚴重磨損，經過3 4小時工作，本來圓柱體形狀的沖頭變成了半球狀，生產效率變低，成品形狀不規則，難以繼續使用。采用鎳基自熔性合金(本實施例中，鎳基自熔性合金的牌號是Ni45)粉末添加占鎳基自熔性合金粉末30%重量的碳化鉻陶瓷粉末經機械混合制得復合粉末，混合粉末的粒度為200目，然后添加占混合粉末9%重量的水基粘結劑，經高速真空攪拌，轉速250轉/分，真空度為O. IPa,攪拌15分鐘，制備成塑性粉末體。將沖頭表面采用金剛石磨頭徹底打磨，去除氧化腐蝕產物。將混合好的塑性粉末體涂于磨損沖頭表面，涂抹后沖頭尺寸稍大于原始尺寸，在馬弗爐內經2步烘干90°C烘干I小時，300°C烘干I小時，經精細修整，在臥式真空爐內加熱到1150°C保溫5min，后隨爐冷卻，加熱過程中真空度需維持在4. 5X 10_2Pa。結果，通過粉末冶金強化使該沖頭恢復了原有尺寸。粉末冶金強化部位呈銀白色，經過著色檢測涂層無裂紋、氣孔，涂層硬度HRC62。試驗考核結果表明，與未強化模具相比使用壽命提高了近4倍。實施例4與實施例3不同之處在于采用鎳基自熔性合金(本實施例中，鎳基自熔性合金的牌號是Ni35)粉末添加占鎳基自熔性合金粉末60%重量的碳化錯陶瓷粉末經機械混合制得復合粉末,混合粉末的粒度為200目，然后添加占混合粉末7%重量的松香/松節油混合粘結劑(松香溶解在松節油中，松香占30wt % )，經高速真空攪拌，轉速400轉/分，真空度為O. 6Pa，攪拌30分鐘，制備成塑性粉末體。將沖頭表面采用金剛石磨頭徹底打磨，去除氧化腐蝕產物。將混合好的塑性粉末體涂于磨損沖頭表面，涂抹后沖頭尺寸稍大于原始尺寸，在馬弗爐內經2步烘干120°C烘干I小時，280°C烘干I小時，經精細修整，在臥式真空爐內加熱到1140°C保溫lOmin，后隨爐冷卻，加熱過程中真空度需維持在3. 0X10_2Pa。結果，通過粉末冶金強化使該沖頭恢復了原有尺寸。粉末冶金強化部位呈銀白色，經過著色檢測涂層無裂紋、氣孔，涂層硬度HRC62。試驗考核結果表明，與未強化模具相比使用壽命提高了近4倍。實施例結果表明，本發明粉末冶金強化涂層硬度可達HRC50 70，厚度為2mm以上，涂層平滑光亮、無氣孔裂紋；涂層與基體之間結合界面為冶金熔合，組織均勻，無明顯缺陷存在。優點涂層厚度可控，可在O. 0516mm之間變化，所得涂層成分均勻，可以在粉末冶金強化處理前精細修整，粉末冶金強化后加工余量小，涂層制備設備相對簡單，可對模具進 行全方位強化。
權利要求
1.一種生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料，其特征在于該材料包括鈷基自熔性合金粉末或鎳基自熔性合金粉末、非金屬陶瓷粉末和粘結成型劑，鈷基自熔性合金粉末或鎳基自熔性合金粉末與非金屬陶瓷粉末形成混合粉末，混合粉末與粘結成型劑混合的重量比例為從95% 5%到80% 20%，鈷基自熔性合金粉末或鎳基自熔性合金粉末與非金屬陶瓷粉末重量比例為80% 20%到50% 50%。
2.按照權利要求I所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料，其特征在于鈷基自熔性合金粉末、鎳基自熔性合金粉末的粒度為200目以下。
3.按照權利要求I所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料，其特征在于非金屬陶瓷粉末為過渡非金屬陶瓷或難熔非金屬陶瓷，粉末粒度為200以下。
4.按照權利要求I所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料，其特征在于粘結成型劑為以PMMA為基的粘合劑、水基粘合劑、油基粘結劑、松香/松節油混合粘結劑。
5.一種利用權利要求I所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層工藝，其特征在于，包括如下步驟 (1)根據模具需強化部位面積及預強化層厚度稱取合適質量的粉末，該粉末為鈷/鎳基自熔性合金粉末與非金屬陶瓷粉末按比例混合的復合粉末； (2)按比例向該復合粉末內添加粘結成型劑，經真空攪拌充分混合，制得塑性粉末體； (3)將該粉末體均勻涂于生物質燃料成型模具表面，經烘干，在真空爐內按照相應的升溫曲線進行粉末冶金強化，得到粉末冶金強化涂層。
6.按照權利要求5所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層工藝，其特征在于所述步驟(2)攪拌過程中，攪拌器轉速為100 500轉/分，攪拌時真空度為10° KT1Pa,攪拌時間為5 30分鐘。
7.按照權利要求5所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層工藝，其特征在于所述步驟(3)烘干過程分為兩步，第一步50°C 200°C，I 3小時；第二步200°C 300°C, I 3小時。
8.按照權利要求5所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層工藝，其特征在于所述步驟(3)粉末冶金強化工藝為燒結溫度1100 1180°C，保溫I 30min后隨爐冷卻，加熱過程中真空度需維持在KT1Pa 10_3Pa。
9.按照權利要求5所述的生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層工藝，其特征在于粉末冶金涂層達到硬度HRC50 70，涂層的厚度范圍可控，從0. 05mm 16mm，涂層平滑光亮、無氣孔裂紋；涂層與葉片基體之間結合界面為冶金熔合，組織均勻，無冶金缺陷存在。
全文摘要
本發明屬于提高生物質燃料成型模具表面硬度(即提高其耐磨性)的技術，具體為一種生物質燃料成型模具表面粉末冶金強化涂層材料與工藝，解決生物質燃料成型模具表面磨損嚴重問題。根據模具需強化部位面積及預強化層厚度稱取合適質量的粉末，該粉末為鈷/鎳基自熔性合金粉末與非金屬陶瓷粉末按比例混合的復合粉末；向該復合粉末內添加適量粘結成型劑，經真空攪拌充分混合，制得塑性粉末體；將該粉末體均勻涂于生物質燃料成型模具表面，經烘干，在真空爐內按照相應的升溫曲線進行粉末冶金強化。粉末冶金強化涂層硬度可達HRC50～70，厚度為2mm以上，涂層平滑光亮、無氣孔裂紋；涂層與基體之間結合界面為冶金熔合，組織均勻，無明顯缺陷存在。
文檔編號B22F7/08GK102626780SQ20121008088
公開日2012年8月8日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者周華茂, 王明生, 謝玉江, 韓旭 申請人:中國科學院金屬研究所