使用高速氧燃料熱噴涂和等離子體離子滲氮用于模具補(bǔ)整和修復(fù)的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于模具補(bǔ)整和修復(fù)的方法和系統(tǒng)，使用高速氧燃料（HVOF）熱噴涂和等離子體離子滲氮以補(bǔ)整導(dǎo)致形成車輛門之處的細(xì)微彎曲的壓模模具的特定部位（損壞部分）以將其修復(fù)至其初始狀態(tài)。本發(fā)明還提供一種使用HVOF熱噴涂的涂層厚度量化技術(shù)，可以以循環(huán)方式精確補(bǔ)整導(dǎo)致形成車輛門之處的細(xì)微彎曲的模具的損壞部分。在進(jìn)行HVOF熱噴涂之后使用等離子體離子滲氮可以將模具的表面氮化，使得該模具的表面硬化從而可以極大地改善模具的耐磨性和耐疲勞性并且可以提高模具的硬面堆焊或堆焊效率。
【專利說明】使用高速氧燃料熱噴涂和等離子體離子滲氮用于模具補(bǔ)整和修復(fù)的方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及使用高速氧燃料(HVOF)熱噴涂和等離子體離子滲氮用于模具補(bǔ)整和修復(fù)的方法及系統(tǒng)，并且更具體地，涉及使用HVOF熱噴涂和等離子體離子滲氮用于模具補(bǔ)整和修復(fù)的方法及系統(tǒng)，由此可以將在車輛的車門處促使形成細(xì)微彎曲的壓模模具的特定部位(損壞部分)補(bǔ)整和修復(fù)至其初始狀態(tài)。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)將車輛設(shè)計(jì)視為與性能同等重要以滿足消費(fèi)者的需求。因此，存在對(duì)于開發(fā)硬成形生產(chǎn)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)車輛的復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)的需要。
[0003]一個(gè)這樣的實(shí)例是使用壓模模具制造的車輛蓋板(覆蓋件)。
[0004]然而，當(dāng)使用壓模模具制造車輛的蓋板時(shí)，歸因于由模具表面的損壞部分在車輛蓋板上形成的張力平衡差，在車輛的蓋板上會(huì)出現(xiàn)缺陷，如細(xì)微的彎曲(參見圖1)。
[0005]因此，作為用于補(bǔ)整在蓋板上形成的細(xì)微彎曲的相關(guān)技術(shù)的實(shí)例，實(shí)施了一種補(bǔ)整(修補(bǔ))方法，由此通過使用焊條在模具的損壞部分處進(jìn)行硬面焊接(hardfacingwelding)或堆焊(overlay welding),如弧焊,將模具的損壞部分修復(fù)至其初始形狀。
[0006]然而，當(dāng)在模具 的損壞部分上進(jìn)行焊接時(shí)，難以控制焊接厚度，并且發(fā)生基底的熱變形，并且用于硬面堆焊或堆焊時(shí)間很長(zhǎng)，并且需要許多補(bǔ)整號(hào)碼以在模具的損壞部分形成精確的尺寸。
[0007]此外，通過硬面堆焊或堆焊如弧焊修復(fù)的模具表面被鍍鉻。然而，并不易于控制鉻鍍層的厚度，并且由于鍍層厚度所導(dǎo)致的表面硬度差，當(dāng)加熱模具和在壓模工作期間使用強(qiáng)壓重復(fù)進(jìn)行數(shù)千次垂直操作時(shí)，鍍層不可避免地發(fā)生剝離，并且應(yīng)該定期重新鍍覆模具。
[0008]在400°C或更高溫度下很難使用這樣的鍍鉻法，并且由于具有比砷(As)或鎘(Cd)毒性更強(qiáng)的致癌物質(zhì)如Cr6+，在制造期間可能會(huì)發(fā)生環(huán)境問題。
[0009]為了解決使用硬面堆焊或堆焊的模具補(bǔ)整法的上述缺點(diǎn)，在韓國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?0-2001-0067981 (公布于2011年6月22日)中公開了一種修補(bǔ)技術(shù)，該技術(shù)通過在預(yù)定高度重復(fù)進(jìn)行向模具的損壞部分供給金屬粉末、以高速度向模具的損壞部分照射具有低熱輸入激光束以形成熔融部分和同時(shí)地由冷空氣快速冷卻熔融部分的操作，使模具的損壞部分形成具有高強(qiáng)度合金。
[0010]然而，使用具有低熱輸入的激光束的用于修補(bǔ)模具局部部分的這項(xiàng)技術(shù)修復(fù)技術(shù)克服了硬面堆焊或堆焊如弧焊的缺點(diǎn)；然而，由于金屬粉末的一次堆疊高度在0.8mm至
1.2mm的范圍內(nèi)，因此該技術(shù)并不適合用于需要以微米為單位的補(bǔ)整技術(shù)的模具的細(xì)微彎曲補(bǔ)整，并且歸因于由形成高強(qiáng)度合金的另外的快速冷卻工藝引起的制造成本和硬面堆焊或堆焊時(shí)間的增加，降低了效率。
[0011]作為根據(jù)相關(guān)技術(shù)的另一種模具修復(fù)方法，在韓國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?0-2007-0107966(公布于2007年11月8日)中公開了包括離子氮化表面的模具修復(fù)方法。[0012]然而，剛剛接受包括通過由生態(tài)友好的離子滲氮技術(shù)代替使用根據(jù)相關(guān)技術(shù)鍍鉻的模具修復(fù)方法形成的離子氮化表面。在上述參考文獻(xiàn)中并未公開硬面堆焊或堆焊層的詳細(xì)材料和模具的類型以及離子滲氮工藝的具體條件和它們的詳細(xì)步驟，因此模具修復(fù)的結(jié)果是無意義的。
[0013]至于其它相關(guān)技術(shù)，使用了鎢惰性氣體(TIG)焊接或混合物粉末涂覆法來修復(fù)使用熱噴涂成形鋼制造的模具，或使用了通過在使用熱噴涂成形鋼制造的模具的修復(fù)部分上形成低溫噴涂層并且隨后通過進(jìn)行電焊或低溫噴霧堆疊方法部分進(jìn)行硬面堆焊或堆焊的技術(shù)。
[0014]然而，其中還沒有將使用噴霧涂層堆疊的部分補(bǔ)整技術(shù)施用于使用球墨鑄鐵(含有少量鎂(Mg)的材料的先例，其中石墨以球狀形式存在并相比于普通灰鑄鐵改善了強(qiáng)度和柔韌性)為基底制造的壓模模具。因此，迫切需要開發(fā)使用球墨鑄鐵制造的模具的部分補(bǔ)整方法。
[0015]在【背景技術(shù)】部分公開的信息僅用于增強(qiáng)本發(fā)明一般背景的理解，而不應(yīng)當(dāng)作這些信息認(rèn)為是肯定或任何形式的建議本【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員已經(jīng)公知的現(xiàn)有技術(shù)的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明提供了使用高速氧燃料(HVOF)熱噴涂和等離子體離子滲氮用于模具補(bǔ)整和修復(fù)的方法和系統(tǒng)，由此使用HVOF熱噴涂在車輛門之處導(dǎo)致形成細(xì)微彎曲的使用球墨鑄鐵制造的壓模模具的特定部位(損壞部分)上通過堆疊鐵合金粉末來硬面堆焊或堆焊模具的特定部分，硬面堆焊或堆焊部分被離子滲氮以在模具的表面上形成氮化層，并且同時(shí)地，直至達(dá)到由鐵合金粉末形成的涂層的深部形成氮擴(kuò)散層從而可以極大改善模具的耐磨性和耐疲勞性并且可以提高球墨鑄鐵制造的模具的硬面堆焊或堆焊效率。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了使用高速氧燃料(HVOF)熱噴涂和等離子體離子滲氮用于模具補(bǔ)整和修復(fù)的方法，該方法包括:使用HVOF熱噴涂，在將球墨鑄鐵用作基底的壓模模具的損壞部分上形成鐵合金粉末涂層；和通過使用等離子體離子滲氮使該壓模模具的涂層表面滲氮在該涂層上形成氮化層。
[0018]由于模具使用球墨鑄鐵作為基底，在HVOF熱噴涂中使用的涂層材料可以是選自由通用鐵合金FE-101粉末、FE-206粉末、和FE-108粉末組成的組的材料。
[0019]鐵合金粉末可以具有25 μ m至35 μ m范圍內(nèi)的平均直徑。
[0020]該方法可以進(jìn)一步包括將控制模具損壞部分表面的表面粗糙度作為進(jìn)行HVOF熱噴涂之前的預(yù)處理過程。
[0021]可以使用噴砂進(jìn)行控制表面粗糙度，并且可以控制表面粗糙度以滿足等式Ra=5.63±0.41 μ m 或更高。
[0022]可以在其中通過調(diào)節(jié)氧氣流和燃料流的增/減而優(yōu)化的粉末粒子的熔化溫度的條件下進(jìn)行HVOF熱噴涂。
[0023]特別地，使用等離子體離子滲氮在鐵合金粉末涂層之上可以形成具有17μπι至50 μ m的厚度的氮化層。
[0024]氮化層可以包括在涂層的深部形成的氮擴(kuò)散層和在氮擴(kuò)散層的較上部之上組成模具表面的、包含CrN、Fe4N和Fe2_3N的氮化合物層。[0025]該方法可以進(jìn)一步包括，在進(jìn)行等離子體離子滲氮之前，打磨涂層表面上達(dá)至#1000至#2000并使用乙醇超聲清洗從該涂層除去雜質(zhì)。
[0026]可以根據(jù)模具的使用環(huán)境和要求條件通過調(diào)節(jié)決定氮化層組織和深度的時(shí)間、溫度、電壓和氣體比率來進(jìn)行等離子體離子滲氮。
[0027]由結(jié)合于本文中的附圖，和用于解釋本發(fā)明某些原理的隨后的詳細(xì)說明，本發(fā)明的方法和裝置具有的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)顯而易見或更詳細(xì)地呈現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是示出其中在使用壓模模具制造的車輛門蓋板處形成的細(xì)微彎曲的實(shí)例的圖像；
[0029]圖2是根據(jù)本發(fā)明使用高速氧燃料(HVOF)熱噴涂和等離子體離子滲氮的模具的涂層的示例性層疊結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0030]圖3是用于形成模具和涂層之間的致密界面的球墨鑄鐵的表面粗糙度的圖示說明；
[0031]圖4是在模具(球墨鑄鐵)上涂覆的鐵合金粉末的堆疊實(shí)例、涂層和模具之間的粘附力和根據(jù)其表面粗糙度的粘結(jié)強(qiáng)度的圖像；
[0032]圖5A，5B和5C是示出根據(jù)本發(fā)明的鐵合金粉末的涂層厚度的量化實(shí)例的曲線圖；
[0033]圖6是根據(jù)本發(fā)明的示例性等離子體離子滲氮方法的圖示說明；
[0034]圖7是根據(jù)本發(fā)明在等離子體離子滲氮過程完成之后待修復(fù)的示例性模具橫截面的氮擴(kuò)散層的剖視圖；
[0035]圖8是根據(jù)本發(fā)明在等離子體離子滲氮過程完成之后待修復(fù)的模具涂層橫截面的顯微硬度的示例性分布曲線圖；和
[0036]圖9是在根據(jù)本發(fā)明的HVOF熱噴涂中所用的噴槍的示例性結(jié)構(gòu)的示意圖。【具體實(shí)施方式】
[0037]現(xiàn)在將對(duì)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)具體說明，在附圖中圖示說明并將如下描述其實(shí)施例。盡管將結(jié)合示例性實(shí)施方式描述本發(fā)明，但將理解的是本說明書并不意在將本發(fā)明限制于這些示例性的實(shí)施方式。與此相反，本發(fā)明意在不僅覆蓋這些示例性實(shí)施方式，還覆蓋各種替代、修改、等價(jià)形式和其它實(shí)施方式，這些都可以包括于如由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
[0038]本發(fā)明提供了涂層厚度量化技術(shù)，由此可以使用高速氧燃料(HVOF)熱噴涂、以循環(huán)方式精確補(bǔ)整導(dǎo)致在車輛門之處形成細(xì)微彎曲的由球墨鑄鐵制成的壓模模具的損壞部分。本發(fā)明還提供了使用HVOF熱噴涂和等離子體離子滲氮用于模具補(bǔ)整和修復(fù)的方法和系統(tǒng)，由此在HVOF熱噴涂之后使用等離子體離子滲氮完成使模具的表面氮化，以使該模具的表面硬化從而可以極大改善該模具的耐磨性和耐疲勞性并且可以提高模具的硬面堆焊或堆焊的效率。
[0039]為此，首先，選擇適合作為壓模模具基底的球墨鑄鐵的涂層粉末。
[0040] 作為在HVOF熱噴涂中使用的涂層材料的常用的鐵合金(不銹鋼)組，表現(xiàn)了與作為壓模模具基底的球墨鑄鐵的相互適合性和相比于基底的高機(jī)械特性(硬度，耐磨性和粘接強(qiáng)度)并且在下列表1中示出，考慮到完成涂覆之后的表面氮化，可以選擇使用。
[0041]表1
[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種用于模具補(bǔ)整和修復(fù)的方法，所述方法包括: 使用高速氧燃料(HVOF)熱噴涂在其中將球墨鑄鐵用作基底的壓模模具的損壞部分上形成鐵合金粉末涂層；和 使用等離子體離子滲氮通過使所述壓模模具的涂層表面氮化在所述涂層上形成氮化層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述鐵合金粉末具有在25μ m至35 μ m范圍內(nèi)的平均直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述模具包括球墨鑄鐵基底，并且其中在HVOF熱噴涂中使用的涂層材料選自由鐵合金FE-101粉末、FE-206粉末、和FE-108粉末組成的組。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述鐵合金粉末具有在25μ m至35 μ m范圍內(nèi)的平均直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將控制所述模具損壞部分表面的表面粗糙度作為進(jìn)行HVOF熱噴涂之前的預(yù)處理過程。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，使用噴砂進(jìn)行所述控制表面粗糙度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，控制所述表面粗糙度以滿足所述等式Ra=5.63±0.41 μ m 或更高。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過調(diào)節(jié)氧氣流和燃料流的增/減來控制粉末粒子的熔化溫度來進(jìn)行HVOF熱噴涂。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，使用圓筒形4"噴槍、相對(duì)于模具基底14"的噴涂距離、300mm/s的噴涂速度、5mm的噴涂斜度、76g/min的噴涂速率,1800標(biāo)準(zhǔn)立方英尺每小時(shí)(scfh)的氧氣流量、5.1加侖/h (gph)的燃料流量、和20±2scfh的載氣(N2)進(jìn)行HVOF熱噴涂。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氮化層包括在所述涂層的深部形成的氮擴(kuò)散層和在所述氮擴(kuò)散層的較上部分之上構(gòu)成所述模具表面的包含CrN、Fe4N和Fe2_3N的氮化合物層。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用等離子體離子滲氮在所述鐵合金粉末涂層上形成具有17 μ m至50 μ m厚度的氮化層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述氮化層包含在所述涂層的深部形成的氮擴(kuò)散層和在所述氮擴(kuò)散層的上部之上構(gòu)成所述模具表面的包含CrN、Fe4N和Fe2_3N的氮化合物層。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括，在進(jìn)行等離子體離子滲氮之前，打磨所述涂層表面上達(dá)至#1000至#2000并使用乙醇超聲清洗從所述涂層除去雜質(zhì)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，根據(jù)所述模具的使用環(huán)境和要求條件，通過調(diào)節(jié)決定所述氮化層的組織和深度的時(shí)間、溫度、電壓和氣體比率進(jìn)行等離子體離子滲氮。
15.一種用于模具補(bǔ)整和修復(fù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 使用HVOF熱噴涂在其中將球墨鑄鐵用作基底的壓模模具的損壞部分上形成鐵合金粉末涂層的高速氧燃料(HVOF)熱噴涂涂覆單元；和 使用等離子體離子滲氮通過使所述壓模模具的涂層表面氮化用于在所述涂層上形成氮化層的等離子體離子滲氮單元。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于將控制所述模具損壞部分表面的表面粗糙度作為在進(jìn)行HVOF熱噴涂之前的預(yù)處理過程的表面粗糙度控制器。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括，在使用所述等離子體離子滲氮單元進(jìn)行氮化之前，用于將所述涂層表面打磨上達(dá)至#1000至#2000的打磨單元和使用乙醇超聲清洗從所述涂層除去雜質(zhì)的清洗單元。
【文檔編號(hào)】C23C8/38GK104032258SQ201310398151
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月5日
【發(fā)明者】姜喆浩, 全常煥, 金得龍, 樸加映, 裵規(guī)烈, 李昌禧 申請(qǐng)人:起亞自動(dòng)車株式會(huì)社, 漢陽大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)