一種修復(fù)和強(qiáng)化熱作模具表面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種修復(fù)和強(qiáng)化熱作模具表面的方法，特別是一種利用激光熔覆鈷包 碳化鎢強(qiáng)化鈷基合金涂層修復(fù)模具表面的方法，屬于模具表面強(qiáng)化領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 模具使用性能，特別是使用壽命會直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、加工效率和加工成本，同時(shí) 影響著產(chǎn)品的市場競爭力。熱模鍛沖壓成形工作溫度范圍主要集中在800-1000°C，對模具 刃口要求高。為提高模具的使用壽命，主要采用電弧堆焊的方法在模具刃口處開槽堆焊鈷 基合金進(jìn)行強(qiáng)化。目前，該工藝存在模具與加工工藝不匹配的問題，不能滿足實(shí)際工況的使 用要求，嚴(yán)重制約了高品質(zhì)鍛件產(chǎn)品的生產(chǎn)，成為企業(yè)發(fā)展亟待解決的技術(shù)難題。其缺點(diǎn)主 要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
[0003] (1)單一鈷基合金耐磨性和抗熱疲勞性能不能滿足工況要求，模具使用壽命短；
[0004] (2)采用電弧堆焊，工藝水平低，加工精度差，模具熱變形嚴(yán)重；
[0005] (3)工藝過程復(fù)雜，需要先將鈷基合金預(yù)制成焊條。
[0006] 激光熔覆是利用能量高度集中的激光束在基體材料表面熔覆選定的特殊材料，使 基體材料表面具有所需要的性能。與傳統(tǒng)表面改性技術(shù)相比，激光表面熔覆技術(shù)具有能量 密度高，加熱、冷卻速度快，工藝簡單靈活等優(yōu)點(diǎn)。
[0007]鈷基合金具有良好的耐磨耐蝕性、抗高溫性、抗氧化性和潤濕性，且其熔點(diǎn)、密度 及線膨脹系數(shù)等均與鋼鐵材料十分接近，涂層材料在加熱冷卻過程中因與基體材料熱物理 性能差異較大而生成裂紋的幾率會大大降低。但在一些對硬度及耐磨性能要求很高的工作 環(huán)境中，僅采用單一的鈷基合金涂層難以滿足服役要求。碳化鎢因其優(yōu)良的性能、方便的取 材以及與金屬良好的潤濕性等特點(diǎn)成為第二相添加物的首選材料。硬的碳化鎢顆粒具有能 跟金剛石媲美的硬度，是主要耐磨成分，而鈷合金提供涂層所需要的韌性。鈷基合金與碳化 鎢復(fù)合粉末涂層兼具二者的優(yōu)異性能，是金屬陶瓷復(fù)合粉末的首選組合。但使用碳化鎢和 鈷基合金的組合在激光熔覆的過程中會出現(xiàn)碳化鎢粉末分解的現(xiàn)象，使得對模具表面的強(qiáng) 化效果減弱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種修復(fù)和強(qiáng)化熱作模具表面的方法。該技術(shù)工藝簡單，材 料利用率高，能耗少，其制備的涂層具有高的硬度和耐磨性，能夠有效的改善模具鋼的失效 問題，提高模具使用壽命。
[0009]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是：一種修復(fù)和強(qiáng)化熱作模具表面的方法，該方 法包括以下步驟：
[0010] 第一步：將鈷基合金和鈷包碳化鎢粉末制成均勻的混合粉末；
[0011] 第二步：對待處理模具進(jìn)行表面預(yù)處理；
[0012] 第三步：惰性保護(hù)氣體下，采用同步送粉法，通過載粉氣體帶動(dòng)，將混合粉末送入 激光器的激光束的照射范圍內(nèi)，在模具表面形成熔覆層。
[0013] 所述第一步中，鈷基合金采用C〇50合金，鈷包碳化鎢中WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%，兩種 粉末的粒度為45-106μm。
[0014] 所述第一步中，鈷基合金和鈷包碳化鎢混合粉末中鈷包碳化鎢的質(zhì)量含量為 30% -40%。
[0015] 所述第二步中，待處理模具的材質(zhì)為H13鋼。
[0016] 所述第三步中，采用的激光器為C02激光器、光纖激光器或半導(dǎo)體激光器。
[0017] 所述第三步中，激光器采用的工藝參數(shù)為：輸出功率2-4kW，光斑直徑3-5mm，掃 描速率200-300mm/min，惰性保護(hù)氣體采用氬氣，氣體流量為20-25L/min，載粉氣體采用氬 氣，氣體流量為3-5L/min。
[0018] 所述第三步中，熔覆層采用多道搭接的方法，搭接率為30% -40%。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0020] (1)與傳統(tǒng)的模具表面強(qiáng)化方式相比，工藝簡單，材料利用率高，能耗少，其制備的 涂層具有高的硬度和耐磨性，能夠有效地改善模具鋼的失效問題，提高模具使用壽命。
[0021] (2)與采用鈷基合金與碳化鎢粉末激光熔覆方法相比，可以解決碳化鎢易分解的 問題，使得模具表面硬度和耐磨性等得到顯著提高。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被理解，下面通過以下實(shí)施例對本發(fā)明加以闡釋。
[0023] 實(shí)施例1:
[0024] -種熱作模具表面修復(fù)和強(qiáng)化的方法，其制作步驟如下：
[0025] (1)將粒度為45-106μm的C〇50合金和88%WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鈷包碳化鎢粉末按照 鈷包碳化鎢含量30%、C〇50合金含量70%稱取，研磨混合均勻，置于真空干燥箱中干燥；
[0026] (2)對模具（H13鋼）進(jìn)行表面預(yù)處理并測量，根據(jù)測量結(jié)果編寫激光運(yùn)行程序；
[0027] (3)使用半導(dǎo)體激光器，所采用的工藝參數(shù)為：輸出功率2kW，光斑直徑3_，掃描 速率200mm/min，熔覆過程采用氬氣為保護(hù)氣體，氣體流量為20L/min，載粉氣體也為氬氣， 氣體流量為3L/min。采用同步送粉法，通過送粉器和同軸噴嘴將混合粉末送入激光器的激 光束的照射范圍內(nèi)，在模具表面形成熔覆層。熔覆層采用多道搭接的方法，搭接率為30%。
[0028] 實(shí)施例2 :
[0029] -種熱作模具表面修復(fù)和強(qiáng)化的方法，其制作步驟如下：
[0030] (1)將粒度為45-106μm的C〇50合金和88%WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鈷包碳化鎢粉末按照 鈷包碳化鎢含量35%、C〇50合金含量65%稱取，研磨混合均勻，置于真空干燥箱中干燥；
[0031] (2)對模具（H13鋼）進(jìn)行表面處理并測量，根據(jù)測量結(jié)果編寫激光運(yùn)行程序；
[0032] (3)使用光纖激激光器，所采用的工藝參數(shù)為：輸出功率3kW，光斑直徑4mm，掃描 速率250mm/min，熔覆過程采用氬氣為保護(hù)氣體，氣體流量為23L/min，載粉氣體也為氬氣， 氣體流量為4L/min。采用同步送粉法，通過送粉器和同軸噴嘴將混合粉末送入激光器的激 光束的照射范圍內(nèi)，在模具表面形成熔覆層。熔覆層采用多道搭接的方法，搭接率為35%。
[0033] 實(shí)施例3:
[0034] 一種熱作模具表面修復(fù)和強(qiáng)化的方法，其制作步驟如下：
[0035] (1)將粒度為45-106μm的C〇50合金和88%WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鈷包碳化鎢粉末按照 鈷包碳化鎢含量40%、C〇50合金含量60%稱取，研磨混合均勻，置于真空干燥箱中干燥；
[0036] (2)對模具（H13鋼）進(jìn)行表面處理并測量，根據(jù)測量結(jié)果編寫激光運(yùn)行程序；
[0037] (3)使用0)2激激光器，所采用的工藝參數(shù)為：輸出功率4kW，光斑直徑5mm，掃描速 率300mm/min，熔覆過程采用氬氣為保護(hù)氣體，氣體流量為25L/min，載粉氣體也為氬氣，氣 體流量為5L/min。采用同步送粉法，通過送粉器和同軸噴嘴將混合粉末送入激光器的激光 束的照射范圍內(nèi)，在模具表面形成熔覆層。熔覆層采用多道搭接的方法，搭接率為40%。
[0038] 對比例：
[0039] 為了比較本發(fā)明的方法所得涂層與基體以及其他模具表面修復(fù)與強(qiáng)化方法所得 涂層，取基體材料、電弧堆焊涂層以及以上實(shí)施例1-3中參數(shù)下獲得的激光熔覆碳化鎢顆 粒強(qiáng)化鈷基合金涂層（對比例1-3)和本發(fā)明得的涂層（實(shí)施例1-3)的性能進(jìn)行測試，測 試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明，利用本發(fā)明的方法制得涂層的表面硬度較基體材料提 高了 350%以上，較電弧堆焊涂層提高了近100%，較激光熔覆碳化鎢顆粒強(qiáng)化鈷基合金涂 層提高了 10 %以上。而其摩擦系數(shù)較基體材料和前兩種涂層分別降低了 30 %，15 %和3 %。 可以發(fā)現(xiàn)采用本發(fā)明的方法比傳統(tǒng)方式的強(qiáng)化效果更好，使得模具表面的硬度和耐磨性顯 著提高。
[0040] 表1測試結(jié)果
[0041]
[0042]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種修復(fù)和強(qiáng)化熱作模具表面的方法，其特征在于，包括以下步驟： 第一步：將鈷基合金和鈷包碳化鎢粉末制成均勻的混合粉末； 第二步：對待處理模具進(jìn)行表面預(yù)處理； 第三步：惰性保護(hù)氣體下，采用同步送粉法，通過載粉氣體帶動(dòng)，將混合粉末送入激光 器的激光束的照射范圍內(nèi)，在模具表面形成熔覆層。2. 如權(quán)利要求1所述的修復(fù)和強(qiáng)化熱作模具表面的方法，其特征在于，所述第一步中， 鈷基合金采用C〇50合金，鈷包碳化鎢中WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%，鈷基合金和鈷包碳化鎢粉末的 粒度均為45-106 y m。3. 如權(quán)利要求1所述的修復(fù)和強(qiáng)化熱作模具表面的方法，其特征在于，所述第一步中， 鈷基合金和鈷包碳化鎢混合粉末中鈷包碳化鎢的質(zhì)量含量為30% -40%。4. 如權(quán)利要求1所述的修復(fù)和強(qiáng)化熱作模具表面的方法，其特征在于，所述第二步中， 待處理模具的材質(zhì)為H13鋼。5. 如權(quán)利要求1所述的修復(fù)和強(qiáng)化熱作模具表面的方法，其特征在于，所述第三步中， 采用的激光器為CO2激光器、光纖激光器或半導(dǎo)體激光器。6. 如權(quán)利要求1或5所述的修復(fù)和強(qiáng)化熱作模具表面的方法，其特征在于，所述第三步 中，激光器采用的工藝參數(shù)為：輸出功率2-4kW，光斑直徑3-5mm，掃描速率200-300mm/min。7. 如權(quán)利要求1所述的修復(fù)和強(qiáng)化熱作模具表面的方法，其特征在于，所述第三步中， 惰性保護(hù)氣體采用氬氣，氣體流量為20-25L/min，載粉氣體采用氬氣，氣體流量為3-5L/ min〇8. 如權(quán)利要求1所述的修復(fù)和強(qiáng)化熱作模具表面的方法，其特征在于，所述第三步中， 熔覆層采用多道搭接的方式，搭接率為30% -40%。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種修復(fù)和強(qiáng)化熱作模具表面的方法，以鈷包碳化鎢和鈷基合金的混合粉末為熔覆粉末，將其充分混合均勻后，利用高能密度的激光束將其快速加熱熔化后沉積在模具鋼表面，制備得到高硬度高耐磨性的涂層。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)電弧堆焊等技術(shù)工藝水平低，加工精度差，工藝過程復(fù)雜，模具壽命低，以及采用激光熔覆外加碳化鎢強(qiáng)化鈷基合金涂層中碳化鎢易分解等問題，本發(fā)明工藝簡單，材料利用率高，能耗少，其制備的涂層具有高的硬度和耐磨性，能夠有效地改善模具鋼的失效問題，提高模具的使用壽命。
【IPC分類】C23C24/10
【公開號】CN105239070
【申請?zhí)枴緾N201510727534
【發(fā)明人】張佳子, 王廣原, 楊森
【申請人】南京理工大學(xué)
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年10月30日