一种Cr12MoV冷作模具钢激光熔覆工艺方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种金属熔覆工艺方法，特别是涉及一种Crl2M〇V冷作模具钢激光熔 覆工艺方法。
【背景技术】
[0002] 激光熔覆技术是一项新兴的表面改型技术。它通过预置或同步方式在基材表面添 加具有特定功能的熔覆材料，利用高能量密度（l〇4~l〇6W/cm2)的激光束照射熔覆材料，使 之与基材表面薄层一起熔凝成为冶金结合的添料熔覆层，显著改善基体材料表面的耐磨、 耐蚀、耐热、抗氧化和抗疲劳等性能。具有较低稀释率、热影响区小、与基面形成冶金结合、 熔覆件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化等优点。激光熔覆技术应用到模具表面处理 上，可以极大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能，极大提高材料的使 用寿命。同时，还可以用于修复模具，大量节约加工成本。
[0003]YLS-3000光纤激光器属于德国进口IPG高性能光纤激光器，其结合KUKA机器 人系统，可以组成机器人激光柔性加工系统。主要参数如下：工作模式：多模；额定输出功 率：3000W;功率稳定性：小于2% ;激光波长：1070~1080nm;光电转换率：彡25% ;光束质量： 4. 5mm*mrad。以前研究都集中在CO2激光器，利用光纤激光器的研究还未见报道，两者的主 要区别在于〇) 2激光器激光波长：10600nm;光电转换率：彡15%和光束质量：90mm*mrad，。 光纤激光器产生的激光为短波激光1070~1080nm，在金属类零部件的激光加工中，其吸收率 (35%)高于CO2激光的吸收率（12%)。在激光熔覆加工过程中，半导体激光和光纤激光的能 量利用率约为CO2激光的两倍，即2000W半导体激光熔覆效果等同于4000W的CO2激光熔 覆效果。但是利用光纤激光器的实际研究成果还没有见报道。
[0004]Crl2MoV钢是一种冷作模具钢，具有淬透性好、硬度高、耐磨性和抗压强度强的优 点，而且具有良好的热加工性能和高冲击韧性，常用来制造断面较大、形状复杂和承受较大 冲击负荷的各种模具，如冲孔凹模、切边模、滚边模、压印模和螺纹滚模等，但是模具在使 用过程中，除了受到力与热的冲击外，模具工作表面还与坯料间存在剧烈的摩擦作用，因此 Crl2MoV模具钢在使用过程中仍然存在失效、耐磨性低等失效情况。如果在使用失效后就直 接报废则会造成生产成本增大。因此在失效部位进行激光熔覆，并经简单加工予以修复，从 而达到表面再制造的目的，对节约成本具有重要意义。由于Crl2M〇V钢是一种应用较广的 模具材料，对其进行表面激光熔覆试验研究具有广泛的应用价值。
[0005] 在现有利用0)2激光器激光熔覆过程中，出现了气孔、裂纹等缺陷，人们也对其缺 陷提出了多种解决办法，包括预热、配置热膨胀系数相似的粉末以及后处理等，效果并不理 想。如何利用光纤激光器在Crl2M〇V熔覆Ni60合金粉末得到结合强度高，组织细密，气孔 和裂纹少的熔复层，是本领域人员需要研究的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种Crl2MoV冷作模具钢激光熔覆工艺方法，该方法基于 YLS-3000光纤激光器，采用Ni60在Crl2M〇V冷作模具钢激光熔覆，适于光纤激光修复工艺。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 一种Crl2M〇V冷作模具钢激光熔覆工艺方法，所述方法包括其熔覆工艺过程如下： 1) 砂纸清理Crl2MoV板材表面，去除表面铁锈，砂纸型号为W50、W28、W14、W10,酒精清 洗来去除油污； 2) 采用同轴送粉的方式，利用Ni60合金作为熔覆粉末；送粉方式为4路同轴送粉，熔 覆粉末使用前在微波炉干燥，去除水分来防止气孔出现； 3) 送粉量固定为8g/min，激光功率为200-1000W，扫描速度为6-lOmm/s进行熔覆，保护 气体为氮气，气体压力为〇.IMp，光斑模式为圆形光斑，光斑直径为2mm; 4) 对熔覆层进行分析；对熔复层红光样貌进行分析，选择表面平整度好，粗糙度小，基 体表面无明显颗粒的单层；利用HR-150DT洛氏硬度计测硬度，用MR5000进行微观组织分 析。 本发明的优点与效果是： 本发明提供一种基于YLS-3000光纤激光器，采用Ni60在Crl2M〇V冷作模具钢激光熔 覆的一种工艺，对比CO2激光器的激光修复，找到更适于光纤激光器的最佳工艺参数。
【附图说明】
[0008]图1为实施例1激光熔覆Crl2M〇V冷作模具钢宏观样貌良好的单层样貌图；（多道 单层熔覆样貌图）； 图2为实施例1激光熔覆Cr12M〇V冷作模具钢单层样貌的洛氏硬度图；(熔覆层表面洛 氏硬度分布表）； 图3为实施例1激光熔覆Crl2M〇V冷作模具钢熔复区微观组织图；（熔覆层、结合区微 观金像组织（200X)); 图4为实施例1激光熔覆Cr12M〇V冷作模具钢熔复层微观组织图。（熔覆层微观金像 组织（1000X))。
【具体实施方式】
[0009] 下面结合实施例对本发明进行详细说明。
[0010] 实施例1 利用YLS-3000光纤激光器，熔覆粉末为Ni60,对Crl2M〇V冷作模具钢板材进行单层熔 覆。具体工艺步骤为： (1)用砂纸对Crl2M〇V冷作模具钢板材表面进行打磨，去除表面铁锈、杂质。再用酒精 清洗，祛除油污。
[0011] (2)熔覆粉末使用前需要预先干燥，采用在微波炉烘干的方式，减少粉末中气体。
[0012] (3)将YLS-3000光纤激光器和相关辅助设备调整好，将板材固定。激光熔覆工艺 参数如表1所示 表1试验数据表
(4)熔覆试验结束，观察单层宏观样貌，扫描速度为lOmm/s时的宏观样貌表面平整好， 基材表面无明显颗粒，如图1。此时激光能量密度、气体、粉末形成了良好的交互：粉末在 随气流下降过程中，形成气/粉两相流，粉末吸收激光能量熔化，基体吸收激光能量形成熔 池，粉末进入熔池与熔液混合流动，到达熔池边界后不再向宽度发展，延着激光移动方向流 动，所以其表面平整度好。粉末随气体下降过程中铺展在基体上的宽度达到熔池宽度，几乎 没有粉末落到熔池边界外，所以基体表面无明显颗粒附着。
[0013] (5)利用HR-150DT测量表面洛氏硬度，每道测量三个点，所测硬度如图2所示。出 现的明显现象为随激光功率的增大，熔复层硬度逐年减小。
[0014] (6)将试样用线切割机切成小块，磨抛并用4%的硝酸腐蚀后，利用MR5000金相显 微镜观察微观组织送粉量为8g/min，激光功率为200W的熔覆区显微组织，如图3。可以明 显看到熔覆区从里到外分为基体、热影响区、结合区和熔复层。
[0015] 利用MR5000观察熔覆区显微组织，如图4。发现熔复层的组织主要为孪晶片状马 氏体和残留奥氏体。Crl2M〇V冷作模具钢的热传导率低，不容易散热，在功率为200W时， 熔池内粉末温度和基体温度已经达到了熔点，基体原组织的马氏体在810度会转变成奥氏 体，激光以l〇mm/S的速度快速移走后，熔池温度快速降低，降低到200度又形成马氏体，片 状马氏体的成长速度为10 7S，成长速度远远大于熔池温度降低速度，在此过程中，合金元素 如Ni、C、Mo等对马氏体的形成起到促进作用，最终出现如图4所示中大量的马氏体，激光能 量分布服从高斯热源分布，熔池内中央能量高，两边能量低，一部分奥氏体来不及转变，导 致残留奥氏体的出现。随着激光功率增大到400W，熔池内温度远大于200W时熔池温度，单 位时间内温度降低量是一定的，激光头移走之后熔池内温度高，在此温度下奥氏体会转变 为贝氏体。功率进一步增大，奥氏体会转变成屈式体，硬度进一步减小。YLS-3000光纤激光 器在送粉量固定为8g/min的情况下，激光熔覆Cr12M〇V的最佳工艺参数为扫描速度IOmm/ s，激光功率为200W。在此参数下，单层表面平整度高，粗糙度小，表面没有明显颗粒。熔复 层硬度可以达到58HRC，达到实际利用要求。熔复层主要组织为孪晶片状马氏体和残留奥氏 体，熔复层和基体形成良好的冶金结合，硬度可以达到57HRC，实际生产可以利用。
[0016] 显然，上述实例仅仅是为了清楚地说明利用YLS-3000激光器对Crl2M〇V激光熔覆 所做的举例，并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述 说明的基础上，可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式 予以穷举。属于本发明所引出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种Crl2M〇V冷作模具钢激光熔覆工艺方法，其特征在于，所述方法包括其熔覆工 艺过程如下： 1) 砂纸清理Crl2MoV板材表面，去除表面铁锈，砂纸型号为W50、W28、W14、W10,酒 精清洗来去除油污； 2) 采用同轴送粉的方式，利用Ni60合金作为熔覆粉末；送粉方式为4路同轴送粉， 熔覆粉末使用前在微波炉干燥，去除水分来防止气孔出现； 3) 送粉量固定为8g/min，激光功率为200-1000W，扫描速度为6-lOmm/s进行熔覆， 保护气体为氮气，气体压力为〇. IMp，光斑模式为圆形光斑，光斑直径为2mm ; 4)对熔覆层进行分析；对熔复层红光样貌进行分析，选择表面平整度好，粗糙度 小，基体表面无明显颗粒的单层；利用HR-150DT洛氏硬度计测硬度，用MR5000进行微观组 织分析。
【专利摘要】一种Cr12MoV冷作模具钢激光熔覆工艺方法，涉及一种金属熔覆工艺方法，所述方法包括其熔覆工艺过程如下：1）砂纸清理Cr12MoV板材表面，去除表面铁锈，砂纸型号为W50、W28、W14、W10，酒精清洗来去除油污；2）采用同轴送粉的方式，利用Ni60合金作为熔覆粉末；送粉方式为4路同轴送粉，熔覆粉末使用前在微波炉干燥，去除水分来防止气孔出现；3）送粉量固定为8g/min，激光功率为200-1000W，扫描速度为6-10mm/s进行熔覆，保护气体为氮气，气体压力为0.1Mp，光斑模式为圆形光斑，光斑直径为2mm；4）对熔覆层进行分析；该方法基于YLS-3000光纤激光器，采用Ni60在Cr12MoV冷作模具钢激光熔覆，适于光纤激光修复工艺。
【IPC分类】C23C24/10
【公开号】CN105002491
【申请号】CN201510388626
【发明人】张德强, 郝延杰, 李金华
【申请人】辽宁工业大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年7月6日