一种修复和强化热作模具表面的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种修复和强化热作模具表面的方法，特别是一种利用激光熔覆钴包 碳化钨强化钴基合金涂层修复模具表面的方法，属于模具表面强化领域。
【背景技术】
[0002] 模具使用性能，特别是使用寿命会直接影响产品质量、加工效率和加工成本，同时 影响着产品的市场竞争力。热模锻冲压成形工作温度范围主要集中在800-1000°C，对模具 刃口要求高。为提高模具的使用寿命，主要采用电弧堆焊的方法在模具刃口处开槽堆焊钴 基合金进行强化。目前，该工艺存在模具与加工工艺不匹配的问题，不能满足实际工况的使 用要求，严重制约了高品质锻件产品的生产，成为企业发展亟待解决的技术难题。其缺点主 要表现在以下几个方面：
[0003] (1)单一钴基合金耐磨性和抗热疲劳性能不能满足工况要求，模具使用寿命短；
[0004] (2)采用电弧堆焊，工艺水平低，加工精度差，模具热变形严重；
[0005] (3)工艺过程复杂，需要先将钴基合金预制成焊条。
[0006] 激光熔覆是利用能量高度集中的激光束在基体材料表面熔覆选定的特殊材料，使 基体材料表面具有所需要的性能。与传统表面改性技术相比，激光表面熔覆技术具有能量 密度高，加热、冷却速度快，工艺简单灵活等优点。
[0007]钴基合金具有良好的耐磨耐蚀性、抗高温性、抗氧化性和润湿性，且其熔点、密度 及线膨胀系数等均与钢铁材料十分接近，涂层材料在加热冷却过程中因与基体材料热物理 性能差异较大而生成裂纹的几率会大大降低。但在一些对硬度及耐磨性能要求很高的工作 环境中，仅采用单一的钴基合金涂层难以满足服役要求。碳化钨因其优良的性能、方便的取 材以及与金属良好的润湿性等特点成为第二相添加物的首选材料。硬的碳化钨颗粒具有能 跟金刚石媲美的硬度，是主要耐磨成分，而钴合金提供涂层所需要的韧性。钴基合金与碳化 钨复合粉末涂层兼具二者的优异性能，是金属陶瓷复合粉末的首选组合。但使用碳化钨和 钴基合金的组合在激光熔覆的过程中会出现碳化钨粉末分解的现象，使得对模具表面的强 化效果减弱。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种修复和强化热作模具表面的方法。该技术工艺简单，材 料利用率高，能耗少，其制备的涂层具有高的硬度和耐磨性，能够有效的改善模具钢的失效 问题，提高模具使用寿命。
[0009]实现本发明目的的技术解决方案是：一种修复和强化热作模具表面的方法，该方 法包括以下步骤：
[0010] 第一步：将钴基合金和钴包碳化钨粉末制成均匀的混合粉末；
[0011] 第二步：对待处理模具进行表面预处理；
[0012] 第三步：惰性保护气体下，采用同步送粉法，通过载粉气体带动，将混合粉末送入 激光器的激光束的照射范围内，在模具表面形成熔覆层。
[0013] 所述第一步中，钴基合金采用C〇50合金，钴包碳化钨中WC质量分数为88%，两种 粉末的粒度为45-106μm。
[0014] 所述第一步中，钴基合金和钴包碳化钨混合粉末中钴包碳化钨的质量含量为 30% -40%。
[0015] 所述第二步中，待处理模具的材质为H13钢。
[0016] 所述第三步中，采用的激光器为C02激光器、光纤激光器或半导体激光器。
[0017] 所述第三步中，激光器采用的工艺参数为：输出功率2-4kW，光斑直径3-5mm，扫 描速率200-300mm/min，惰性保护气体采用氩气，气体流量为20-25L/min，载粉气体采用氩 气，气体流量为3-5L/min。
[0018] 所述第三步中，熔覆层采用多道搭接的方法，搭接率为30% -40%。
[0019]与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0020] (1)与传统的模具表面强化方式相比，工艺简单，材料利用率高，能耗少，其制备的 涂层具有高的硬度和耐磨性，能够有效地改善模具钢的失效问题，提高模具使用寿命。
[0021] (2)与采用钴基合金与碳化钨粉末激光熔覆方法相比，可以解决碳化钨易分解的 问题，使得模具表面硬度和耐磨性等得到显著提高。
【具体实施方式】
[0022] 为了使本发明的内容更容易被理解，下面通过以下实施例对本发明加以阐释。
[0023] 实施例1:
[0024] -种热作模具表面修复和强化的方法，其制作步骤如下：
[0025] (1)将粒度为45-106μm的C〇50合金和88%WC质量分数的钴包碳化钨粉末按照 钴包碳化钨含量30%、C〇50合金含量70%称取，研磨混合均匀，置于真空干燥箱中干燥；
[0026] (2)对模具（H13钢）进行表面预处理并测量，根据测量结果编写激光运行程序；
[0027] (3)使用半导体激光器，所采用的工艺参数为：输出功率2kW，光斑直径3_，扫描 速率200mm/min，熔覆过程采用氩气为保护气体，气体流量为20L/min，载粉气体也为氩气， 气体流量为3L/min。采用同步送粉法，通过送粉器和同轴喷嘴将混合粉末送入激光器的激 光束的照射范围内，在模具表面形成熔覆层。熔覆层采用多道搭接的方法，搭接率为30%。
[0028] 实施例2 :
[0029] -种热作模具表面修复和强化的方法，其制作步骤如下：
[0030] (1)将粒度为45-106μm的C〇50合金和88%WC质量分数的钴包碳化钨粉末按照 钴包碳化钨含量35%、C〇50合金含量65%称取，研磨混合均匀，置于真空干燥箱中干燥；
[0031] (2)对模具（H13钢）进行表面处理并测量，根据测量结果编写激光运行程序；
[0032] (3)使用光纤激激光器，所采用的工艺参数为：输出功率3kW，光斑直径4mm，扫描 速率250mm/min，熔覆过程采用氩气为保护气体，气体流量为23L/min，载粉气体也为氩气， 气体流量为4L/min。采用同步送粉法，通过送粉器和同轴喷嘴将混合粉末送入激光器的激 光束的照射范围内，在模具表面形成熔覆层。熔覆层采用多道搭接的方法，搭接率为35%。
[0033] 实施例3:
[0034] 一种热作模具表面修复和强化的方法，其制作步骤如下：
[0035] (1)将粒度为45-106μm的C〇50合金和88%WC质量分数的钴包碳化钨粉末按照 钴包碳化钨含量40%、C〇50合金含量60%称取，研磨混合均匀，置于真空干燥箱中干燥；
[0036] (2)对模具（H13钢）进行表面处理并测量，根据测量结果编写激光运行程序；
[0037] (3)使用0)2激激光器，所采用的工艺参数为：输出功率4kW，光斑直径5mm，扫描速 率300mm/min，熔覆过程采用氩气为保护气体，气体流量为25L/min，载粉气体也为氩气，气 体流量为5L/min。采用同步送粉法，通过送粉器和同轴喷嘴将混合粉末送入激光器的激光 束的照射范围内，在模具表面形成熔覆层。熔覆层采用多道搭接的方法，搭接率为40%。
[0038] 对比例：
[0039] 为了比较本发明的方法所得涂层与基体以及其他模具表面修复与强化方法所得 涂层，取基体材料、电弧堆焊涂层以及以上实施例1-3中参数下获得的激光熔覆碳化钨颗 粒强化钴基合金涂层（对比例1-3)和本发明得的涂层（实施例1-3)的性能进行测试，测 试结果如表1所示。测试结果表明，利用本发明的方法制得涂层的表面硬度较基体材料提 高了 350%以上，较电弧堆焊涂层提高了近100%，较激光熔覆碳化钨颗粒强化钴基合金涂 层提高了 10 %以上。而其摩擦系数较基体材料和前两种涂层分别降低了 30 %，15 %和3 %。 可以发现采用本发明的方法比传统方式的强化效果更好，使得模具表面的硬度和耐磨性显 著提高。
[0040] 表1测试结果
[0041]
[0042]
【主权项】
1. 一种修复和强化热作模具表面的方法，其特征在于，包括以下步骤： 第一步：将钴基合金和钴包碳化钨粉末制成均匀的混合粉末； 第二步：对待处理模具进行表面预处理； 第三步：惰性保护气体下，采用同步送粉法，通过载粉气体带动，将混合粉末送入激光 器的激光束的照射范围内，在模具表面形成熔覆层。2. 如权利要求1所述的修复和强化热作模具表面的方法，其特征在于，所述第一步中， 钴基合金采用C〇50合金，钴包碳化钨中WC质量分数为88%，钴基合金和钴包碳化钨粉末的 粒度均为45-106 y m。3. 如权利要求1所述的修复和强化热作模具表面的方法，其特征在于，所述第一步中， 钴基合金和钴包碳化钨混合粉末中钴包碳化钨的质量含量为30% -40%。4. 如权利要求1所述的修复和强化热作模具表面的方法，其特征在于，所述第二步中， 待处理模具的材质为H13钢。5. 如权利要求1所述的修复和强化热作模具表面的方法，其特征在于，所述第三步中， 采用的激光器为CO2激光器、光纤激光器或半导体激光器。6. 如权利要求1或5所述的修复和强化热作模具表面的方法，其特征在于，所述第三步 中，激光器采用的工艺参数为：输出功率2-4kW，光斑直径3-5mm，扫描速率200-300mm/min。7. 如权利要求1所述的修复和强化热作模具表面的方法，其特征在于，所述第三步中， 惰性保护气体采用氩气，气体流量为20-25L/min，载粉气体采用氩气，气体流量为3-5L/ min〇8. 如权利要求1所述的修复和强化热作模具表面的方法，其特征在于，所述第三步中， 熔覆层采用多道搭接的方式，搭接率为30% -40%。
【专利摘要】本发明公开了一种修复和强化热作模具表面的方法，以钴包碳化钨和钴基合金的混合粉末为熔覆粉末，将其充分混合均匀后，利用高能密度的激光束将其快速加热熔化后沉积在模具钢表面，制备得到高硬度高耐磨性的涂层。本发明解决了传统电弧堆焊等技术工艺水平低，加工精度差，工艺过程复杂，模具寿命低，以及采用激光熔覆外加碳化钨强化钴基合金涂层中碳化钨易分解等问题，本发明工艺简单，材料利用率高，能耗少，其制备的涂层具有高的硬度和耐磨性，能够有效地改善模具钢的失效问题，提高模具的使用寿命。
【IPC分类】C23C24/10
【公开号】CN105239070
【申请号】CN201510727534
【发明人】张佳子, 王广原, 杨森
【申请人】南京理工大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年10月30日