CN103911612A - 以钴基加碳化钨为熔覆合金的Cr12MoV冷冲压模具激光修复工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以钴基加碳化钨为熔覆合金的Cr12MoV冷冲压模具激光修复工艺，包括以下步骤：1)清理冷冲压模具表面缺陷，去除表面磨痕、油污以及微裂纹；2)采用Fe316合金粉末作为打底层，激光打底熔覆；3)采用Co06+WC合金粉末作为盖面层，待模具冷却到300-600℃后，激光熔覆盖面层；4)对熔覆层表面进行机械加工。该工艺能够实现在无需预热的条件下得到界面结合强度高、组织致密、无裂纹的熔覆层，熔覆层的显微硬度达到58-62HRC9.8N，特别是熔覆层具有良好的耐磨性，可以满足生产要求可以提高冷冲压模具的使用寿命。

Description

以钴基加碳化钨为熔覆合金的Cr12MoV冷冲压模具激光修复工艺

技术领域

本发明属于激光熔覆技术领域，涉及模具的表面修复方法，具体涉及一种以钴基加碳化钨为熔覆合金的Cr12MoV冷冲压模具激光修复工艺。

背景技术

Cr12MoV钢是一种合金工具钢，含碳量为1.45％～1.7％，具有高淬透性，淬火时体积变化小，可用来制造断面较大、形状复杂、经受较大冲击负荷的各种模具和工具。例如，形状复杂的冲孔凹模、复杂模具上的镶块、钢板深拉模、拉丝模、冷挤压模、冷切剪刀等。应用在冷冲压模具中的Cr12MoV钢，由于工作环境恶劣(高压冲击、间断载荷)，局部容易产生磨损。另外，冷冲压产品一般为最终产品，不再进行机加工，对于模具的表面质量及尺寸精度等要求严格，所以模具中较小的磨损量也会影响冲压产品质量，导致整个模具报废。

采用表面堆焊、喷涂和熔覆技术修复模具表面缺陷、强化表面性能对于提高模具使用寿命、降低生产成本和节约资源具有重要意义。针对模具的修复方法主要有堆焊修复、热喷涂修复、电刷镀修复、等离子喷涂修复以及激光熔覆修复技术等。目前工业化较多采用的是电弧堆焊修复方法。中国专利CN102212771A中采用等离子喷焊技术在H13热作模具钢表面制备碳化钨增强复合材料(镍基自容型合金粉末NiCrBSi加入10％～20％钴基碳化钨粉末)涂层，指出可以采用较小电流降低热输入，使碳化钨作为硬质点增强相尽可能保留下来，以提高涂层的表面性能(耐磨性)，达到修复缺陷或强化基体的作用。但是在Cr12MoV冷冲压模具修复应用中，由于大量碳化钨未熔化，致使涂层硬度较低，无法满足Cr12MoV冷冲压模具的使用要求。

采用电弧堆焊方法对冲压模具表面修复时，具有设备简单、操作方便灵活、不受工作场合限制等特点。但也存在以下缺点：电弧堆焊对基体的热影响大；不适合对复杂模具进行修复；堆焊前后机加工量大，效率低；修复前需要预热处理，增加了修复成本。鉴于以上，本发明中采用激光熔覆技术对Cr12MoV冷冲压模具进行修复。激光熔覆技术热输入集中，热影响区小；熔覆层组织致密；加工量小，修复效率高。

专利CN101797643A中采用无钴铁基合金粉末激光熔覆修复核电阀门密封面指出，熔覆层显微硬度是不锈钢基体的1.6～1.8倍，具有良好的高温耐磨性和高温耐腐蚀性。但是在Cr12MoV冷冲压模具中受高压冲击磨损，需要高硬度高耐磨性，无钴铁基粉末不适合。专利CN103343338A中采用激光熔覆技术对扩口模进行修复指出，在基体表面先熔覆一层硬度较低、耐磨性一般组织较为致密的合金粉末，再熔覆一层硬度高、耐磨性好的合金粉末(所选两种合金均为铁基合金粉末)，熔覆前不需要预热，熔覆后不需要对模具进行退火处理，熔覆后修复层硬度较高(平均为57.4HRC)。而对于本发明中Cr12MoV冲压模具钢要求硬度为60HRC以上，故需采用其他合金粉末。现有技术中有采用镍基合金对Cr12MoV模具进行激光熔覆修复的先例。采用镍基合金熔覆层与模具基体结合良好，熔覆层组织致密，具有良好的耐磨性。但是镍基合金熔覆层硬度较低，且镍基合金与碳化钨硬质相的相融性较差，添加碳化钨后熔覆层的硬度和耐磨性仍满足不了生产要求。硬质相加入过多后熔覆层裂纹倾向严重。如何将激光熔覆技术有效的应用于Cr12MoV冲压模具修复，实现在无需预热的条件下得到界面结合强度高、组织致密、无裂纹的熔覆层，是本领域的技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述技术问题，提供一种以钴基加碳化钨为熔覆合金的Cr12MoV冷冲压模具激光修复工艺，电弧堆焊修复热输入高，修复工艺复杂，喷涂修复涂层结合强度低；激光熔覆铁基合金及镍基合金的熔覆层性能达不到生产要求等，该工艺能够实现在无需预热的条件下得到界面结合强度高、组织致密、无裂纹的熔覆层，熔覆层的显微硬度高，特别是熔覆层具有良好的耐磨性，可以满足生产要求。

为实现上述目的，本发明是采用下述技术方案实现：

1.一种以钴基加碳化钨为熔覆合金的Cr12MoV冷冲压模具激光修复工艺，包括以下步骤：

1)清理冷冲压模具表面缺陷；

2)激光熔覆Fe316合金粉末，熔覆厚度为1-2mm；

3)待模具冷却到300-600℃后，激光熔覆Co06+WC合金粉末，熔覆厚度为1.5-2.5mm；

4)对熔覆层表面进行机械加工。

上述以钴基加碳化钨为熔覆合金的Cr12MoV冷冲压模具激光修复工艺，具体包括以下步骤：

1)清理冷冲压模具表面缺陷，去除表面磨痕、油污以及微裂纹；

2)激光熔覆Fe316合金粉末作为打底层，所述Fe316合金粉末化学成分的质量分数为：C0.06-0.08％，Si0.5-1％，Mn1.4-2.0％，P≤0.035％，S≤0.03％，Ni12-15％，Cr16-18％，其余为Fe，激光熔覆Fe316合金粉末的工艺参数：激光功率为2.8-3.8kW，熔覆速度2-4mm/s，打底层的预置厚度为1-2mm，光斑模式为矩形光斑，光斑尺寸17mm×1.5mm；

3)待模具冷却到300-600℃后，激光器熔覆Co06+WC合金粉末作为盖面层，所述Co06合金粉末化学成分的质量百分数为：C0.8-1.15％，Ni2.5-3％，Cr28-32％，Fe2-3％，Mn0.6-1％，Mo0.6-1％，其余为Co，激光熔覆Co06+WC合金粉末的工艺参数：激光功率为3-4kW，熔覆速3-4mm/s，盖面层的预置厚度1.5-2.5mm，保护气体为氩气，流量2.5L/min，光斑模式为矩形光斑，光斑尺寸17mm×1.5mm；

4)对熔覆层表面进行机械加工。

上述Co06+WC合金粉末中WC是Co06质量的15-25％，优选20％。

上述的Fe316合金粉末在150℃下烘干2h后使用。

上述的Co06+WC合金在150℃下烘干2h后使用。

上述Co06+WC合金粉末采用人工混粉。

上述方法中的熔覆采用热搭接方式，搭接率为40％。

上述方法中可以使用保护气体氩气，流量2.5L/min。

Co06+20％WC是指合金粉末中WC是Co06质量的20％。

本发明的有益效果

本发明激光熔覆技术热输入集中，热影响区小，熔覆层组织致密，既减少了加工量又提高了效率，降低修复成本，提高资源利用率。

本发明对Cr12MoV冷冲压模具激光熔覆修复，修复过程简单，加工量小，操作性强。熔覆层与基体、打底层与盖面层之间的结合性强，熔覆层无裂纹。

该工艺能够实现在无需预热的条件下得到界面结合强度高、组织致密、无裂纹的熔覆层，熔覆层的显微硬度达到58-62HRC9.8N，特别是熔覆层具有良好的耐磨性，可以满足生产要求可以提高冷冲压模具的使用寿命。

采用Fe316合金粉末打底和Co06+WC合金粉末盖面的激光熔覆工艺，实现了Cr12MoV冷冲压模具的无预热激光修复。由于Co06合金粉末加入质量分数为20％碳化钨硬质相后熔覆结合层热裂倾向较大，Fe316软合金粉末打底熔覆避免了这一问题。

Fe316合金粉末中Ni元素(12-15％)和Cr元素(16-18％)含量较多，可形成两相组织，改善熔覆层底部的塑性和韧性，减小了熔覆结合层的热裂倾向；Fe316激光打底熔覆也为Co06+WC合金的盖面熔覆提供了预热处理，降低了盖面熔覆层的冷却速度，同时降低了盖面熔覆层的裂纹倾向。

采用廉价的Fe316合金粉末作为打底熔覆补偿了产品尺寸，减少了价格昂贵的钴基合金的使用量，降低了模具修复的成本。

Cr12MoV冷冲压模具激光熔覆中，对熔覆层的成形、显微组织和性能影响最大的是激光功率及熔覆速度。本发明明确了激光熔覆Co06+WC合金粉末采用的最佳激光熔覆功率(3-4kW)和熔覆速度(3-4mm/s)。钴基合金的流动性较差，对于激光功率参数更为敏感。在熔覆速度一定的条件下，激光功率过小，熔覆层的冷却速度过快，不仅流动性更差，而且裂纹倾向也更严重，所以激光功率应在激光器允许的功率范围内大一些。本发明中根据所采用LDF4000-100光纤耦合半导体激光器的技术条件选择激光功率3-4kW。而激光功率一定的条件下，由于激光熔覆热输入集中，可适当提高熔覆速度防止过热，另外熔覆速度较大时也会提高修复效率，降低生产成本。但是熔覆速度过高，就会形成较大的温度梯度产生很大的残余应力，易诱发裂纹的产生，本发明中根据激光熔覆功率大小选择熔覆速度3-4mm/s。采用本发明的修复工艺可降低修复成本，提高资源利用率。

附图说明

图1为实施例1激光修复后Cr12MoV模具钢平面修复熔覆层的表面形貌；

图2为实施例2激光熔覆修复后Cr12MoV模具刃口熔覆层的表面及断口形貌；

图3为实施例2激光熔覆修复后Cr12MoV模具刃口熔覆层的断口形貌。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

模具刃口是最容易失效的部位，对长度为50mm、宽度为12mm、厚度为11mm的Cr12MoV冷冲压模具钢刃口工件表面(表面有厚度1mm的磨痕缺陷)进行激光熔覆修复，使其最终尺寸为50×12×12mm工件。采用以钴基加碳化钨为熔覆合金的Cr12MoV冲压模具激光修复工艺，具体工艺步骤为：

(1)用砂轮机对Cr12MoV模具钢工件长度方向一面清理表面缺陷，去除表面磨痕、油污等；

(2)采用LDF4000-100光纤耦合半导体激光器，调整好设备，用Fe316合金粉末作为打底层，该合金粉末200g已在150℃温度下保温2h烘干，调节激光功率为3.6kW，熔覆速度为3mm/s，激光打底熔覆，熔覆层厚度为1mm，熔覆过程中，矩形光斑斑点中心与工件修复面中心重合；

(3)用Co06+WC合金粉末作为盖面层，将合金粉末中Co06质量为160g、WC质量为40g在150℃温度下保温2h烘干，等模具冷却到450℃后，调节激光功率为3.8kW，熔覆速度为4mm/s，激光熔覆盖面层，熔覆层厚度为1.5mm，熔覆过程中，矩形光斑斑点中心与工件修复面中心重合，修复面为50×12mm，整个修复面铺满所用合金粉末；

(5)被熔覆工件冷却到室温，对熔覆层表面进行机械加工，使模具表面平整如初，尺寸在标准公差内。

其中打底层Fe316合金粉末化学成分的质量百分数为：C0.07％，Si0.3％，Ni12.43％，Cr17.14％，Mn0.44％，其余为Fe。

盖面层Co06合金粉末化学成分的质量百分数为：C0.91％，Ni2.27％，Cr29.09％，Mn0.18％，Mo0.4％，其余为Co。

对Cr12MoV冷冲压模具平面磨损处采用Fe316打底，Co06+20％WC盖面激光熔覆修复，结果熔覆层性能符合模具生产要求，可提高模具使用寿命。如图1所示，为磨床加工后Co06+20％WC熔覆层的表面形貌，可以发现熔覆层内无气孔、裂纹等缺陷；通过HV-1000显微硬度计测得熔覆层平均硬度为61HRC(除未熔碳化物颗粒)；耐磨性明显高于基体。

实施例2

对长度为30mm、宽度为30mm、厚度为12mm的Cr12MoV冷冲压模具钢刃口(磨损严重)相垂直的两面进行激光熔覆，使刃口符合标准尺寸要求。采用以钴基加碳化钨为熔覆合金的Cr12MoV冲压模具激光修复工艺，具体的工艺步骤为：

(1)用砂轮机将Cr12MoV模具钢工件长度方向垂直两面清理表面缺陷，去除表面磨痕、油污等；

(2)采用LDF4000-100光纤耦合半导体激光器，调整好设备，先对宽的一面进行激光熔覆，用Fe316合金粉末作为打底层，该粉末300g使用前已在150℃温度下烘干2h，调节激光功率为3.6kW，熔覆速度为3mm/s，激光打底熔覆，熔覆层厚度1mm，熔覆过程中采用的光斑模式为矩形光斑，光斑尺寸17mm×1.5mm，矩形光斑斑点中心与工件修复面中心重合；；

(3)采用Co06+WC合金粉末作为盖面层，将合金粉末Co06质量为240g、WC质量为60g在150℃温度下烘干2h，待模具冷却到350℃后，调节激光功率为3.8kW，熔覆速度为4mm/s，激光熔覆盖面层，熔覆层厚度1.5mm，熔覆层的搭接率为40％，熔覆过程中控制层间温度为350℃，熔覆过程中采用的光斑模式为矩形光斑，光斑尺寸17mm×1.5mm，矩形光斑斑点中心与工件修复面中心重合，修复面为30×30mm及30×12mm垂直面，整个修复面铺满所用合金粉末；

(4)针对工件另一面，重复以上步骤进行激光熔覆；

(5)工件冷却到室温，对熔覆层表面进行机械加工，使模具表面平整如初，尺寸在标准公差内，尤其是刃口处的尺寸。

打底层Fe316合金粉末化学成分的质量百分数为：C0.07％，Si0.3％，Ni12.43％，Cr17.14％，Mn0.44％，其余为Fe。

盖面层Co06合金粉末化学成分的质量百分数为：C0.91％，Ni2.27％，Cr29.09％，Mn0.18％，Mo0.4％，其余为Co。

模具刃口是模具最容易失效的部位，对Cr12MoV冷冲压模具刃口处采用Fe316打底，Co06+WC盖面激光熔覆修复，结果表明熔覆层性能符合模具的工作要求，对提高整个模具的使用寿命具有重要意义。如图3所示为Cr12MoV模具刃口激光熔覆修复后的熔覆层表面及断面形貌，可发现模具刃口处熔覆层圆弧过渡、没有折叠等缺陷；熔覆层与基体结合很好，没有产生裂纹等缺陷。通过HV1000显微硬度计测量Fe316熔覆层平均硬度为38HRC，Co06+20％WC平均硬度为61HRC(除未熔碳化物颗粒)。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它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。而这些属于本发明所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种以钴基加碳化钨为熔覆合金的Cr12MoV冷冲压模具激光修复工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)清理冷冲压模具表面缺陷；

2)激光熔覆Fe316合金粉末，熔覆厚度为1-2mm；

3)待模具冷却到300-600℃后，激光熔覆Co06+WC合金粉末，熔覆厚度为1.5-2.5mm；

4)对熔覆层表面进行机械加工。

2.如权利要求1所述的激光修复工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)清理冷冲压模具表面缺陷；

2)激光熔覆Fe316合金粉末，所述Fe316合金粉末各成分的质量分数为：C0.06-0.08％，Si0.5-1％，Mn1.4-2.0％，P≤0.035％，S≤0.03％，Ni12-15％，Cr16-18％，其余为Fe，激光熔覆Fe316合金粉末的工艺参数：激光功率为2.8-3.8kW，熔覆速度2-4mm/s，预置厚度为1-2mm，保护气体为氩气，流量2.5L/min，光斑模式为矩形光斑，光斑尺寸17mm×1.5mm；

3)待模具冷却到300-600℃后，激光熔覆Co06+WC合金粉末，所述Co06合金粉末各成分的质量百分数为：C0.8-1.15％，Ni2.5-3％，Cr28-32％，Fe2-3％，Mn0.6-1％，Mo0.6-1％，其余为Co，激光熔覆Co06+WC合金粉末的工艺参数：激光功率为3-4kW，熔覆速度3-4mm/s，预置厚度1.5-2.5mm，光斑模式为矩形光斑，光斑尺寸17mm×1.5mm；

4)对熔覆层表面进行机械加工。

3.如权利要求1或2所述的激光修复工艺，其特征在于，所述步骤3)的Co06+WC合金粉末中WC的质量是Co06质量的15-25％。

4.如权利要求3所述的激光修复工艺，其特征在于，所述WC的质量是Co06质量的20％。

5.如权利要求1或2所述的激光修复工艺，其特征在于，所述步骤2)的Fe316合金粉末在150℃下烘干2h后使用。

6.如权利要求1或2所述的激光修复工艺，其特征在于，所述步骤3)中的Co06+WC合金粉末在150℃下烘干2h后使用。

7.如权利要求1或2所述的激光修复工艺，其特征在于，所述步骤3)中的Co06+WC合金粉末采用人工混粉。

8.如权利要求1或2所述的激光修复工艺，其特征在于，所述步骤3)中的熔覆采用热搭接方式，搭接率为40％。

9.如权利要求1或2所述的激光修复工艺，其特征在于，所述步骤3)使用保护气体氩气，流量2.5L/min。