CN109881109B - 一种激光熔覆材料及激光熔覆涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光熔覆材料及激光熔覆涂层的制备方法。所述激光熔覆材料包括过渡层材料和表面强化层材料组成；所述过渡层材料包括如下质量分数的组分，C：0.1%‑0.5%，Si：0.5%‑1%，Mn：0.3%‑0.4%，Cr：6%‑8%，Mo：2%‑5%，V：0.2%‑0.3%，余量为Fe；所述表面强化层材料包括如下质量分数的组分：C：0.5%‑0.85%，Si：0.2%‑0.5%，Mn：0.3%‑0.4%，Cr：8%‑10%，Mo：4%‑5%，V：0.3%‑0.5%，余量为Fe。本发明的激光熔覆材料以Fe为主要元素，兼具优良的力学性能和较低的生产成本，能够满足冷冲压模具的使用要求。

Description

一种激光熔覆材料及激光熔覆涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及模具制造技术领域，具体涉及一种激光熔覆材料及激光熔覆涂层的制备方法。

背景技术

模具是机械制造业中技术先进、影响深远的重要工艺装备。近年来模具行业发展迅速，但由于制造水平有限，模具普遍存在制造成本高、使用寿命短的问题。尤其是冷冲压模具，由于在实际使用过程中，冷冲压模具承受着复杂的交变应力，又处于冷热交替的环境，因此在服役一段时间后极易出现磨损、开裂、塑性变形，使得冷冲压模具失效、报废，降低了模具的使用寿命。

针对上述问题，目前市场上主要采用激光熔覆技术对冷冲压模具进行表面处理。激光熔覆作为一种新型的激光修复技术，适用于小范围且厚度薄的情况，不仅能很好的控制熔覆层的精度，且熔覆层的晶粒细小、组织致密，显著提高和改善冷冲压模具的力学性能。由于熔覆层材料的性能直接决定熔覆层的性能，因此激光熔覆材料的开发一直受到研究人员的重视。

目前激光熔覆材料主要包括自溶合金粉末、复合粉末、陶瓷粉末等。应用较多的三种自熔性合金粉末：Fe 基、Co 基和Ni 基。Co 基合金粉末和Ni基合金粉末具有良好的耐磨性、润湿性和抗氧化性，因此在科研和实际生产中应用十分广泛。但是，这两种合金粉末的成本也比较高昂。相比之下铁基粉末的成本则较为低廉，但同时它的自熔性以及高温性能较差，容易出现涂层与基体结合性差、涂层开裂、产生气孔等缺陷。

因此，开发出一种力学性能优良、与基体结合良好且成本低廉的激光熔覆合金材料成为亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有的Fe基激光熔覆材料的自熔性以及高温性能较差，容易出现涂层与基体结合性差等缺陷的问题，提供一种激光熔覆材料，该激光熔覆材料以Fe为主要元素，兼具优良的力学性能和较低的生产成本，能够满足冷冲压模具的使用要求。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：

一种激光熔覆材料，包括过渡层材料和表面强化层材料；

所述过渡层材料包括如下质量分数的组分，C：0.1%-0.5%，Si：0.5%-1%，Mn：0.3%-0.4%，Cr：6%-8%，Mo：2%-5%，V：0.2%-0.3%，余量为铁；

所述表面强化层材料包括如下质量分数的组分：C：0.5%-0.85%，Si：0.2%-0.5%，Mn：0.3%-0.4%，Cr：8%-10%，Mo：4%-5%，V：0.3%-0.5%，余量为铁。

进一步，所述过渡层材料包括如下质量分数的组分，C：0.1%，Si：0.5%，Mn：0.3%，Cr：6%，Mo：2%，V：0.2%，余量为Fe。

所述表面强化层材料包括如下质量分数的组分：C：0.5%，Si：0.2%，Mn：0.3%，Cr：8%，Mo：4%，V：0.3%，余量为Fe。

根据冷冲压模具的实际使用工况，要求表面强化层具有较高的强度硬度，并且要求过渡层的强度硬度略低，从而实现力学性能的过渡，因此，本发明做了如下设计：

C：C元素的含量增加，可以增加硬质相的含量，提高硬度。由于表面强化层的硬度要高于过渡层的硬度，因此，表面强化层的碳含量为0.5%-0.85%，过渡层的碳含量为0.1%-0.5%。表面强化层碳含量高于过渡层，主要是因为含碳量越高，在激光熔覆过程中与Mn、Cr、Mo、V等合金元素行成化合物的种类和数量就越多，同时会生成较多硬质相，从而提高表面强化层的强度和硬度。

Si：Si元素的作用是提高粉末的流动性，并提高材料的屈服点和抗拉极限。表面强化层的Si含量为0.2%-0.5%，过渡层的Si含量为0.5%-1%。在激光熔覆过程中，Si容易与其他成分（Fe）结合形成硅酸盐覆盖在表面，防止合金元素被过度氧化，同时提高熔覆层与基体间的结合性，因此，表面强化层Si含量低于过渡层。提高过渡层的Si元素含量，能够提高过渡层的韧性，实现力学性能的过渡作用。

Cr：Cr元素有助于提高材料的硬度和耐磨性，由于表面强化层的硬度和耐磨性高于过渡层，因此，表面强化层的Cr含量为8%-10%，过渡层的Cr含量为6%-8%。在激光熔覆过程中，Cr与Fe易生成Fe-Cr合金相，使得表面强化层的力学性能提高。与过渡层相比，表面强化层提高了Cr元素的含量，能够提高表面强化层的硬度和耐磨性。

V：V元素有助于提高涂层的抗磨损能力和延展性。表面强化层的V含量为0.3%-0.5%，过渡层的V含量为0.2%-0.3%。在激光熔覆过程中，V元素会与C元素反应生成VC这种特殊碳化物，该种碳化物具有的稳定的力学性能。因此，表面强化层V含量高于过渡层，以获得更高的抗磨损能力和延展性。

本发明通过调整表面强化层材料和过渡层材料中元素的含量，获得了具有高硬度的表面强化层和过渡层；表面强化层的硬度高于过渡层的硬度，过渡层的硬度又高于冷冲压模具的硬度，实现了硬度的过渡，有利于降低外力对冷冲压模具的冲击。表面强化层具有耐磨损的性能，能够满足冷冲压模具在实际复杂工况下的性能要求，提高了冷冲压模具的使用寿命。并且，表面强化层材料和过渡层材料均以Fe元素为主要成分，成本低廉，降低了冷冲压模具的制造成本，因此本发明具有显著的工程应用前景。

本发明还提供一种激光熔覆涂层的制备方法，采用所述的激光熔覆材料，包括如下步骤：

1）对冷冲压模具待处理表面进行预处理；

2）采用光纤激光器及同步送粉装置将所述过渡层材料熔覆于经预处理的冷冲压模具表面上，形成与冷冲压模具紧密结合的过渡层；

3）采用光纤激光器及同步送粉装置将所述表面强化层材料熔覆于过渡层表面上，形成与过渡层紧密结合的表面强化层；

4）对所述工作层表面进行处理，得到具有涂层的冷冲压模具。

其中，所述步骤1）中，预处理包括打磨除锈、酒精清洗和干燥。

所述步骤2）和3）中，所述熔覆的参数为：光斑直径为3~5，扫描速度为6~7mm/s，激光功率为2500~3000W，送粉量为14~16g/min，搭接系数为0.5。。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明通过调整表面强化层材料和过渡层材料中元素的含量，获得了具有高硬度的表面强化层和过渡层；表面强化层的硬度高于过渡层的硬度，过渡层的硬度又高于冷冲压模具的硬度，实现了硬度的过渡，有利于降低外力对冷冲压模具的冲击。表面强化层具有耐磨损的性能，能够满足冷冲压模具在实际复杂工况下的性能要求，提高了冷冲压模具的使用寿命。并且，本发明提供的表面强化层材料和过渡层材料均以Fe元素为主要成分，合金元素含量很少，由于不含有较为昂贵的Ni和Co元素，因此粉末的成本较低，降低了冷冲压模具的制造成本，具有显著的经济效益和工程应用前景。

2、本发明制备的涂层与基体结合良好，无气孔和裂纹等缺陷。表面强化层平均硬度为805.0HV，过渡层的平均硬度为576.7HV，强化层的磨损量分别为3mg；而冷作模具钢SKD11的硬度545HV，同等条件下的磨损量为6mg。因此，本发明制备的熔覆层中，表面强化层具有较高的强度硬度、过渡层的强度硬度略低的梯度硬度，实现了力学性能的过渡，并且具有较高的耐磨性。在受力时，过渡层能够对冷冲压模具形成缓冲，从而降低模具开裂的风险，延长冷冲压模具的使用寿命。

3、本发明提供的制备方法工艺简单，容易控制，适于工业生产。

附图说明

图1为本发明制备的激光熔覆涂层的示意图；其中：1-基体、2-过渡层、3-表面强化层。

图2为实施例1制备的激光熔覆涂层的横截面显微组织分布图。

图3为实施例1制备的激光熔覆涂层的横截面显微硬度分布图。

图4为实施例2制备的激光熔覆涂层的横截面显微硬度分布图。

图5为实施例3制备的激光熔覆涂层的横截面显微硬度分布图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

一、激光熔覆材料的成分和配比

实施例1

以质量分数计：

过渡层材料：C：0.1%，Si：0.5%，Mn：0.3%，Cr：6%，Mo：2%，V：0.2%，余量为Fe。

表面强化层材料：C：0.5%，Si：0.2%，Mn：0.3%，Cr：8%，Mo：4%，V：0.3%，余量为Fe。

实施例2

以质量分数计：

过渡层材料：C：0.3%，Si：0.75%，Mn：0.35%，Cr：7%，Mo：3%，V：0.25%，余量为Fe。

表面强化层材料：C：0.7%，Si：0.5%，Mn：0.35%，Cr：8%，Mo：4.5%，V：0.4%，余量为Fe。

实施例3

以质量分数计：

过渡层材料：C：0.5%，Si：1%，Mn：0.4%，Cr：8%，Mo：4%，V：0.3%，余量为Fe。

表面强化层材料：C：0.85%，Si：0.5%，Mn：0.4%，Cr：10%，Mo：5%，V：0.5%，余量为Fe。

二、制备激光熔覆涂层

取45钢板，在该钢板上分别熔覆实施例1~3提供的激光熔覆材料。具体的涂层制备步骤如下：

1）对冷冲压模具待处理表面进行预处理；先采用角磨机打磨去除表面锈迹，然后使用工业酒精进行清洗，最后等酒精完全挥发以后进行同步激光熔覆。

2）采用光纤激光器及同步送粉装置将所述过渡层材料熔覆于经预处理的冷冲压模具表面上，形成与冷冲压模具紧密结合的过渡层。熔覆参数为：光斑直径为3~5，扫描速度为6mm/s~7mm/s，激光功率2500W~3000W，送粉量为14~16g/min，搭接系数为0.5。

3）采用光纤激光器及同步送粉装置将所述表面强化材料熔覆于过渡层表面上，形成与过渡层紧密结合的表面强化层。熔覆参数为：光斑直径为3~5，扫描速度为6mm/s~7mm/s，激光功率2500W~3000W，送粉量为14~16g/min，搭接系数为0.5。

4）对所述工作层表面进行处理，获得具有激光熔覆涂层的45钢用于力学性能测试。

三、性能测试

实施例1制备的熔覆层（过渡层和表面强化层）横截面显微组织分布图如图2所示。从图中可知，在熔覆层底部为平面晶，中部为具有明显方向性的枝晶，顶部则为胞状晶。这是因为在激光熔覆时，靠近熔覆基体的一侧的过渡层材料在熔覆后，由于与温度较低的基体接触，因此冷却速度较快，晶粒较为细小。从基体到表面强化层表面的方向上，温度从低到高，因此晶粒呈逐渐增大的趋势。图中没有见到明显的裂纹以及气孔，说明表面强化层与过渡层、过渡层与基体之间相容性较好。

采用维氏硬度计测量实施例1~3制备的熔覆层的截面的显微硬度。从表面强化层的表面开始记为0mm，向基体方向延伸，每隔0.1mm测量一个硬度。实施例1~3的熔覆层的截面的硬度分布曲线分别如图3~5所示。从图中可知，实施例1中的表面强化层的平均硬度为805.0HV，实施例2中的表面强化层的平均硬度为779.8HV，实施例3中的表面强化层的平均硬度为819.8HV，远远超过了目前常用的冷作模具钢SKD11的硬度545HV。因此，实施例1~3中的表面强化层材料在熔覆后具有较高的硬度，提高了冷冲压模具的表面硬度，能够满足冷冲压模具的使用要求。而实施例1~3中过渡层的平均硬度分别为：576.7HV、619.6HV、659.8HV，与冷作模具钢SKD11的硬度545HV相差不大。即熔覆层实现了表面强化层具有较高的硬度、过渡层的硬度略低的梯度硬度，实现了力学性能的过渡。因此在受力时，过渡层能够对冷冲压模具形成缓冲，从而降低模具开裂的风险，延长冷冲压模具的使用寿命。

将实施例1~3制备的熔覆层分别用于摩擦磨损试验。其中，试验参数为：试验力180N，往复频率4HZ，试验时间为90min；由于发明主要用于冷冲压模具，因此温度设置为0。实施例1~3的表面强化层的磨损量分别为3mg、5mg、6mg。采用同样的试验条件对冷作模具钢SKD11进行摩擦磨损试验，冷作模具钢SKD11的磨损量为6mg。表明熔覆层具有较高的耐磨性，能够满足冷冲压模具的使用环境。

本发明通过调整表面强化层材料和过渡层材料中元素的含量，获得了具有高硬度的表面强化层和过渡层；表面强化层的硬度高于过渡层的硬度，过渡层的硬度又高于冷冲压模具的硬度，实现了硬度的过渡，有利于降低外力对冷冲压模具的冲击。表面强化层具有耐磨损的性能，能够满足冷冲压模具在实际复杂工况下的性能要求，提高了冷冲压模具的使用寿命。并且，本发明提供的表面强化层材料和过渡层材料均以Fe元素为主要成分，合金元素含量很少，由于不含有较为昂贵的Ni和Co元素，因此粉末的成本较低，降低了冷冲压模具的制造成本，具有显著的经济效益和工程应用前景。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种激光熔覆涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）对冷冲压模具待处理表面进行预处理；

2）采用光纤激光器及同步送粉装置将过渡层材料熔覆于经预处理的冷冲压模具表面上，形成与冷冲压模具紧密结合的过渡层；其中，所述过渡层包括如下质量分数的组分，C：0.1%-0.5%，Si：0.5%-1%，Mn：0.3%-0.4%，Cr：6%-8%，Mo：2%-5%，V：0.2%-0.3%，余量为Fe；

3）采用光纤激光器及同步送粉装置将表面强化层材料熔覆于过渡层表面上，形成与过渡层紧密结合的表面强化层；其中，所述表面强化层包括如下质量分数的组分：C：0.5%-0.85%，Si：0.2%-0.5%，Mn：0.3%-0.4%，Cr：8%-10%，Mo：4%-5%，V：0.3%-0.5%，余量为Fe；

4）对所述工作层表面进行处理，得到具有涂层的冷冲压模具。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆涂层的制备方法，其特征在于，

所述过渡层包括如下质量分数的组分，C：0.1%，Si：0.5%，Mn：0.3%，Cr：6%，Mo：2%，V：0.2%，余量为Fe；

所述表面强化层包括如下质量分数的组分：C：0.5%，Si：0.2%，Mn：0.3%，Cr：8%，Mo：4%，V：0.3%，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的激光熔覆涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中，预处理包括打磨除锈、酒精清洗和干燥。

4.根据权利要求1所述的激光熔覆涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤2）和3）中，所述熔覆的参数为：光斑直径为Ø3~Ø5，扫描速度为6~7mm/s，激光功率为2500~3000W，送粉量为14~16g/min，搭接系数为0.5。

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