CN110066995A - 一种激光熔覆合金粉末及进行h13模具钢的激光熔覆方法 - Google Patents

一种激光熔覆合金粉末及进行h13模具钢的激光熔覆方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光熔覆合金粉末及进行H13模具钢的激光熔覆方法，包括：基体熔覆前预处理；配制激光熔覆用H13+镍包WC合金粉末；基体预热；采用激光熔覆机，以氩气为保护气，光纤激光器为发射激光源，以锥形粉束同轴送粉方式将配制的激光熔覆用H13+镍包WC合金粉末进行多道搭接至基体上进行激光熔覆，控制激光熔覆的激光功率、光斑直径、扫描速度和送粉速度进行激光熔覆并调制处理即完成H13模具钢的激光熔覆。本发明熔覆层形成晶界强化型网络状结构，具有低摩擦系数、高耐磨性、高耐腐蚀性等特点。降低了稀释率问题，减少热应力，增加了与基体的冶金结合，解决了大面积多道搭接易开裂问题。

Description

一种激光熔覆合金粉末及进行H13模具钢的激光熔覆方法
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，特别涉及一种提升H13模具钢表面力学性能及耐腐蚀性能的激光熔覆合金粉末及强化方法，属于表面工程应用技术领域。
背景技术
机械零件在服役期间会受到不同工况条件下的表面磨损与腐蚀，表面强化技术是表面工程领域一项非常重要的创造性工作，也是保护环境、资源可持续发展的战略需求所在。
H13钢是广泛应用于具有大冲击振动载荷的服役环境中，包括制作航空工业上的重要构件，或者热锻模、压铸模、热挤压模等方面，该类钢以Cr、Mo、V、W为主要强化元素，具有良好的强韧性，同时保持一定的热疲劳抗力，因而能够承受高温拉、压等冲击作用，还需要承受高温磨损、氧化及激冷激热周期性温度变化等恶劣的工作环境。因此，H13钢在服役过程中的主要失效形式为热疲劳发生龟裂损伤和热磨损，这就要求表面具有高硬度和良好的耐磨性能。
目前，解决这一问题的主要途径是在模具材料表面涂覆硬膜，目前H13模具钢的表面改性的应用主要在以下两个方面：(1)PVD涂层技术和(2)热喷涂技术。这些手段虽然在一定程度对材料性能有所改善，但制备工艺本身存在的组织缺陷难以从根本上消除，对材料的使用寿命仍存在一定的影响：比如：热喷涂涂层存在氧化物、气孔，与基体的机械结合性能差等缺陷；PVD涂层薄，耐磨损性差等。而激光熔覆在解决上述问题时具有绝对的优势：由于激光熔覆可控热输入、高的冷却速率，熔覆层与基体为冶金结合，熔覆层厚度易控、组织致密，同时具有晶粒细小、无宏观偏析，较大的加工灵活性、可选择性以及较小的热畸变等特点，使激光熔覆技术具有明显优势。
相关研究者利用激光熔覆技术在H13钢基体上制备了Ni基、Co基熔覆层，但H13钢基体和Ni/Co熔覆层之间存在一定的热膨胀系数的差异，熔覆层易产生不同程度的微观裂纹。而对于熔覆层与基体同种材料并添加耐磨强化相材料，提高熔覆层的耐磨性方面的研究缺乏，这种方法不仅可以克服热膨胀系数的差异引起的微观裂纹，降低稀释率，而且可以通过高能高密度能量得到高致密、高性能熔覆层合金，增强表面的强度和力学性能，还可以解决使用过程中热开裂和热磨损等问题，更重要的是降低成本，节约可利用资源。
发明内容
本发明针对具有大冲击载荷的服役环境的H13模具钢提供一种表面激光熔覆强化技术和激光熔覆合金粉末以及进行H13模具钢的激光熔覆方法，该方法利用激光熔覆用H13钢合金粉和Ni包WC粉末按一定的比例混合，在优化的工艺条件下，形成一种“网络状”结构，使熔覆层与基体有良好的匹配及适当的强度和硬度的同时，有效提高了熔覆层减磨耐磨性能。
为达到上述目的，根据本发明的实施例提供的一种H13模具钢用激光熔覆合金粉末，包括下述质量分数的原料：
H13合金粉末90-50％，镍包WC合金粉末10-50％；
所述H13合金粉末包括下述质量分数的原料：
C0.32-0.45％，Cr4.75-5.5％，Mn0.2-0.5％，Mo1.1-1.75％，Ni0.3％，Si0.8-1.2％，V0.8-1.2％，余量为Fe。
本发明进而提供了一种利用激光熔覆合金粉末进行H13模具钢的激光熔覆方法，包括下述步骤：
1)基体熔覆前预处理：选取H13模具钢为基体，进行去油、去锈并砂纸打磨至表面粗糙度为Ra＝0.2μm，最后用依次丙酮、酒精清洗干净；
2)配制激光熔覆用H13+镍包WC合金粉末：按照质量分数将90-50％H13合金粉末和10-50％镍包WC合金粉末混合；
3)基体预热：预热温度为150-350℃；
4)激光熔覆：采用激光熔覆机，以氩气为保护气，光纤激光器为发射激光源，以锥形粉束同轴送粉方式即将配制的激光熔覆用H13+镍包WC合金粉末进行多道搭接至基体上进行激光熔覆，控制激光熔覆的激光功率、光斑直径、扫描速度和送粉速度；达到搭接系数为0.6，熔覆层厚度为1-2mm；
5)激光熔覆后，进行微波快速退火处理即完成H13模具钢的激光熔覆。
进一步，所述激光熔覆的功率为600～900W，光斑直径为3～4mm，扫描速度为300～400mm/s，送粉速度为18～25g/s。
进一步，所述步骤5)，进行微波快速退火处理，退火温度为500℃，升降温速度为100℃/min，保温时间为5min；
进一步，H13模具钢的激光熔覆用H13+镍包WC合金粉末粒度为150-300μm，熔覆层形成晶界强化型网络状结构，其硬度为836.2-2670.7HV。
进一步，在2Kg的载荷下，熔覆层形成晶界强化型网络状结构的摩擦系数为0.5-0.7，比磨损率为1.007×10-8-5.2529×10-8mm3/N·m；电化学试验腐蚀电位为-0.083～-0.234V，腐蚀电流为2.06×10-7-3.36×10-8A/cm3。
本发明的有益效果如下：
本发明以与基体材料为熔覆合金粉，添加适量的WC颗粒，经过激光熔覆工艺，形成耐磨损的激光熔覆合金层，提高熔覆层耐腐蚀能力，并解决大面积多道搭接易开裂问题。首先，该熔覆层具有和基体相同的基质材料，提高了材料的浸润性，减少了热应力的产生，避免了熔覆层多道搭接时开裂现象；通过添加适量的WC颗粒，在界面处形成元素偏聚，进行晶界强化，形成具有细小晶粒的网状结构，使熔覆层具有低摩擦系数、较高的耐磨性和耐蚀性，并提高强度和韧性。
其次，合金粉成分尽可能简单化设计，降低成本和提高熔覆工艺稳定性，保证了H13模具钢的激光表面强化质量和有效寿命。
实验表明，此激光熔覆合金粉末形成的熔覆层形貌平整无裂纹，熔覆层微观组织为“网络状”结构，其硬度为836.2～2670HV，摩擦系数为0.5～0.7，比磨损率为1.007ⅹ10-8～5.2529ⅹ10-8mm3/N·m，可显著提升了H13模具钢的耐磨性和耐腐蚀性，满足模具钢表面强化所需要求。
本发明合金粉末尽可能简单化，技术可操作性强，稳定性、可重复性高，保证熔覆层材料与基体良好冶金结合，解决了H13钢本身及传统方法强化后所引起的挤压、热开裂、塌陷、磨损失效等问题，提高H13钢在大冲击载荷及强腐蚀等服役环境中的使用寿命。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
本发明利用激光熔覆H13+WC(Ni包)合金粉末强化H13模具钢的方法，包括下述步骤：
1)基体熔覆前预处理：选取H13模具钢为基体，试样尺寸为50mm×30mm×10mm，并进行熔覆前常规预处理：去油、去锈并砂纸打磨至表面粗糙度为Ra＝0.2μm，最后用丙酮、酒精清洗干净；
2)配比激光熔覆用不同成分的H13+镍包WC合金粉末：H13合金粉末质量分数为90-50％，Ni包WC合金粉末为10-50％，合金粉末粒度为150-300μm；其中，H13合金粉的成分如表1所示。
表1 H13合金粉的成分wt％
3)基体预热：预热温度为150-350℃；
4)激光熔覆：采用LDM2000多功能数控激光熔覆机，以氩气为保护气，CO2激光器为发射激光源，锥形粉束同轴送粉方式将配制的激光熔覆用H13+镍包WC合金粉末进行多道搭接至基体上进行多道搭接激光熔覆，搭接系数为0.6，熔覆层厚度约为1-2mm；激光熔覆的激光功率为600W～900W、光斑直径为3～4mm、扫描速度为300-400mm/s、送粉速度为18～25g/s；
4)熔覆后，进行微波快速退火处理，退火温度为500℃，升降温速度为100℃/min，保温时间为5min；即完成H13模具钢的激光熔覆。进行微观结构和性能检测。
将熔覆后的试样沿垂直于扫描方向线切割，熔覆层表面及横断面均用渗透法检测裂纹，微观结构表征采用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、能谱(EDAX)；耐磨损性能通过高温摩擦磨损试验机在室温下，以Si3N4为摩擦副，进行对磨，载荷为500g、1000g、2000g，时间为1h、2h；耐腐蚀性基于冲刷腐蚀实验、Cu离子加速盐雾试验进行评价；表面硬度使用显微硬度计测定。
下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
选用H13模具钢(尺寸：50mm×30mm×10mm)作为基底，进行熔覆前预处理：去油、去锈并砂纸打磨至表面粗糙度为Ra＝0.2μm，最后用丙酮、酒精清洗干净。
以氩气作为保护气氛，采用LDM2000多功能数控激光熔覆机进行激光熔覆。其中，搭接系数为0.6，功率P为700W、光斑直径D为3mm、扫描速度VS为300mm/s、送粉速度Vf为18g/s。
本实施例中采用90％H13+10％镍包WC合金粉末进行激光熔覆，合金粉末粒度为150μm；基体预热温度为150℃。
表一H13合金粉的成分wt％
熔覆样品熔覆层形貌光亮、无裂纹、成形性良好，形成以铁素体相为主、Fe/Cr碳化物为辅的物相结构，微观组织为“网络状”结构，WC融入晶界中形成晶界强化，发展良好；平均硬度为927.8HV，相较于基体提高474.6HV；在2Kg的载荷下，摩擦系数为0.6-0.7，比磨损率为5.2529×10-8mm3/N·m；电化学试验腐蚀电位和腐蚀电流分别为-0.234V和2.06×10- 7A/cm3。相较于基体，耐磨损性能提高3倍以上，耐蚀性提高2倍以上。
实施例2
选用H13模具钢(尺寸：50mm×30mm×10mm)作为基底，进行熔覆前预处理：去油、去锈并砂纸打磨至表面粗糙度为Ra＝0.2μm，最后用丙酮、酒精清洗干净。
以氩气作为保护气氛，采用LDM2000多功能数控激光熔覆机进行激光熔覆。其中，功率P为900W、光斑直径D为3mm、扫描速度VS为350mm/s、送粉速度Vf为20g/s。
本实施例中采用70％H13+30％WC合金粉末进行激光熔覆，合金粉末粒度为180μm，基体预热温度为200℃。
其中，H13合金粉的成分如表1所示。
表1 H13合金粉的成分wt％
熔覆样品熔覆层形貌光亮、无裂纹、成形性良好，形成以铁素体相为主、Fe/Cr碳化物为辅的物相结构，微观组织为“网络状”结构，WC融入晶界中形成晶界强化，发展良好；平均硬度为836.2HV，相较于基体提高383.5HV；在2Kg的载荷下，摩擦系数为0.5-0.6，比磨损率为1.3148×10-8mm3/N·m；电化学试验腐蚀电位和腐蚀电流分别为-0.197V和2.64×10- 7A/cm3。相较于基体，耐磨损性能提高3倍以上，耐蚀性提高2倍以上。
实施例3
选用H13模具钢(尺寸：50mm×30mm×10mm)作为基底，进行熔覆前预处理：去油、去锈并砂纸打磨至表面粗糙度为Ra＝0.2μm，最后用丙酮、酒精清洗干净。
以氩气作为保护气氛，采用LDM2000多功能数控激光熔覆机进行激光熔覆。其中，功率P为600W、光斑直径D为4mm、扫描速度VS为400mm/s、送粉速度Vf为25g/s。
本实施例中采用50％H13+50％WC合金粉末进行激光熔覆，合金粉末粒度为300μm，基体预热温度为350℃。
其中，H13合金粉的成分如表1所示。
表1 H13合金粉的成分wt％
熔覆样品熔覆层形貌光亮、无裂纹、成形性良好，形成以铁素体相为主、Fe/Cr碳化物为辅的物相结构，微观组织为“网络状”结构，WC融入晶界中形成晶界强化，发展良好；平均硬度为2670.7HV，相较于基体提高2216.7HV；在2Kg的载荷下，摩擦系数为0.5-0.6，比磨损率为1.007×10-8mm3/N·m；电化学试验腐蚀电位和腐蚀电流分别为-0.083V和3.36×10- 8A/cm3。相较于基体，耐磨损性能提高4倍以上，耐蚀性提高3倍以上。
本发明研发的激光熔覆技术及合金粉末与以往的激光熔覆工艺及粉末相比，更适用于H13模具钢。首先，本发明另辟蹊径，采用与基体相同的基质粉末，降低稀释率问题，减少热应力，增加了与基体的冶金结合，解决大面积多道搭接易开裂问题；其次，添加一定比例的WC，经过调质处理，形成晶界强化型的“网络状”结构，保证了熔覆层具有足够的强度和韧性，提高熔覆层耐磨损、耐腐蚀能力；最后，合金粉成分尽可能简单化设计，降低成本和提高熔覆工艺稳定性和可重复性，提高H13钢的激光强化质量和有效寿命。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种H13模具钢用激光熔覆合金粉末，其特征在于，包括下述质量分数的原料：
H13合金粉末90-50％，镍包WC合金粉末10-50％；
所述H13合金粉末包括下述质量分数的原料：
C0.32-0.45％，Cr4.75-5.5％，Mn0.2-0.5％，Mo1.1-1.75％，Ni0.3％，Si0.8-1.2％，V0.8-1.2％，余量为Fe。
2.一种利用激光熔覆合金粉末进行H13模具钢的激光熔覆方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)基体熔覆前预处理：选取H13模具钢为基体，进行去油、去锈并砂纸打磨至表面粗糙度为Ra＝0.2μm，最后用依次丙酮、酒精清洗干净；
2)配制激光熔覆用H13+镍包WC合金粉末：按照质量分数将90-50％H13合金粉末和10-50％镍包WC合金粉末混合；
3)基体预热：预热温度为150-350℃；
4)激光熔覆：采用激光熔覆机，以氩气为保护气，光纤激光器为发射激光源，以锥形粉束同轴送粉方式将配制的激光熔覆用H13+镍包WC合金粉末进行多道搭接至基体上进行激光熔覆，控制激光熔覆的激光功率、光斑直径、扫描速度和送粉速度；达到搭接系数为0.6，熔覆层厚度为1-2mm；
5)激光熔覆后，进行微波快速退火处理即完成H13模具钢的激光熔覆。
3.根据权利要求2所述的一种利用激光熔覆合金粉末进行H13模具钢的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆的功率为600～900W，光斑直径为3～4mm，扫描速度为300～400mm/s，送粉速度为18～25g/s。
4.根据权利要求2所述的一种利用激光熔覆合金粉末进行H13模具钢的激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤5)，进行微波快速退火处理，退火温度为500℃，升降温速度为100℃/min，保温时间为5min。
5.根据权利要求2所述的一种利用激光熔覆合金粉末进行H13模具钢的激光熔覆方法，其特征在于，H13模具钢的激光熔覆用H13+镍包WC合金粉末粒度为150-300μm，熔覆层形成晶界强化型网络状结构，其硬度为836.2-2670.7HV。
6.根据权利要求2所述的一种利用激光熔覆合金粉末进行H13模具钢的激光熔覆方法，其特征在于，在2Kg的载荷下，熔覆层形成晶界强化型网络状结构的摩擦系数为0.5-0.7，比磨损率为1.007×10-8-5.2529×10-8mm3/N·m；电化学试验腐蚀电位为-0.083～-0.234V，腐蚀电流为2.06×10-7-3.36×10-8A/cm3。
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