CN112538626B - 一种模具钢激光增材修复与表面合金化改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模具钢激光增材修复与表面合金化改性方法。首先对待修复模具表面进行机械加工、清洁、喷砂及烘干前处理，再采用激光增材修复工艺参数如下：激光功率为1500‑2000W，扫描速度为15～18mm/s，光斑直径为5～6mm，送粉量为25‑30g/min，搭接量55%，高度方向增量Z为0.3~0.4毫米/层；模具表面机加工、恢复尺寸后，激光表面合金化处理，激光功率为700‑900W，光斑直径为3～4mm，扫描速度为12‑14mm/s，送粉量为5‑8g/min，搭接量50%；最后对模具机械磨削及抛光，恢复至原尺寸及精度。本发明可提高修复区的表面性能，表面合金化层的平均显微硬度达1100HV。

Description

一种模具钢激光增材修复与表面合金化改性方法
技术领域
本发明涉及激光金属材料加工领域，尤其涉及一种模具钢激光增材修复与表面合金化改性方法。
背景技术
激光增材修复具有热输入低、稀释小、热影响区小及变形小等特点，被广泛应用于磨损模具的快速修复。然而，一方面，模具修复后性能难以100%恢复；另一方面，服役过程中模具修复区依然面临再次磨损。因此，有必要对模具修复区进行表面改性处理，以提升模具表面性能及使用寿命。激光表面合金化是一种表面改性技术，它以高能激光束为热源将基材快速加热熔化，并将增强粉末注入熔池，从而形成以原基材为基的新表面合金化层。该技术可有效提升金属表面的硬度、耐磨性及使用寿命等。目前，激光表面合金化过程中存在强化颗粒均匀性差、易产生微裂纹等问题。本发明提出一种模具钢激光增材修复与表面合金化改性方法，可有效提高模具修复质量及表面力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种模具钢激光增材修复与表面合金化改性方法。
一种模具钢激光增材修复与表面合金化改性方法，包括以下步骤：
步骤一：对待修复模具表面进行前处理，包括待磨损区机械加工、清洁、喷砂及烘干。
步骤二：采用热成像仪对激光增材修复过程中熔池进行监测，获得熔池形貌及温度变化信息，计算出熔池长轴平均值a与短轴平均值b，提取熔池表面平均温度T。
步骤三：根据1.5≤a/b≤2.0且2200℃≤T≤2600℃原则对工艺参数进行优化。
步骤四：获得的优化工艺窗口如下：激光功率为1500-2000W，扫描速度为15～18mm/s，光斑直径为5～6mm，送粉量为25-30g/min，搭接量55%，高度方向增量Z为0.3~0.4毫米/层；
步骤五：按上述工艺参数及方法对模具磨损区进行激光增材修复，再对修复的模具进行机械精加工，获得高质量的模具钢修复零件；
步骤六：对修复模具表面进行激光表面合金化处理，工艺参数如下：激光功率为700-900W，光斑直径为3～4mm，扫描速度为12-14mm/s，送粉量为5-8g/min，搭接量50%，获得表面强化的激光修复零件；
步骤七：修复模具后续处理，对修复与改性后模具进行机械磨削及抛光，恢复至模具设计的尺寸及精度。
在步骤二中，热成像仪发射率设置为1.08，单个数据采集时间为1ms。
在步骤五中，合金粉末为模具钢粉、纯锆粉与纯铬粉的混合粉末，其中包括质量分数为98%的模具钢粉末，1%的纯锆粉与1%的纯铬粉。
在步骤五中，填充路径为交叉扫描路径。
在步骤六中，合金粉末为质量比为62%Ni60，34%钴包碳化钨，4%氧化钇。
在步骤六中，扫描路径为单向路径。
所述的模具钢，包括冷作模具钢(如Cr12MoV)、热作模具钢(如H13)和塑料模具钢(如40Cr)。
本发明通过大量实验验证，根据1.5≤a/b≤2.0且2200℃≤T≤2600℃原则对工艺参数进行优化与选取，获得的优化工艺参数如下：激光功率为1500-2000W，扫描速度为15～18mm/s，光斑直径为5～6mm，送粉量为25-30g/min，搭接量55%，高度方向增量Z为0.3~0.4毫米/层；按优化工艺参数及方法进行激光增材修复，可保证修复过程中足够的激光能量输入与较高的熔池冷却速率，避免冶金缺陷与细化枝晶组织，获得高质量的修复零件。此外，通过在模具钢合金粉末中加入1%的纯锆粉与1%的纯铬粉，可以有效细化修复零件的显微组织及防止热裂纹的产生。对修复模具表面进行合金化处理，工艺参数如下：激光功率为700-900W，光斑直径为3～4mm，扫描速度为12-14mm/s，送粉量为5-8g/min，搭接量50%。通过在合金粉末中加入34%钴包碳化钨与4%氧化钇，一方面可以形成WC颗粒增强效果，且WC颗粒与基体形成良好的扩散界面；另一方面，高熔点氧化钇颗粒的加入，在熔池凝固过程中为晶粒形核提供异质形核点，进而细化晶粒，起到细晶强化效果。本发明通过对增材修复工艺及表面合金化工艺参数的严格控制，在保证模具修复质量的情况下，同时提高修复区的表面性能，表面合金化层的平均显微硬度可达1100HV。
附图说明
图1为现有方法得到的增材修复试样金相图；
图2为本发明得到的增材修复与改性试样金相图。
具体实施方式
实施例1
步骤一：对待修复H13模具的磨损区进行机械加工、清洁、喷砂及烘干。
步骤二：采用热成像仪对激光增材修复过程中熔池进行监测，获得熔池形貌及温度变化信息，计算出熔池长轴平均值a与短轴平均值b，提取熔池表面平均温度T。
步骤三：根据1.5≤a/b≤2.0且2200℃≤T≤2600℃原则对工艺参数进行优化。
步骤四：获得的优化工艺参数如下：激光功率为1800W，扫描速度为15.5mm/s，光斑直径为5.8mm，送粉量为26g/min，搭接量55%，高度方向增量Z为0.3~0.4毫米/层。粉材为98%的H13钢粉末、1%的纯锆粉与1%的纯铬粉。
步骤五：按上述工艺参数及方法对模具磨损区进行激光增材修复，再对修复的模具进行机械精加工，获得高质量的模具钢修复零件。
步骤六：对已修复H13模具表面进行激光表面合金化处理，工艺参数如下：激光功率为800W，光斑直径为3.5mm，扫描速度为13.5mm/s，送粉量为6g/min，搭接量50%，获得表面强化的激光修复零件。
步骤七：修复模具后续处理，对修复与改性后模具进行机械磨削及抛光，恢复至模具设计的尺寸及精度。
图1为采用现有方法所获得的增材修复试样金相图。
修复试样修复区无明显冶金缺陷，显微结构较均匀，其平均显微硬度为260HV，与H13模具钢基材十分接近。
图2为采用本发明实施例1所获得的增材修复与改性试样金相图。从图中可以看出，试样具有明显的合金化层，合金化层内含有大量的钨碳化合物，这些颗粒对合金化层起强化作用。合金化层的平均显微硬度高达1100HV。上述结果表明，采用本发明方法可以有效地提高增材修复模具的表面性能。
实施例2
步骤一：对待修复40Cr模具的磨损区进行机械加工、清洁、喷砂及烘干。
步骤二：采用热成像仪对激光增材修复过程中熔池进行监测，获得熔池形貌及温度变化信息，计算出熔池长轴平均值a与短轴平均值b，提取熔池表面平均温度T。
步骤三：根据1.5≤a/b≤2.0且2200℃≤T≤2600℃原则对工艺参数进行优化。
步骤四：获得的优化工艺参数如下：激光功率为1750W，扫描速度为16mm/s，光斑直径为5.5mm，送粉量为28g/min，搭接量55%，高度方向增量Z为0.35毫米/层。粉材为98%的40Cr钢粉末、1%的纯锆粉与1%的纯铬粉。
步骤五：按上述工艺参数及方法对模具磨损区进行激光增材修复，再对修复的模具进行机械精加工，获得高质量的模具钢修复零件。
步骤六：对已修复40Cr模具表面进行激光表面合金化处理，工艺参数如下：激光功率为760W，光斑直径为3.5mm，扫描速度为13mm/s，送粉量为7.2g/min，搭接量50%，获得表面强化的激光修复零件。
步骤七：修复模具后续处理，对修复与改性后模具进行机械磨削及抛光，恢复至模具设计的尺寸及精度。
获得修复与改性后的40Cr模具，模具修复区无明显冶金缺陷，显微结构均匀，表面改性层层的平均显微硬度可达1100HV。上述结果表明，采用本发明方法可以有效地提高增材修复模具的表面性能。

Claims (7)

1.一种模具钢激光增材修复与表面合金化改性方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：对待修复模具表面进行前处理，包括待磨损区机械加工、清洁、喷砂及烘干；
步骤二：采用热成像仪对激光增材修复过程中熔池进行监测，获得熔池形貌及温度变化信息，计算出熔池长轴平均值a与短轴平均值b，提取熔池表面平均温度T；
步骤三：根据1.5≤a/b≤2.0且2200℃≤T≤2600℃原则对工艺参数进行优化；
步骤四：获得的优化工艺窗口如下：激光功率为1500-2000W，扫描速度为15～18mm/s，光斑直径为5～6mm，送粉量为25-30g/min，搭接量55%，高度方向增量Z为0.3~0.4毫米/层；
步骤五：按上述工艺参数及方法对模具磨损区进行激光增材修复，再对修复的模具进行机械精加工，获得高质量的模具钢修复零件，激光增材修复的合金粉末为模具钢粉、纯锆粉与纯铬粉的混合粉末，其中包括质量分数为98%的模具钢粉末，1%的纯锆粉与1%的纯铬粉；
步骤六：对修复模具表面进行激光表面合金化处理，工艺参数如下：激光功率为700-900W，光斑直径为3～4mm，扫描速度为12-14mm/s，送粉量为5-8g/min，搭接量50%，获得表面强化的激光修复零件；
步骤七：修复模具后续处理，对修复与改性后模具进行机械磨削及抛光，恢复至模具设计的尺寸及精度。
2.根据权利要求1所述的一种模具钢激光增材修复与表面合金化改性方法，其特征在于：在步骤二中，热成像仪发射率设置为1.08，单个数据采集时间为1ms。
3.根据权利要求1所述的一种模具钢激光增材修复与表面合金化改性方法，其特征在于：在步骤五中，填充路径为交叉扫描路径。
4.根据权利要求1所述的一种模具钢激光增材修复与表面合金化改性方法，其特征在于：在步骤六中，合金粉末为质量比为62%Ni60，34%钴包碳化钨，4%氧化钇。
5.根据权利要求1所述的一种模具钢激光增材修复与表面合金化改性方法，其特征在于：在步骤六中，扫描路径为单向路径。
6.根据权利要求1所述的一种模具钢激光增材修复与表面合金化改性方法，其特征在于：所述的模具钢，为冷作模具钢、热作模具钢或塑料模具钢。
7.根据权利要求6所述的一种模具钢激光增材修复与表面合金化改性方法，其特征在于：冷作模具钢为Cr12MoV，热作模具钢为H13，塑料模具钢为40Cr。
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