CN113278966A - 一种用于挤压模具钢Cr12MoV激光熔覆的铁基合金粉末及激光熔覆方法 - Google Patents

一种用于挤压模具钢Cr12MoV激光熔覆的铁基合金粉末及激光熔覆方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于挤压模具钢Cr12MoV激光熔覆的铁基合金粉末及其激光熔覆方法，该铁基合金粉末由以下质量百分比的组分组成：WC 5%~10%，Cr3C215%~25%，Fe 57%~79%，CeO21%~8%。该激光熔覆方法是将所述铁基合金粉末采用高速激光熔覆在挤压模具钢Cr12MoV基体表面制备熔覆层。本发明通过对传统挤压模具表面强化改性，用高速激光熔覆的方法，在模具钢表面熔覆了一层高强度且厚度为1‑2mm的具有冶金结合的熔覆层，获得的熔覆层对挤压模具能起到保护作用，其表面硬度与耐磨性都有了极大的改善，能可观的延长挤压模具在使用过程中的寿命。本发明制备的熔覆层与基体模具相比，熔覆层的硬度提升了将近3‑5倍左右，熔覆层的磨损量也相比基体更少。

Description

一种用于挤压模具钢Cr12MoV激光熔覆的铁基合金粉末及激 光熔覆方法
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，具体涉及一种用于挤压模具钢Cr12MoV激光熔覆的铁基合金粉末及高速激光熔覆方法。
背景技术
模具是一种重要的加工工艺装备，是国民经济各工业部门发展的重要基础之一，模具性能的好坏，寿命高低，直接影响产品的质量和经济效益，而模具材料表面处理是影响模具寿命诸因素中的主要因素，因而为了提高模具的使用寿命，降低成本，增加效益，这就要求模具材料表面的硬度与耐磨性强。目前，采用激光熔覆技术可以改善基体表面性能，激光熔覆制备的熔覆层可以对基体形成保护。
挤压是一种少无切削的金属塑性加工工艺。它是将金属坯料放在模腔内，在强大的压力作用下，将金属坯料从模具中挤出，从而获得具有一定形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。因此，在挤压加工过程中，模具的质量决定被加工件的好坏，对挤压件的形成有决定性作用。
综上，开发合适的挤压模具用激光熔覆保护的粉末及工艺是极其重要的。本发明旨在提供一种用于挤压模具激光熔覆Cr12MoV的铁基合金粉末及其高速激光熔覆方法。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种用于挤压模具钢Cr12MoV激光熔覆的铁基合金粉末，本发明的第二目的在于提供一种激光熔覆权利所述铁基合金粉末的方法。
本发明的第一目的是这样实现的，一种用于挤压模具钢Cr12MoV激光熔覆的铁基合金粉末，由以下质量百分比的组分组成：WC 5%~10%，Cr3C215%~25%，Fe 57%~79%， CeO21%~8%。
本发明的第二目的是这样实现的，一种激光熔覆所述铁基合金粉末的方法，是将所述铁基合金粉末采用高速激光熔覆在挤压模具钢Cr12MoV基体表面制备熔覆保护层。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供了一种铁基合金激光熔覆粉末，铁基合金熔覆层跟挤压模具钢Cr12MoV基体成分相同，高速激光熔覆过程中润湿性好，能更容易与基体结合，价格低廉，强度高。另外，本发明首次在高速激光熔覆粉末中加入了稀土元素CeO2，稀土元素CeO2在熔覆过程中起了非常重要的作用。纯稀土金属极易与其他元素反应，生成稳定的化合物，在熔覆层凝固过程中可以作为结晶核心、增加形核率，并吸附于晶界阻止晶粒长大，显著细化枝晶组织。同时，稀土元素易存在于晶界，既强化晶界又净化晶界，在内氧化层前沿阻碍氧化过程继续进行，可明显提高高温抗氧化性能和耐腐蚀性能。另外，稀土粉末还可有效改善熔覆层的显微组织，使硬质相WC颗粒形状得到改善并在熔覆层中均匀分布。
2、本发明通过对传统挤压模具表面强化改性，用高速激光熔覆的方法，在模具钢表面熔覆了一层高强度、1-2mm厚的具有冶金结合的熔覆层。获得的熔覆层对挤压模具能起到保护作用，其表面硬度与耐磨性都有了极大的改善，能可观的延长挤压模具在使用过程中的寿命。采用高速激光熔覆将粉末颗粒加热到接近熔化温度，然后高速喷射到基体表面，与基体的熔池短暂接触后形成极薄的冶金层，通过相对于激光辐射移动工件，高速激光熔覆速度很快，熔覆层中的陶瓷颗粒，部分未能融化，镶嵌在熔覆层中，Fe基粉融进在硬质陶瓷颗粒的周围，可得到几乎100%的冶金结合，而陶瓷颗粒镶嵌在熔覆层中，可以提高其强度和耐磨性。
3、本发明制备的熔覆层与模具钢表面呈现冶金结合，结合良好，无气孔与裂纹等明显缺陷。与基体模具相比，熔覆层的硬度提升了将近3-5倍左右，熔覆层的磨损量也相比基体更少，在相同的摩擦试验条件下，熔覆层磨损量几乎可以不计。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，并且具有较高的耐磨性。在受力时，熔覆层能够对挤压模具形成保护作用，从而降低模具损坏的风险，延长冷挤压模具的使用寿命。
附图说明
图1为实施例9表面熔覆的铁基合金粉末宏观形貌；
图2为实施例9制备的熔覆层表面的电镜扫描图，其中，图2a、2b、2c、2d分别为50倍、200倍、500倍、1000倍的熔覆层表面的电镜扫描图；
图3为实施例9高速激光熔覆后熔覆层和基体结合处的电镜扫描图，其中，图3a、3b、3c、3d分别为50倍、200倍、500倍、1000倍的基体熔覆层之间结合区显微组织图；
图4为实施例9制备的熔覆层的横截面显微硬度分布图；
图5为实施例9采用的高速激光熔覆基体磨损图；
图6为实施例9制备的高速激光熔覆熔覆层的磨损图；
图7为实施例9高速激光熔覆后的基体和熔覆层的三维白光磨损图，其中图7a为基体的三维白光磨损图，图7b为熔覆层的三维白光磨损图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
本发明一种用于挤压模具钢Cr12MoV激光熔覆的铁基合金粉末，由以下质量百分比的组分组成：WC 5%~10%，Cr3C215%~25%，Fe 57%~79%，CeO21%~8%。各组分为纯度大于99%的流动性好的球形粉末，粒径为50~150μm。
本发明一种高激光熔覆所述铁基合金粉末的方法，是将所述铁基合金粉末粉末采用高速激光熔覆在挤压模具钢Cr12MoV基体表面制备熔覆层。
所述熔覆层厚度为1-2mm，优选1.5mm。
熔覆过程中采用同轴送粉方式，采用压缩空气进行防护。
高速激光熔覆的工艺参数为：熔覆用激光功率，为1000~2000W，采用0.4~0.5的搭接率，光斑直径为3mm，，送粉速度以及进给速度分别为2.2-3.0g/min以及20-27mm/s。
高速激光熔覆前，将所述铁基合金粉末按照比例混合后置于烘箱中烘干，温度为70-90℃，干燥1.5-3h后随烘箱冷却至室温。
根据权利要求6所述方法，其特征在于，铁基合金粉末于球磨机中进行机械混合，球磨参数为100-150r/min，球磨时间为1-2h，球料比为3-4∶1。
所述球磨机型号为QM-3PS2。
挤压模具钢Cr12MoV基体的预处理方法如下：将挤压模具钢Cr12MoV加工成光板，用机械加工或手工打磨对基体表面的氧化层及杂质进行打磨，使其脱落。
高速激光熔覆前，用无水乙醇擦拭基体表面使其保持干燥清洁。
对高速激光熔覆后的基体表面进行手工打磨平整或机械加工至见光。
所述挤压模具钢Cr12MoV基体由以下质量百分比的组分构成： C 1.45~1.70，Si≤0.40；Mn≤0.35；Cr 11.0~12.50，Mo 0.40~0.60，P≤0.030，S≤0.030；V 0.15~0.30，其余为Fe。
以下结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
用于挤压模具钢Cr12MoV高速激光熔覆的铁基合金粉末，由以下质量百分比的组分组成： WC 5%，Cr3C215%，Fe 79%， CeO21%；各组分纯度大于99%，粒径为50~150μm。
实施例2
用于挤压模具钢Cr12MoV高速激光熔覆的铁基合金粉末，由以下质量百分比的组分组成： WC10%，Cr3C225%，F57%， CeO28%；各组分纯度大于99%，粒径为50~150μm。
实施例3
用于挤压模具钢Cr12MoV高速激光熔覆的铁基合金粉末，由以下质量百分比的组分组成： WC 8%，Cr3C220%，Fe 68%， CeO24%；各组分纯度大于99%，粒径为50~150μm。
实施例4
用于挤压模具钢Cr12MoV激光熔覆的铁基合金粉末，由以下质量百分比的组分组成： WC 7%，Cr3C2 18%，Fe 69%， CeO2 6%；各组分纯度大于99%，粒径为50~150μm。
实施例5
用于挤压模具钢Cr12MoV激光熔覆的铁基合金粉末，由以下质量百分比的组分组成： WC 10%，Cr3C2 15%，Fe 74%， CeO2 1%；各组分纯度大于99%，粒径为50~150μm。
实施例6
用于挤压模具钢Cr12MoV激光熔覆的铁基合金粉末，由以下质量百分比的组分组成： WC 10%，Cr3C220%，Fe 62%， CeO2 8%；各组分纯度大于99%，粒径为50~150μm。
实施例7
用于挤压模具钢Cr12MoV激光熔覆的铁基合金粉末，由以下质量百分比的组分组成： WC 8%，Cr3C215%，Fe 76%， CeO2 1%；各组分纯度大于99%，粒径为50~150μm。
实施例8
用于挤压模具钢Cr12MoV激光熔覆的铁基合金粉末，由以下质量百分比的组分组成： WC 5%，Cr3C225%，Fe 65%， CeO2 5%；各组分纯度大于99%，粒径为50~150μm。
实施例9
将挤压模具钢Cr12MoV加工成光板，用机械加工或手工打磨对基体表面的氧化层及杂质进行打磨，使其脱落，用无水乙醇擦拭基体表面使其保持干燥清洁。
按照实施例1铁基合金粉末比例将Fe、WC和Cr3C2还有稀土元素CeO2混合后置于烘箱中于70℃下干燥1.5h，之后随烘箱冷却至室温。调节高速激光熔覆的工艺参数：熔覆用激光功率为1000W，采用0.4的搭接率，光斑直径为3mm，送粉速度以及进给速度分别为2.2g/min以及20mm/s。在该工艺参数下，采用同轴送粉方式，采用压缩空气进行防护，实现在挤压模具钢Cr12MoV基体表面制备熔覆层。最后对高速激光熔覆后的基体表面进行手工打磨平整或机械加工至见光。
实施例10
铁基合金粉末干燥温度为90℃，干燥时间为3h，高速激光熔覆的工艺参数：熔覆用激光功率，为2000W，采用0.5的搭接率，光斑直径为3mm，送粉速度以及进给速度分别为3.0g/min以及27mm/s。其他步骤同实施例9。
实施例11
铁基合金粉末干燥温度为80℃，干燥时间为2.2h，高速激光熔覆的工艺参数：熔覆用激光功率，为1500W，采用0.45的搭接率，光斑直径为3mm，送粉速度以及进给速度分别为2.6g/min以及24mm/s。其他步骤同实施例9。
试验例1
1、对实施例9挤压模具钢Cr12MoV表面熔覆的铁基合金粉末宏观形貌及显微图分别进行观察，分别如图1和图2所示。从图2可知，图(a)中有WC颗粒大多汇聚在结合线与搭接线上，而且结合线与搭接线处的大多数单个WC颗粒的面积明显大于其他位置单个WC颗粒的面积。图(b)分布的WC颗粒，白色小颗粒为加入的稀土元素CeO2，稀土元素易存在于晶界，既强化晶界又净化晶界，稀土粉末还可有效改善熔覆层的显微组织，使硬质相WC颗粒形状得到改善并在熔覆层中均匀分布。图(c)中有个大的WC颗粒，图(d)晶界较为明显，晶粒减小，柱状树枝晶的长度短，CeO2的加入增加了熔覆层的结核率，细化熔覆层组织，起到细化晶粒的作用。
2、对实施例9熔覆层和基体结合处进行电镜扫描，图3（a-d）分别显示了不同倍数下的熔覆层的横截面形态，横截面分为三部分：熔覆层、结合区、Cr12MoV基体。从图3各图可以清晰地看出，熔覆层组织较为疏散，结合面处组织致密，晶体方向性较弱，熔覆层呈现铁灰色，结合区的亮度高，所以称其为“亮带”，基体呈现黑色。图(a)中，截面中白色球形颗粒和灰色区域分别为碳化钨强化相和铁基合金结合层。球形碳化钨颗粒保持了较好的原始状态。由于碳化钨与铁基金属的密度相差较大，碳化钨颗粒在熔池中析出。图(b)在涂层下部靠近过渡层的区域，白色小点为CeO2，结合区组织致密，亮带连续，但不明显，晶粒细化显著。从图(c)、(d)可以看到熔覆层与过渡层有良好的冶金结合；从图(d)可以看到过渡层与基体之间有良好的冶金结合。综上可知，采用本发明方法制备所得熔覆层与基体结合良好，且结合处及熔覆层内部不存明显缺陷，基体与熔覆层之间呈冶金结合。
3、对实施例9高速激光熔覆后的基体显微硬度进行分析，从图4中可以看出高速激光熔覆层的硬度波动较大，熔覆层的平均硬度为585.91HV，激光光熔覆层的硬度相对于基体层平均提高了3-5倍，能明显保护模具钢的表面，增强模具钢的表面硬度。
4、对实施例9挤压模具钢Cr12MoV基体及高速激光熔覆后的基体分别进行磨损试验。
试验方法：选用摩擦磨损试验机MS-T3001，摩擦副分别为GCr15轴承钢球和模具钢Cr12MoV基试样盘、GCr15轴承钢球和熔覆后试样盘。固定参数为：载荷10N，转速300r/min，旋转直径6mm。实验前分别石油醚和乙醇超声清洗球和盘，使其表面光洁，启动机器旋转，测试时间30min后，试验停止。
磨损试验结果分别如图5和图6所示。从图5中可以看到在基体摩擦过程中，磨损程度较大，磨痕深度最高可达到35μm，磨损宽度高达1mm，呈现出一个大的沟壑状，表明基体的摩擦性能较差。
比较基体的磨损深度图，在熔覆层磨损图（图6）中，可以看到有明显的差异，首先摩擦过程中，磨损程度呈现非连续性的现象，其次磨损的深度在最深度只有4μm左右，并且磨损的总宽度有0.2mm左右，且只有几个断断续续的小峰式的的沟壑。
5、对实施例9高速激光熔覆后的基体和熔覆层的磨损情况进行分析，从三维白光磨损图（图7）中可以直观的看到，基体的磨损程度较深，根据三维图像（7a）的颜色能清楚的看到，基体的表面脱落，对于熔覆层图像中（7b），可以看到三维体积基本无太大变化，整体颜色与未摩擦的位置一致，表明熔覆层表面脱落物质少，表明熔覆层能较大的增强基体表面的耐磨性能，从而对基体起到保护作用，表明熔覆层对模具钢的表面起到保护作用，在正常的挤压工况下，能增加挤压模具的耐磨性能，延长挤压模具的使用时间。

Claims (10)

1.一种用于挤压模具钢Cr12MoV激光熔覆的铁基合金粉末，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：WC 5%~10%，Cr3C215%~25%，Fe 57%~79%， CeO21%~8%。
2.根据权利要求1所述铁基合金粉末，其特征在于，粉末微观形貌为球形或近球形，粒径为50~150μm。
3.一种激光熔覆权利要求1或2所述铁基合金粉末的方法，其特征在于，将所述铁基合金粉末采用高速激光熔覆在挤压模具钢Cr12MoV基体表面制备熔覆层。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述熔覆层的厚度范围为1-2mm。
5.根据权利要求3所述方法，其特征在于，熔覆过程中采用同轴送粉方式，采用压缩空气进行防护。
6.根据权利要求3所述方法，其特征在于，高速激光熔覆的工艺参数为：熔覆用激光功率为1000~2000W，采用0.4~0.5的搭接率，光斑直径为3mm，速度以及进给速度分别为2.2-3.0g/min以及20-27mm/s。
7.根据权利要求3所述方法，其特征在于，高速激光熔覆前，将所述铁基合金粉末按照比例混合后置于烘箱中烘干，温度为70-90℃，干燥1.5-3h后随烘箱冷却至室温。
8.根据权利要求6所述方法，其特征在于，铁基合金粉末于球磨机中进行机械混合，球磨参数为100-150r/min，球磨时间为1-2h，球料比为3-4∶1。
9.根据权利要求3所述方法，其特征在于，挤压模具钢Cr12MoV基体的预处理方法如下：将挤压模具钢Cr12MoV加工成光板，用机械加工或手工打磨对基体表面的氧化层及杂质进行打磨，使其脱落；高速激光熔覆前，用无水乙醇擦拭基体表面使其保持干燥清洁。
10.根据权利要求3-9任意一项所述方法，其特征在于，所述挤压模具钢Cr12MoV基体由以下质量百分比的组分构成： C 1.45~1.70，Si≤0.40；Mn≤0.35；Cr 11.0~12.50，Mo 0.40~0.60，P≤0.030，S≤0.030；V 0.15~0.30，其余为Fe。
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