CN1252315C - 硬质合金涂层的激光直接合成与制造方法 - Google Patents
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Abstract
硬质合金涂层的激光直接合成与制造方法，属于硬质合金制造与应用技术领域。本发明利用硬质合金形成材料体系，借助高能激光所形成熔池内特殊的物理冶金和化学冶金及快速凝固特性，在熔池中直接反应合成硬质合金涂层，这种涂层致密、无气孔和裂纹缺陷、与基材本体形成牢固的冶金结合，具备硬质合金的成分、微观组织和性能，不受高压烧结硬质合金的几何形状限制。激光合成硬质合金涂层解决了激光熔覆硬质合金中出现的气孔和裂纹问题，克服了烧结硬质合金成本高、形状受限的不足，可在各种常用工程金属材料和零件表面合成，广泛应用于硬质合金刀具、模具、各种超高耐磨表面和零件等领域。
Description
技术领域：
本发明涉及一种硬质合金涂层的激光直接合成与制造新方法，属于硬质合金制造与应用
技术领域。
背景技术：
硬质合金是以难熔金属碳化物(碳化钨，碳化钛，碳化钽，碳化铌和碳化钒等)为基、以钴或镍等为粘结金属，利用粉末冶金方法制造的合金材料，具有硬度高、耐磨耐蚀性能好、红硬性好、化学热稳定性高、抗压强度高和低膨胀系数等优异特性，在金属切削刀具、模具、矿山采掘、石油钻井、地质勘探和国防军工等领域得到了广泛的应用。硬质合金通常经高温高压烧结压制成特定的形状，再镶嵌或焊接于工具钢或模具钢基材上使用。烧结硬质合金存在形状受限、可加工性差和脆性大的不足，一定程度上限制了其应用范围和优异性能的充分发挥。
硬质合金刀具由于其原材料属贵重金属、高温高压烧结工艺难度较大、工序繁多、刀具制造工艺复杂、精磨成本高及加工设备投入大等种种原因，其价格居高不下，大大限制了其在我国现阶段条件下的推广应用。
人们一直寻求在金属或零件表面形成形状不受限制的硬质合金涂层的技术。用激光熔覆可以获得含有碳化物硬质相的金属基复合材料，如在自熔性铁基、镍基和钴基合金或高温合金等粉末中添加一定比例的碳化物(如烧结碳化钨、铸造碳化钨、单晶碳化钨、钴包碳化钨、镍包碳化钨、碳化钛、碳化硅、碳化铬)或混合碳化物粉末可以制成以硬质颗粒质点为增强相的金属基复合涂层，这种复合涂层具有较高的硬度、耐磨性、耐蚀性、耐高温性能、抗氧化等性能并获得较好的应用，但与硬质合金的综合性能尚有相当大的差距。一定范围内增加碳化物在自熔合金中的比例会提高金属基复合涂层的性能，但通常当碳化物比例超过约65％时，激光熔覆得到的复合涂层会出现严重的裂纹和气孔等缺陷，使其无法使用。用激光直接熔覆WC/Co、TiC/Co、(WC-SiC)/Co、(WC-TiN-SiC)/Co、(WC-TiC-SiC)/Co，(WC-TiC-SiC)/Co，(WC-TiC-SiC)/Co，WC-TiC-TaC等硬质合金粉末能获得硬质合金涂层，但往往存在如下问题：(1)激光熔覆硬质合金粉末尤其是小颗粒硬质合金粉末会出现大量的气孔和疏松；(2)激光熔覆小颗粒的硬质合金粉末时，部分碳化物颗粒将溶解进入熔池，形成某些脆性较大的微观组织从而导致较大的裂纹倾向；(3)激光熔覆较大颗粒的硬质合金粉末时，未熔的碳化物颗粒凝固后镶嵌在金属基体上，由于碳化物与基体金属的热物性参数差异很大，它们之间的相容性较差，界面结合较差，在重负荷下往往造成界面微裂纹源。由于上述原因，用激光熔覆制备硬质合金涂层尚没有实质性的技术突破和应用。
发明内容：
本发明的目的是为克服上述问题提供一种硬质合金涂层的激光直接合成与制造方法，该方法不是用激光直接熔覆硬质合金粉末，而是利用硬质合金形成材料体系，借助高能激光所形成熔池内特殊的物理冶金和化学冶金及快速凝固特性，在熔池中直接反应合成硬质合金涂层，这种涂层致密、无气孔和裂纹缺陷、与基材本体形成牢固的冶金结合，具备或接近硬质合金的成分、微观组织和性能。
上述目的是通过如下技术方案实现的：一种硬质合金涂层的激光直接合成与制造方法，该方法包括如下步骤：
(1)采用单纯W粉、C粉、Ni粉或镍包石墨粉，按下列原子百分比进行混合：70～90％的W和C，10～30％的Ni或NiCrSiB，其中W∶C＝0.5～2.5∶1；
(2)在所述的混合粉末中添加WC/Co粉末，WC/Co粉末与所述混合粉末的重量比为0.4～0.95∶1，经机械混合并烘烤干燥；
(3)用功率为500W～5000W的连续或脉冲激光辐照基材表面形成局部熔池，用同步送粉法将混合粉末送入熔池，用惰性气作输运气体，在激光作用基材和混合粉末的同时，用惰性气保护熔池表面以避免氧化；所述的激光采用CO2激光、Nd:YAG激光或二极管激光，聚焦成直径1～6mm的光斑，激光束扫描速度为0.1～2m/min。
(4)根据硬质合金涂层所需面积的大小或特定零件的三维形状，将激光合成单道涂层经横向或垂直方向多道搭接即可制得激光合成硬质合金涂层或获得近成形的硬质合金局部零件。
本发明步骤(3)中所述的混合粉末送入熔池的质量流率为5～50g/min。在步骤(4)中所述多道搭接的搭接率为10～60％。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果：本发明不是用激光直接熔覆硬质合金粉末，而是利用硬质合金形成材料体系，借助高能激光所形成熔池内特殊的物理冶金和化学冶金及快速凝固特性，在熔池中直接反应合成硬质合金涂层，该硬质合金涂层具有以下特点：
①硬质合金涂层致密、无气孔和裂纹缺陷、与基材本体形成牢固的冶金结合，具备或接近硬质合金的成分、微观组织和性能。
②利用本发明合成的硬质合金涂层避免了烧结硬质合金大量使用贵重金属材料、高温高压烧结工艺难度较大、工序繁多、成本高的不足，能节约贵重材料，大大降低硬质合金制造成本。
③本发明合成的硬质合金涂层能获得各种形状的涂层，不受高压烧结硬质合金的几何形状限制，是一种自由形态的硬质合金，能直接在金属或零件表面制成，大大扩展硬质合金的使用范围。
④本发明合成的硬质合金涂层能很好地解决激光熔覆硬质合金粉末中出现的气孔和裂纹难题。
⑤本发明合成的硬质合金涂层与激光快速制造技术结合，能一步可控地制造出近成形的硬质合金二维表面涂层和三维硬质合金局部零件，克服高温烧结硬质合金的形状受限和加工困难的不足。
⑥本发明合成的硬质合金涂层可广泛应用于硬质合金刀具、模具、各种超高耐磨表面和零件等领域。
具体实施方式：
下面的实施例将进一步理解本发明。
实施例1：激光直接合成与近成形制造硬质合金涂层实施于刀具。
硬质合金刀具是量大面广的通用刀具，通常是先将硬质合金粉末经高温高压烧结压制成特定的形状，再镶嵌或焊接于工具钢或模具钢基材上制成刀具，由于其原材料属贵重金属、高温高压烧结工艺难度较大、工序繁多、刀具制造工艺复杂、精磨成本高及加工设备投入大等种种原因，其价格居高不下，大大限制其在我国现阶段条件下的推广应用。
将本发明技术实施于刀具领域，可在40号钢或40Cr等刀具基材上直接近成形制造出硬质合金刀具刃口，并使其性能接近烧结硬质合金刀具，实施工艺如下：
(1)用40号钢或40Cr或其他合金钢作为基材，将其加工成接近刀具的形状，在刀具刀锋处预留2×2mm2的沟槽作为激光合成硬质合金用，用丙酮和酒精清洗干净备用；
(2)将上述刀具刀坯置于两维数控联动的激光加工机床上，将激光工作头引到刀具预留沟槽正上方，激光工作头离刀具预留沟槽的距离为2～20mm；
(3)采用单纯W粉、C粉(纯度＞95％)与Ni的包覆粉，，粒度为200目，按照原子百分比：W和C为90％(W∶C＝1.5∶1)，Ni为10％进行混合，然后在混合粉末中添加90wt％的WC/Co粉末(粒度为150目)，经球磨机混合40分钟，在电炉中烘烤1小时(120℃)；
(4)采用高功率连续CO2激光作为合成硬质合金涂层的能源，激光功率4000W，聚焦成直径5mm的光斑，以1.5m/min的扫描速度；辐照基材(常用工程材料和零件)表面形成局部熔池；
(5)在激光熔化基材形成局部熔池的同时，采用同步送粉法(同轴或侧向送粉)将混合粉末送入熔池，用Ar气做输运气体，粉末质量流率为20g/min；在激光作用基材和混合粉末的同时，用Ar气保护熔池表面以避免氧化；
在上述工艺下可得到宽度5mm、厚度0.2～1.5mm的激光合成硬质合金涂层，经横向搭接和垂直搭接(搭接率30％)并按照刀具刀锋的三维形状层层叠加可以获得近成形的硬质合金局部零件。经上述工艺得到的激光合成硬质合金涂层致密、无气孔和裂纹缺陷、与基材本体形成牢固的冶金结合，具备硬质合金的成分、微观组织和性能，不受高压烧结硬质合金的几何形状限制。激光合成硬质合金涂层中硬质相可达80％，涂层硬度可达高压烧结硬质合金的90％。
激光直接合成与制造的硬质合金刀具刀锋，经最后精磨出锋口即可使用。
本发明技术实施于刀具领域的优势表现在：(1)直接使用硬质合金原材料，省去了复杂昂贵的高温高压烧结过程；(2)直接将硬质合金结合到刀具基材上，省去了费时费钱的硬质合金烧结片焊接、镶嵌过程；(3)好钢用在刀刃上，只在刀具刃口上合成硬质合金，大大节约了贵重的硬质合金材料的消耗；(4)将硬质合金良好的耐磨和切削性能与合金钢良好的导热性和强度有机地结合起来，使刀具的切削性能进一步优化。因此，激光直接合成和近成型制造硬质合金刀具将在保证刀具良好性能的同时大幅度降低成本，无疑是一种具有极好应用前景的新技术。
实施例2：激光直接合成制造硬质合金涂层实施于模具。
将本发明技术实施于模具领域，实施工艺如下：
(1)在模具局部耐磨损面上按其形状要求预留出约0.1～0.5mm厚度的待硬化面，用丙酮和酒精清洗干净备用。
(2)将上述模具待硬化面置于三维数控联动的激光加工机床上，将激光工作头引到模具待硬化面的上方，激光工作头离模具待硬化面的距离为2～20mm；
(3)采用单纯W粉、C粉(纯度＞95％)和Ni的包覆粉，，粒度为100目，按照原子百分比：W和C为80％(W∶C＝0.6∶1)，Ni为20％进行混合，在混合粉末中添加80wt％的WC/Co粉末(粒度为100目)，经机械混合或球磨机混合30分钟，在电炉中烘烤1小时(120℃)；
(4)采用脉冲高功率Nd：YAG激光作为合成硬质合金涂层的能源，激光功率2000W，聚焦成直径6mm的光斑，以0.8m/min的扫描速度，辐照基材(常用工程材料和零件)表面形成局部熔池；
(5)在激光熔化基材形成局部熔池的同时，采用同步送粉法(同轴或侧向送粉)将混合粉末送入熔池，用He气做输运气体，粉末质量流率为15g/min；在激光作用基材和混合粉末的同时，用He气保护熔池表面以避免氧化。
在上述工艺下可得到宽度6mm、厚度0.2～1.5mm的激光合成硬质合金涂层，经横向搭接(搭接率50％)可以获得硬质合金局部涂层。
经上述工艺得到的激光合成硬质合金涂层致密、无气孔和裂纹缺陷、与基材本体形成牢固的冶金结合，具备硬质合金的成分、微观组织和性能，不受高压烧结硬质合金的几何形状限制。激光合成硬质合金涂层中硬度可达HRC70，经最后精磨后即可使用，大大提高模具的使用寿命。
实施例3：激光直接合成硬质合金涂层实施零件的表面强化
将本发明技术实施于零件的表面强化，实施工艺如下：
(1)在零件表面上按其形状要求预留出约0.1～0.5mm厚度的待硬化面，用丙酮和酒精清洗干净备用。
(2)将上述零件待强化面置于三维数控联动的激光加工机床上，将激光工作头引到模具待硬化面的上方，激光工作头离模具待硬化面的距离为2～20mm；
(3)采用单纯W粉、C粉(纯度＞95％)、NiCrSiB粉，粒度为300目，按照W和C为70％(W∶C＝2.5∶1)，NiCrSiB为30％的原子比例混合，然后在混合粉末中添加50wt％的WC/Co粉末(粒度为300目)，经机械混合60分钟，在电炉中烘烤2小时(130℃)；
(4)采用连续高功率二极管激光作为合成硬质合金涂层的能源，激光功率1000W，聚焦成直径4mm的光斑，以0.2m/min的扫描速度，辐照基材(常用工程材料和零件)表面形成局部熔池；
(5)在激光熔化基材形成局部熔池的同时，采用同步送粉法(同轴或侧向送粉)将混合粉末送入熔池，用N2气做输运气体，粉末质量流率为5g/min；在激光作用基材和混合粉末的同时，用N2气保护熔池表面以避免氧化。
在上述工艺下可得到宽度4mm、厚度0.2～1.5mm的激光合成硬质合金涂层，经横向搭接(搭接率30％)可以获得硬质合金局部涂层。
经上述工艺得到的激光合成硬质合金涂层致密、无气孔和裂纹缺陷、与基材本体形成牢固的冶金结合，具备硬质合金的成分、微观组织和性能，不受高压烧结硬质合金的几何形状限制。激光合成硬质合金涂层中硬度可大HRC65，经最后精磨后即可使用，能大大提高零件的使用寿命。
Claims (3)
1.一种硬质合金涂层的激光直接合成与其制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)采用单纯W粉、C粉、Ni粉或镍包石墨粉，按下列原子百分比进行混合：70～90％的W和C，10～30％的Ni或NiCrSiB，其中W∶C＝0.5～2.5∶1；
(2)在所述的混合粉末中添加WC/Co粉末，WC/Co粉末与所述混合粉末的重量比为0.4～0.95∶1，经机械混合并烘烤干燥；
(3)用功率为500W～5000W的连续或脉冲激光辐照基材表面形成局部熔池，用同步送粉法将混合粉末送入熔池，用惰性气作输运气体，在激光作用基材和混合粉末的同时，用惰性气保护熔池表面以避免氧化；所述的激光采用CO2激光、Nd:YAG激光或二极管激光，聚焦成直径1～6mm的光斑，激光束扫描速度为0.1～2m/min；
(4)根据硬质合金涂层所需面积的大小或特定零件的三维形状，将激光合成单道涂层经横向或垂直方向多道搭接即可制得激光合成硬质合金涂层。
2.按照权利要求1所述的硬质合金涂层的激光直接合成与制造方法，其特征在于：步骤(3)中所述的混合粉末送入熔池的质量流率为5～50g/min。
3.按照权利要求1所述的硬质合金涂层的激光直接合成与制造方法，其特征在于：在步骤(4)中所述多道搭接的搭接率为10～60％。
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