以钴基加碳化钨为熔覆合金的Cr12MoV冷冲压模具激光修复工艺

技术领域

本发明属于激光熔覆技术领域，涉及模具的表面修复方法，具体涉及一种以钴基加碳化 钨为熔覆合金的Cr12MoV冷冲压模具激光修复工艺。

背景技术

Cr12MoV钢是一种合金工具钢，含碳量为1.45％～1.7％，具有高淬透性，淬火时体积变 化小，可用来制造断面较大、形状复杂、经受较大冲击负荷的各种模具和工具。例如，形状 复杂的冲孔凹模、复杂模具上的镶块、钢板深拉模、拉丝模、冷挤压模、冷切剪刀等。应用 在冷冲压模具中的Cr12MoV钢，由于工作环境恶劣(高压冲击、间断载荷)，局部容易产生 磨损。另外，冷冲压产品一般为最终产品，不再进行机加工，对于模具的表面质量及尺寸精 度等要求严格，所以模具中较小的磨损量也会影响冲压产品质量，导致整个模具报废。

采用表面堆焊、喷涂和熔覆技术修复模具表面缺陷、强化表面性能对于提高模具使用寿 命、降低生产成本和节约资源具有重要意义。针对模具的修复方法主要有堆焊修复、热喷涂 修复、电刷镀修复、等离子喷涂修复以及激光熔覆修复技术等。目前工业化较多采用的是电 弧堆焊修复方法。中国专利CN102212771A中采用等离子喷焊技术在H13热作模具钢表面 制备碳化钨增强复合材料(镍基自容型合金粉末NiCrBSi加入10％～20％钴基碳化钨粉末)涂 层，指出可以采用较小电流降低热输入，使碳化钨作为硬质点增强相尽可能保留下来，以提 高涂层的表面性能(耐磨性)，达到修复缺陷或强化基体的作用。但是在Cr12MoV冷冲压模 具修复应用中，由于大量碳化钨未熔化，致使涂层硬度较低，无法满足Cr12MoV冷冲压模具 的使用要求。

采用电弧堆焊方法对冲压模具表面修复时，具有设备简单、操作方便灵活、不受工作场 合限制等特点。但也存在以下缺点：电弧堆焊对基体的热影响大；不适合对复杂模具进行修 复；堆焊前后机加工量大，效率低；修复前需要预热处理，增加了修复成本。鉴于以上，本 发明中采用激光熔覆技术对Cr12MoV冷冲压模具进行修复。激光熔覆技术热输入集中，热影 响区小；熔覆层组织致密；加工量小，修复效率高。

专利CN101797643A中采用无钴铁基合金粉末激光熔覆修复核电阀门密封面指出，熔覆 层显微硬度是不锈钢基体的1.6～1.8倍，具有良好的高温耐磨性和高温耐腐蚀性。但是在 Cr12MoV冷冲压模具中受高压冲击磨损，需要高硬度高耐磨性，无钴铁基粉末不适合。专利 CN103343338A中采用激光熔覆技术对扩口模进行修复指出，在基体表面先熔覆一层硬度较 低、耐磨性一般组织较为致密的合金粉末，再熔覆一层硬度高、耐磨性好的合金粉末(所选 两种合金均为铁基合金粉末)，熔覆前不需要预热，熔覆后不需要对模具进行退火处理，熔覆 后修复层硬度较高(平均为57.4HRC)。而对于本发明中Cr12MoV冲压模具钢要求硬度为 60HRC以上，故需采用其他合金粉末。现有技术中有采用镍基合金对Cr12MoV模具进行激 光熔覆修复的先例。采用镍基合金熔覆层与模具基体结合良好，熔覆层组织致密，具有良好 的耐磨性。但是镍基合金熔覆层硬度较低，且镍基合金与碳化钨硬质相的相融性较差，添加 碳化钨后熔覆层的硬度和耐磨性仍满足不了生产要求。硬质相加入过多后熔覆层裂纹倾向严 重。如何将激光熔覆技术有效的应用于Cr12MoV冲压模具修复，实现在无需预热的条件下得 到界面结合强度高、组织致密、无裂纹的熔覆层，是本领域的技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述技术问题，提供一种以钴基加碳化钨为熔覆合金的 Cr12MoV冷冲压模具激光修复工艺，电弧堆焊修复热输入高，修复工艺复杂，喷涂修复涂层 结合强度低；激光熔覆铁基合金及镍基合金的熔覆层性能达不到生产要求等，该工艺能够实 现在无需预热的条件下得到界面结合强度高、组织致密、无裂纹的熔覆层，熔覆层的显微硬 度高，特别是熔覆层具有良好的耐磨性，可以满足生产要求。

为实现上述目的，本发明是采用下述技术方案实现：

1.一种以钴基加碳化钨为熔覆合金的Cr12MoV冷冲压模具激光修复工艺，包括以下步骤：

1)清理冷冲压模具表面缺陷；

2)激光熔覆Fe316合金粉末，熔覆厚度为1-2mm；

3)待模具冷却到300-600℃后，激光熔覆Co06+WC合金粉末，熔覆厚度为1.5-2.5mm；

4)对熔覆层表面进行机械加工。

上述以钴基加碳化钨为熔覆合金的Cr12MoV冷冲压模具激光修复工艺，具体包括以下步 骤：

1)清理冷冲压模具表面缺陷，去除表面磨痕、油污以及微裂纹；

2)激光熔覆Fe316合金粉末作为打底层，所述Fe316合金粉末化学成分的质量分数为： C0.06-0.08％，Si0.5-1％，Mn1.4-2.0％，P≤0.035％，S≤0.03％，Ni12-15％，Cr16-18％，其余 为Fe，激光熔覆Fe316合金粉末的工艺参数：激光功率为2.8-3.8kW，熔覆速度2-4mm/s，打 底层的预置厚度为1-2mm，光斑模式为矩形光斑，光斑尺寸17mm×1.5mm；

3)待模具冷却到300-600℃后，激光器熔覆Co06+WC合金粉末作为盖面层，所述Co06 合金粉末化学成分的质量百分数为：C0.8-1.15％，Ni2.5-3％，Cr28-32％，Fe2-3％，Mn0.6-1％， Mo0.6-1％，其余为Co，激光熔覆Co06+WC合金粉末的工艺参数：激光功率为3-4kW，熔 覆速3-4mm/s，盖面层的预置厚度1.5-2.5mm，保护气体为氩气，流量2.5L/min，光斑模式为 矩形光斑，光斑尺寸17mm×1.5mm；

4)对熔覆层表面进行机械加工。

上述Co06+WC合金粉末中WC是Co06质量的15-25％，优选20％。

上述的Fe316合金粉末在150℃下烘干2h后使用。

上述的Co06+WC合金在150℃下烘干2h后使用。

上述Co06+WC合金粉末采用人工混粉。

上述方法中的熔覆采用热搭接方式，搭接率为40％。

上述方法中可以使用保护气体氩气，流量2.5L/min。

Co06+20％WC是指合金粉末中WC是Co06质量的20％。

本发明的有益效果

本发明激光熔覆技术热输入集中，热影响区小，熔覆层组织致密，既减少了加工量又提 高了效率，降低修复成本，提高资源利用率。

本发明对Cr12MoV冷冲压模具激光熔覆修复，修复过程简单，加工量小，操作性强。熔 覆层与基体、打底层与盖面层之间的结合性强，熔覆层无裂纹。

该工艺能够实现在无需预热的条件下得到界面结合强度高、组织致密、无裂纹的熔覆层， 熔覆层的显微硬度达到58-62HRC9.8N，特别是熔覆层具有良好的耐磨性，可以满足生产要求 可以提高冷冲压模具的使用寿命。

采用Fe316合金粉末打底和Co06+WC合金粉末盖面的激光熔覆工艺，实现了Cr12MoV 冷冲压模具的无预热激光修复。由于Co06合金粉末加入质量分数为20％碳化钨硬质相后熔 覆结合层热裂倾向较大，Fe316软合金粉末打底熔覆避免了这一问题。

Fe316合金粉末中Ni元素(12-15％)和Cr元素(16-18％)含量较多，可形成两相组织， 改善熔覆层底部的塑性和韧性，减小了熔覆结合层的热裂倾向；Fe316激光打底熔覆也为 Co06+WC合金的盖面熔覆提供了预热处理，降低了盖面熔覆层的冷却速度，同时降低了盖面 熔覆层的裂纹倾向。

采用廉价的Fe316合金粉末作为打底熔覆补偿了产品尺寸，减少了价格昂贵的钴基合金 的使用量，降低了模具修复的成本。

Cr12MoV冷冲压模具激光熔覆中，对熔覆层的成形、显微组织和性能影响最大的是激光 功率及熔覆速度。本发明明确了激光熔覆Co06+WC合金粉末采用的最佳激光熔覆功率 (3-4kW)和熔覆速度(3-4mm/s)。钴基合金的流动性较差，对于激光功率参数更为敏感。 在熔覆速度一定的条件下，激光功率过小，熔覆层的冷却速度过快，不仅流动性更差，而且 裂纹倾向也更严重，所以激光功率应在激光器允许的功率范围内大一些。本发明中根据所采 用LDF4000-100光纤耦合半导体激光器的技术条件选择激光功率3-4kW。而激光功率一定的 条件下，由于激光熔覆热输入集中，可适当提高熔覆速度防止过热，另外熔覆速度较大时也 会提高修复效率，降低生产成本。但是熔覆速度过高，就会形成较大的温度梯度产生很大的 残余应力，易诱发裂纹的产生，本发明中根据激光熔覆功率大小选择熔覆速度3-4mm/s。采 用本发明的修复工艺可降低修复成本，提高资源利用率。

附图说明

图1为实施例1激光修复后Cr12MoV模具钢平面修复熔覆层的表面形貌；

图2为实施例2激光熔覆修复后Cr12MoV模具刃口熔覆层的表面及断口形貌；

图3为实施例2激光熔覆修复后Cr12MoV模具刃口熔覆层的断口形貌。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

模具刃口是最容易失效的部位，对长度为50mm、宽度为12mm、厚度为11mm的Cr12MoV 冷冲压模具钢刃口工件表面(表面有厚度1mm的磨痕缺陷)进行激光熔覆修复，使其最终尺 寸为50×12×12mm工件。采用以钴基加碳化钨为熔覆合金的Cr12MoV冲压模具激光修复工 艺，具体工艺步骤为：

(1)用砂轮机对Cr12MoV模具钢工件长度方向一面清理表面缺陷，去除表面磨痕、油 污等；

(2)采用LDF4000-100光纤耦合半导体激光器，调整好设备，用Fe316合金粉末作为 打底层，该合金粉末200g已在150℃温度下保温2h烘干，调节激光功率为3.6kW，熔覆速 度为3mm/s，激光打底熔覆，熔覆层厚度为1mm，熔覆过程中，矩形光斑斑点中心与工件修 复面中心重合；

(3)用Co06+WC合金粉末作为盖面层，将合金粉末中Co06质量为160g、WC质量为 40g在150℃温度下保温2h烘干，等模具冷却到450℃后，调节激光功率为3.8kW，熔覆速 度为4mm/s，激光熔覆盖面层，熔覆层厚度为1.5mm，熔覆过程中，矩形光斑斑点中心与工 件修复面中心重合，修复面为50×12mm，整个修复面铺满所用合金粉末；

(5)被熔覆工件冷却到室温，对熔覆层表面进行机械加工，使模具表面平整如初，尺寸 在标准公差内。

其中打底层Fe316合金粉末化学成分的质量百分数为：C0.07％，Si0.3％，Ni12.43％， Cr17.14％，Mn0.44％，其余为Fe。

盖面层Co06合金粉末化学成分的质量百分数为：C0.91％，Ni2.27％，Cr29.09％，Mn 0.18％，Mo0.4％，其余为Co。

对Cr12MoV冷冲压模具平面磨损处采用Fe316打底，Co06+20％WC盖面激光熔覆修复， 结果熔覆层性能符合模具生产要求，可提高模具使用寿命。如图1所示，为磨床加工后 Co06+20％WC熔覆层的表面形貌，可以发现熔覆层内无气孔、裂纹等缺陷；通过HV-1000 显微硬度计测得熔覆层平均硬度为61HRC(除未熔碳化物颗粒)；耐磨性明显高于基体。

实施例2

对长度为30mm、宽度为30mm、厚度为12mm的Cr12MoV冷冲压模具钢刃口(磨损严 重)相垂直的两面进行激光熔覆，使刃口符合标准尺寸要求。采用以钴基加碳化钨为熔覆合 金的Cr12MoV冲压模具激光修复工艺，具体的工艺步骤为：

(1)用砂轮机将Cr12MoV模具钢工件长度方向垂直两面清理表面缺陷，去除表面磨痕、 油污等；

(2)采用LDF4000-100光纤耦合半导体激光器，调整好设备，先对宽的一面进行激光 熔覆，用Fe316合金粉末作为打底层，该粉末300g使用前已在150℃温度下烘干2h，调节激 光功率为3.6kW，熔覆速度为3mm/s，激光打底熔覆，熔覆层厚度1mm，熔覆过程中采用的 光斑模式为矩形光斑，光斑尺寸17mm×1.5mm，矩形光斑斑点中心与工件修复面中心重合；；

(3)采用Co06+WC合金粉末作为盖面层，将合金粉末Co06质量为240g、WC质量为 60g在150℃温度下烘干2h，待模具冷却到350℃后，调节激光功率为3.8kW，熔覆速度为 4mm/s，激光熔覆盖面层，熔覆层厚度1.5mm，熔覆层的搭接率为40％，熔覆过程中控制层 间温度为350℃，熔覆过程中采用的光斑模式为矩形光斑，光斑尺寸17mm×1.5mm，矩形光 斑斑点中心与工件修复面中心重合，修复面为30×30mm及30×12mm垂直面，整个修复面铺 满所用合金粉末；

(4)针对工件另一面，重复以上步骤进行激光熔覆；

(5)工件冷却到室温，对熔覆层表面进行机械加工，使模具表面平整如初，尺寸在标准 公差内，尤其是刃口处的尺寸。

打底层Fe316合金粉末化学成分的质量百分数为：C0.07％，Si0.3％，Ni12.43％，Cr 17.14％，Mn0.44％，其余为Fe。

盖面层Co06合金粉末化学成分的质量百分数为：C0.91％，Ni2.27％，Cr29.09％，Mn 0.18％，Mo0.4％，其余为Co。

模具刃口是模具最容易失效的部位，对Cr12MoV冷冲压模具刃口处采用Fe316打底， Co06+WC盖面激光熔覆修复，结果表明熔覆层性能符合模具的工作要求，对提高整个模具的 使用寿命具有重要意义。如图3所示为Cr12MoV模具刃口激光熔覆修复后的熔覆层表面及断 面形貌，可发现模具刃口处熔覆层圆弧过渡、没有折叠等缺陷；熔覆层与基体结合很好，没 有产生裂纹等缺陷。通过HV1000显微硬度计测量Fe316熔覆层平均硬度为38HRC， Co06+20％WC平均硬度为61HRC(除未熔碳化物颗粒)。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方 式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形 式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明所引申出 的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。