激光熔覆修復擠壓模具技術研究*

戴曉光

（湖北職業技術學院，湖北孝感 432000）

模具是機械、冶金、電子、輕工與國防等工業領域的重要裝備。據不完全統計，機械加工行業中每年模具的消耗量價值是各種機床總價值的五倍，機械、冶金、輕工、電子等行業中模具市場十分巨大。又如：在冶金行業，每年僅熱軋軋輥消耗量就在三十萬噸以上，熱軋輥價值占鋼材生產成本的5%以上。模具的大量消耗，不僅直接增加生產成本，而且因頻繁更換工模具而造成大量生產線頻繁停產帶來更大的經濟損失。在我國，模具由于磨損、機械損傷而失效，導致每年的經濟損失達幾十億元人民幣。因此，對模具的破損部位進行修復從而提高模具的使用壽命是模具制造業中急待解決的關鍵問題[1]。

目前，國內外模具生產企業通常采用電鍍、堆焊、熱噴涂等方法對模具進行修復。其中，電鍍技術具有工藝成熟、成本較低等優點，不足之處是鍍層較薄，與模具的結合力差，形狀損壞部位難于修復以及對環境有污染；堆焊技術具有操作簡單、成本較低等優點，但是堆焊的熱輸入量大、加工效率低、稀釋率高，導致模具熱影響區大且容易變形[2]；熱噴涂技術具有工藝成熟、操作簡單、施噴環境寬泛及效率高等優點，但涂層與基材呈機械結合，涂層容易出現氣孔以及與模具之間結合強度低，在使用的過程中易剝落。

相對常規電鍍、堆焊、熱噴涂技術等而言，激光熔覆技術具有能量密度高、稀釋率低、熱影響區與熱變形小等特點，熔覆粉末的化學成分可調與可控，修復涂層的顯微組織細小且致密，與基材呈結合強度高的冶金結合，在模具修復領域具有廣闊的應用前景[3-5]。

擠壓模具的工作環境惡劣，在高溫（擠壓時工作溫度達520℃～550℃）、高壓（擠壓時的壓力達幾百兆帕）與磨粒磨損（硬質相夾雜物）的三重作用下，擠壓模具的使用壽命大幅度縮短，這不僅會影響產品質量的穩定性，而且降低了企業的經濟效益。因此，針對擠壓模具在高溫服役過程中，要求硬度高與耐磨損等特點，作者成功開發了用于擠壓模具的激光熔覆修復技術。

1 研究的主要內容

1.1 激光熔覆鐵基WC涂層的材料選擇與制備

粘結金屬選用熔點高且具有良好耐磨性能的鐵基合金粉末，陶瓷相選擇熱膨脹系數低、具有一定塑性并與粘結金屬潤濕性、相溶性好的鑄造WC顆粒。基材選擇兩種典型的模具材料如熱作模具鋼H13(4Cr5MoSiV1)、冷作模具鋼9CrSi。研究內容包括：涂層宏觀尺寸、稀釋率與粉末利用率的影響因素，包括基材類型、陶瓷相含量、激光參數（激光功率、激光掃描速度、激光光斑尺寸、搭接率）等。

1.2 激光熔覆鐵基WC涂層耐磨性能的研究

對比激光熔覆堆焊相同成分材料所制備的涂層的干摩擦磨損性能，分析磨屑的形貌特征與影響復合層干摩擦磨損性能的因素，探討復合層的干摩擦磨損機理，建立激光熔覆工藝參數與涂層顯的微組織以及耐磨性能間的定量關系，獲得優化的工藝參數。

2 需要解決的關鍵問題

建立激光熔覆工藝參數與涂層結構、耐磨性能間的關系，是需要解決的關鍵問題。

采用激光熔覆鐵基WC涂層修復模具，模具的使用壽命完全取決于涂層的結構與性能，而涂層的組織結構、性能以及陶瓷相的分布特征依賴于陶瓷相與粘結金屬交互作用的程度、方式。因此，建立激光熔覆工藝參數與涂層結構、性能間的對應關系，是獲得優化工藝參數以及高質量涂層的關鍵。

3 激光熔覆技術修復擠壓模具的方法與步驟

（1）首先將專用合金粉末（鐵基WC合金粉末）裝入自動送粉器的裝料斗內，然后將模具的破損部位進行打磨、除銹，再用酒精、丙酮清洗干凈；

（2）利用銅管對模具的破損部位吹入Ar氣；

（3）將具有矩形光斑的激光束與自動送粉器的粉末噴嘴定位于模具的破損部位；

（4）利用粉末噴嘴將鐵基WC合金粉末吹入激光熔覆熱源形成的熔池內，當激光熔覆熱源移開后，熔融的合金粉末快速凝固結晶形成涂層。

（5）當激光熔覆完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向移動數控機床，其移動的距離為矩形激光光斑長度的80%～90%；

（6）檢測涂層的面積是否達到預期的要求，如果沒有，重復步驟（2）～（5），直到涂層達到所要求的面積；

（7）對涂層表面進行銑削與磨光，獲得所要求的表面光潔度。

4 技術驗證

深入研究了激光熔覆金屬陶瓷層的工藝條件，探討了激光掃描速度對粘結金屬的顯微組織與陶瓷相燒損形式的影響規律，獲得了WC含量最高達50wt.%、稀釋率小于10%、與基材呈冶金結合的金屬陶瓷層，證實了激光熔覆金屬陶瓷層技術是一種新型、有效的模具快速修復與表面強化技術。

圖1為H13鋼鋁型材擠壓模具激光熔覆修復前后的宏觀結構。從圖1可以看出，該模具修復前出現了斷橋現象，即鋁材進入模具入口處出現大量的宏觀裂紋，裂紋的長度達15～18 mm，方向平行鋁材進入的方向。經多道多層激光熔覆修復后，宏觀裂紋完全消除。

圖1 H13鋼鋁型材擠壓模具激光熔覆修復前后的宏觀結構

5 結束語

研究了一種激光熔覆修復擠壓模具技術，采用激光熔覆的方法和專用鐵基碳化鎢合金粉末對模具的破損部位進行修復。應用本技術對破損的H13鋼鋁型材擠壓模具進行了激光熔覆修復，證實了激光熔覆金屬陶瓷層技術是一種新型、有效的模具快速修復與表面強化技術。

［1］常明，張慶茂，廖健宏，等.塑料模具精密修復技術的評述及展望［J］.金屬熱處理，2006，31（7）：1-5.

［2］張群莉，姚建華，駱芳.熱作模具H13鋼表面激光堆焊類高速鋼的實驗研究［J］.材料熱處理學報，2005，26（4）：95-98.

［3］曹亞男，張艷梅，揭曉華，等.鋼表面激光熔覆鎳基合金涂層裂紋控制的研究［J］.熱加工工藝，2012，41 （18）：133-136.

［4］王銳，王存山.Nb4Si含量對激光熔覆Ti-Fe合金涂層組織和性能的影響［J］.中國激光，2013，40（1）：1-7.

［5］楊倩，黃宛真，鄭遺凡，等.激光熔覆H13/TiC復合涂層中TiC的生長機制［J］.熱加工工藝，2013，42（4）：134-136.