沖壓模具激光熔覆快速修復(fù)與表面強(qiáng)化技術(shù)研究

戴曉光

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北孝感432000）

0 引言

模具是機(jī)械、冶金、電子、輕工與國(guó)防等工業(yè)領(lǐng)域的重要裝備。在我國(guó)，模具由于磨損、機(jī)械損傷而失效，導(dǎo)致每年的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾十億元人民幣。因此，對(duì)模具的破損部位進(jìn)行修復(fù)以及對(duì)模具進(jìn)行表面強(qiáng)化以提高模具的使用壽命是模具制造業(yè)中急待解決的關(guān)鍵問題。

目前，國(guó)內(nèi)外模具生產(chǎn)企業(yè)通常采用電鍍、堆焊、熱噴涂等方法對(duì)模具進(jìn)行修復(fù)與表面強(qiáng)化；其中：電鍍技術(shù)具有工藝成熟、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，不足之處是鍍層較薄，與模具的結(jié)合力差，形狀損壞部位難于修復(fù)，對(duì)環(huán)境有污染；堆焊技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但是堆焊的熱輸入量大，加工效率低，稀釋率高，導(dǎo)致模具熱影響區(qū)大且容易變形；熱噴涂技術(shù)具有工藝成熟、操作簡(jiǎn)單、施噴環(huán)境寬泛及效率高等優(yōu)點(diǎn)，但涂層與基材呈機(jī)械結(jié)合，涂層容易出現(xiàn)氣孔以及與模具之間結(jié)合強(qiáng)度低，在使用的過程中易剝落。

與常規(guī)的電鍍、堆焊、熱噴涂技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)具有能量密度高、稀釋率低、熱影響區(qū)與熱變形小等特點(diǎn)，熔覆粉末的化學(xué)成分可調(diào)、可控，修復(fù)涂層的顯微組織細(xì)小且致密，與基材呈結(jié)合強(qiáng)度高的冶金結(jié)合，在模具表面強(qiáng)化與修復(fù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

冷沖壓模具在工作過程中，承受周期性沖擊、磨損，工作環(huán)境較惡劣，服役一段時(shí)間后，表面存在嚴(yán)重的磨痕、凹坑，從而導(dǎo)致沖頭損壞。因此，針對(duì)冷沖壓模具的性能特征以及服役過程中硬度與耐磨損性要求高的特點(diǎn)，筆者成功開發(fā)了用于冷沖壓模具的激光熔覆修復(fù)技術(shù)。

1 主要研究?jī)?nèi)容

1）激光熔覆Ni基WC涂層的材料選擇與制備。粘結(jié)金屬選用熔點(diǎn)高且具有良好耐磨與耐蝕性能的NiCrBSi合金粉末，陶瓷相選擇熱膨脹系數(shù)低、具有一定塑性并與粘結(jié)金屬潤(rùn)濕性、相溶性好的鑄造WC顆粒。研究?jī)?nèi)容包括：涂層宏觀尺寸、稀釋率與粉末利用率的影響因素，包括陶瓷相含量、激光參數(shù)（激光功率、激光掃描速度、激光光斑尺寸、搭接率）等。

2）激光熔覆Ni基WC涂層內(nèi)陶瓷相行為的研究。研究?jī)?nèi)容包括：調(diào)節(jié)激光工藝參數(shù)，不同含量與粒徑的陶瓷相顆粒在激光熔覆過程中的燒損特征，陶瓷相顆粒最終的分布特征與性能，析出碳化物的類型與結(jié)構(gòu)，粘結(jié)金屬的成分、組織及性能，陶瓷相與粘結(jié)金屬發(fā)生交互作用后，形成反應(yīng)層或重新析出碳化物的成分、晶體取向、界面處的應(yīng)力特征等；建立陶瓷相與粘結(jié)金屬交互作用的程度、方式與復(fù)合層裂紋敏感性之間的定量關(guān)系。

3）激光熔覆Ni基WC涂層耐磨性能的研究。對(duì)比激光熔覆與等離子噴涂、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(fù)合層干摩擦磨損性能的因素，探討復(fù)合層的干摩擦磨損機(jī)理，建立激光熔覆工藝參數(shù)與涂層的顯微組織以及耐磨性能間的定量關(guān)系，獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)。

2 利用激光熔覆技術(shù)實(shí)現(xiàn)沖壓模具快速修復(fù)與表面強(qiáng)化的方法與步驟

1）首先將專用合金粉末（Ni基WC合金粉末）裝入自動(dòng)送粉器的裝料斗內(nèi)，然后將模具的破損部位或模具需要表面強(qiáng)化的部位進(jìn)行打磨、除銹，然后用酒精、丙酮清洗干凈，再把模具放入電爐內(nèi)在溫度為450℃下預(yù)熱5～6 h。

2）利用銅管對(duì)模具的破損部位或模具需要表面強(qiáng)化的部位吹入Ar氣。

3）將具有矩形光斑的激光束與自動(dòng)送粉器的粉末噴嘴定位于模具的破損部位或模具需要表面強(qiáng)化的部位。

4）利用粉末噴嘴將Ni基合金粉末吹入激光熔覆熱源形成的熔池內(nèi)，當(dāng)激光熔覆熱源移開后，熔融的合金粉末快速凝固結(jié)晶形成涂層。

5）當(dāng)激光熔覆完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向移動(dòng)數(shù)控機(jī)床，其移動(dòng)的距離為矩形激光光斑長(zhǎng)度的80%～90%。

6）檢測(cè)涂層的面積是否達(dá)到預(yù)期的要求，如果沒有，則重復(fù)步驟2）～步驟5），直到涂層達(dá)到所要求的面積。

7）對(duì)涂層表面進(jìn)行銑削與磨光，獲得所要求的表面粗糙度。

3 技術(shù)驗(yàn)證

我們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(duì)粘結(jié)金屬的顯微組織與陶瓷相燒損形式的影響規(guī)律，獲得了WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)50%、稀釋率小于10%、與基材呈冶金結(jié)合的金屬陶瓷層，證實(shí)了激光熔覆金屬陶瓷層技術(shù)是一種新型、有效的模具快速修復(fù)與表面強(qiáng)化技術(shù)。

圖1為高硬壓輪模具激光熔覆修復(fù)前后的宏觀結(jié)構(gòu)。從圖1（a）可以看出，高硬壓輪模具與沖頭相互作用后，表面存在嚴(yán)重的磨痕、凹坑與溝槽，最大的凹坑深1 mm。經(jīng)多道多層激光熔覆Ni基WC涂層修復(fù)后，修復(fù)區(qū)域表面較平整與光滑，經(jīng)染料滲透劑檢測(cè)無(wú)氣孔與裂紋，激光熔覆Ni基WC涂層與高硬壓輪模具交界處無(wú)明顯的界面。另外，高硬壓輪模具經(jīng)預(yù)熱后再激光熔覆Ni基WC涂層，高硬壓輪沒有變形、開裂與斷裂。

圖1 壓輪模具激光熔覆修復(fù)前后的宏觀結(jié)構(gòu)

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