戴曉光

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北孝感 432000）

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。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，機(jī)械加工行業(yè)中每年模具的消耗量?jī)r(jià)值是各種機(jī)床總價(jià)值的五倍，機(jī)械、冶金、輕工、電子等行業(yè)中模具市場(chǎng)十分巨大。又如：在冶金行業(yè)，每年僅熱軋軋輥消耗量就在三十萬(wàn)噸以上，熱軋輥價(jià)值占鋼材生產(chǎn)成本的5%以上。模具的大量消耗，不僅直接增加生產(chǎn)成本，而且因頻繁更換工模具而造成大量生產(chǎn)線頻繁停產(chǎn)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)損失。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)從而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(wèn)題[1]。

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)。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)以及對(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[2]；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(guò)程中易剝落。

相對(duì)常規(guī)電鍍、堆焊、熱噴涂技術(shù)等而言，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)與可控，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，在模具修復(fù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。

擠壓模具的工作環(huán)境惡劣，在高溫（擠壓時(shí)工作溫度達(dá)520℃～550℃）、高壓（擠壓時(shí)的壓力達(dá)幾百兆帕）與磨粒磨損（硬質(zhì)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(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，而且降低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，針對(duì)擠壓模具在高溫服役過(guò)程中，要求硬度高與耐磨損等特點(diǎn)，作者成功開(kāi)發(fā)了用于擠壓模具的激光熔覆修復(fù)技術(shù)。

1 研究的主要內(nèi)容

1.1 激光熔覆鐵基WC涂層的材料選擇與制備

粘結(jié)金屬選用熔點(diǎn)高且具有良好耐磨性能的鐵基合金粉末，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?；倪x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?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，包括基材類(lèi)型、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。

1.2 激光熔覆鐵基WC涂層耐磨性能的研究

對(duì)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(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)與涂層顯的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 需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

建立激光熔覆工藝參數(shù)與涂層結(jié)構(gòu)、耐磨性能間的關(guān)系，是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

采用激光熔覆鐵基WC涂層修復(fù)模具，模具的使用壽命完全取決于涂層的結(jié)構(gòu)與性能，而涂層的組織結(jié)構(gòu)、性能以及陶瓷相的分布特征依賴于陶瓷相與粘結(jié)金屬交互作用的程度、方式。因此，建立激光熔覆工藝參數(shù)與涂層結(jié)構(gòu)、性能間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是獲得優(yōu)化工藝參數(shù)以及高質(zhì)量涂層的關(guān)鍵。

3 激光熔覆技術(shù)修復(fù)擠壓模具的方法與步驟

（1）首先將專(zhuān)用合金粉末（鐵基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進(jìn)行打磨、除銹，再用酒精、丙酮清洗干凈；

（2）利用銅管對(duì)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(dòng)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(nèi)，當(dāng)激光熔覆熱源移開(kāi)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(méi)有，重復(fù)步驟（2）～（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，獲得所要求的表面光潔度。

4 技術(shù)驗(yàn)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(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含量最高達(dá)50wt.%、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H13鋼鋁型材擠壓模具激光熔覆修復(fù)前后的宏觀結(jié)構(gòu)。從圖1可以看出，該模具修復(fù)前出現(xiàn)了斷橋現(xiàn)象，即鋁材進(jìn)入模具入口處出現(xiàn)大量的宏觀裂紋，裂紋的長(zhǎng)度達(dá)15～18 mm，方向平行鋁材進(jìn)入的方向。經(jīng)多道多層激光熔覆修復(fù)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(fù)前后的宏觀結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

研究了一種激光熔覆修復(fù)擠壓模具技術(shù)，采用激光熔覆的方法和專(zhuān)用鐵基碳化鎢合金粉末對(duì)模具的破損部位進(jìn)行修復(fù)。應(yīng)用本技術(shù)對(duì)破損的H13鋼鋁型材擠壓模具進(jìn)行了激光熔覆修復(fù)，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)。

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

［2］張群莉，姚建華，駱?lè)?熱作模具H13鋼表面激光堆焊類(lèi)高速鋼的實(shí)驗(yàn)研究［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，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.

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