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耐火材料模具的激光熔覆技术

2018-7-5 12:34:51      点击：

模具在国民经济发展中具有极为重要的作用。

模具在工作过程中容易出现塑性变形、磨损、疲劳断裂以及脆性过载断裂等失效形式，而这些失效形式又经常是从其表面开始的。因此，表面工程技术在模具表面强化和修复中起着重要作用。

表面工程技术主要以激光表面改性为主，包括激光相变硬化、激光相变重熔强化、激光合金强化、激光熔覆等技术等。其中，激光熔覆是利用具有高能密度的激光束使某种特殊性能的材料熔覆在基体材料表面，与基材相互熔合，形成与基体成分和性能完全不同的合金熔覆层。激光熔覆的作用，不仅仅是提高材料表面层的性能，而是赋予它新的性能，可以完全改变材料表面性能，使廉价的材料表面获得极高的耐磨、耐蚀、耐高温等性能，并降低制造成本和能耗，节约有限的战略金属资源。该工艺可以修复材料表面的孔洞和裂纹，也可以恢复已磨损零件的几何尺寸和性能等。

在传统修复再制造技术中，电镀硬铬受到因微裂纹导致脱皮的困扰；火焰喷涂喷焊难以解决空隙问题；渗氮渗碳受真空设备的限制防腐能力不强，且存在严重的环境污染问题。与之相比，激光表面熔覆技术具有诸多不可比拟的优点：无需使用外加材料，仅改变被处理材料表面的组织结构；处理层和基体结合强度高，具有较高的硬度和耐磨性；被处理件变形极小，适合于高精度零件处理，作为材料和零件的最后处理工序；加工柔性好，适用面广。经激光处理后，铸铁表面硬度可以达到HRC60以上，中碳及高碳的碳钢，表面硬度可达HRC70以上，大大延长了其使用寿命。

1.生产耐火材料模具存在的突出问题

耐火材料目前已广泛应用水泥、冶金、建材等国民经济基础行业，生产耐火材料的企业需要消耗大量冷作模具钢来制作模具。冷作模具钢品种多、应用范围广，产值占模具总产值的30%-40%。采用的钢号很多，一般采用高碳过共析钢和莱氏钢体，如碳素工具钢、低合金油淬冷作模具钢、空淬冷作模具钢、高速钢、低碳高速钢和基本钢及用粉末冶金工艺生产的高合金模具材料等。

典型牌号是高碳高铬型冷作模具钢Cr12、Cr12MoV、高速钢W6Mo5Cr4V2及粉末冶金高温合金等。冷作模具钢在工作时，由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分承受很大的压力、弯曲力、冲击力及摩擦力，因此，冷作模具的正常报废原因一般是磨损，也有因断裂、崩力或变形超差而提前失效。

冷作模具摩擦面积大，磨损可能性大，所以修磨起来困难，要求具有更高的耐磨性；模具工作时承受冲压力大，又由于形状复杂易于产生应力集中，要求具有较高的韧性；模具尺寸大、形状复杂，要求较高的淬透性、较小的变形及开裂倾向性。

耐火材料模具在生产、使用中存在的突出问题就是，模具材料成本高、耐磨性能差、寿命短、生产效率低。针对这一实际现状，需要探索出一种新的工艺方法，在采用成本较低的模具材料来制造模具的前提下，能有效提高硬度和耐磨性，进而大大提高模具的耐磨性及使用寿命，降低模具生产成本，提高生产效率，增加企业的经济效益。

无论哪种激光工艺，熔覆处理后表层硬度高，次表层的硬度最高，可以达到923HV，基体硬度较低。这一方面与表面部分合金元素的烧损和挥发有关；另一方面与熔池的冷却过程有关。当激光束移动后，熔池的表层由于与温度低的基体接触，温度梯度和过冷度都很大，因此该部位首先开始凝固；随后，熔池表层的热量向试样外部和通过次表层向基体传热并开始进行凝固，直到完全冷却。此时，与熔覆表层直接接触的次表层凝固组织由于承受热量而重新经历组织转变，相当于进行了淬火。这样，激光熔覆后，熔覆层的组织形态不均匀，表层为铸造组织形态，而次表层及靠近基体的熔池底部为淬火组织，基体仍然保持原来的回火组织。

在显微镜下观察，激光熔覆结合区基本上不存在孔隙和缝隙等缺陷，同时，熔覆合金层与基材实现了良好的冶金结合，这是由于采用了铁基自溶性粉末，使得熔覆层与基体具有良好的浸润性。

激光熔覆后与基体相比，试样表面的硬度在不同程度上都有所提高，特别是表层下的次表层硬度提高更加明显。表面硬度高，心部硬度低的趋势非常有利于试样的耐磨损。表层和次表层较高的硬度使其具有很高的强度，在磨损过程中原子不容易发生转移，而硬度较低的心部为表层提供了相对较好的韧塑形。因此，激光熔覆后，表面的耐磨性能得到了显著的改善。

2.结论

1）采用模具材料表面激光熔覆处理技术来提高模具材料强度，延长模具寿命以及修复失效模具，具有快速、高效、针对性及适应性极好的优点，更好地实现了表面处理技术“用劲用在点子上”和“好钢用在刀刃上”的特点，可以大幅度延长、提高模具的使用寿命。

2）熔覆层的微观组织和性能，是联系激光熔覆工艺和模具材料宏观性能的关键环节。通过模具表面激光熔覆改性层的微观组织分析和性能测试，研究熔覆层的性能与其微观组织以及激光熔覆处理工艺参数三者之间的相互影响规律，为获得较理想的微观组织分布和性能优异的熔覆涂层提供坚实的实验基础，使得激光熔覆技术在模具（特别是耐火材料模具）的表面强化处理及失效修复上获得更好的应用。


来源：表面工程与再制造