Cr12MoV模具钢表面激光熔覆层组织及性能研究

摘要

激光熔覆技术在表面处理领域具有良好的发展前景。通过选择熔覆合金，可提高部件的表面硬度、耐磨性或耐腐蚀性，改善表面机械加工性能，还可修复因磨损而失效的零件，延长其使用寿命。冷冲压模具由于其特殊的工作环境（高压力、高摩擦，大面积等），容易发生磨损失效。为了提高冷冲压模具的使用寿命，节约资源，增大生产效益，本课题采用激光熔覆技术对失效冷冲压模具进行了修复研究。
　　本课题采用不同的合金粉末（铁基、镍基、钴基及添加碳化钨复合粉末）对Cr12MoV冷冲压模具钢进行激光熔覆修复。采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、显微硬度计和MM-200磨损试验机对熔覆层的显微组织、元素分布、显微硬度以及耐磨性能进行了研究。重点分析了钴基加碳化钨增强相复合粉末熔覆层的组织性能。
　　采用激光熔覆工艺，铁基、镍基及钴基等合金粉末均能实现Cr12MoV冷冲压模具的熔覆:熔覆层组织致密，性能优异，无气孔、裂纹等缺陷，与基材冶金结合强。铁基和钴基合金粉末熔覆层主要由网状的共晶组织和其所包围的固溶体组成;镍基合金粉末熔覆层主要由细小的枝晶组织和羽毛状的长条组织组成。Cr12MoV模具钢表面受激光传热影响，根据显微组织特征由表至里可分为过渡区和淬硬区。过渡区是受热影响最大的区域组织粗大，在半熔融状态下成分偏析严重，是修复表面的软化区。而淬硬区受热影响作用，组织细化，硬度提高很大。不同激光熔覆工艺参数下，其熔覆层的组织和性能变化很大。相对于激光功率，熔覆速度对熔覆层的显微组织和性能影响更为显著，随着熔覆速度的增大，激光光束停留时间越短，冷却越快，熔覆层的组织越细小致密。
　　通过添加不同比例碳化钨增强相复合粉末激光熔覆试验，发现碳化钨增强相对熔覆层的显微组织、硬度和耐磨性等都有显著的影响。碳化钨增强相与Ni60的相溶性较差，激光熔覆后存在较多的未熔碳化钨硬质相，很大程度提高了熔覆层的耐磨性。对于钴基合金粉末，随着碳化钨增强相比例的增加，熔覆层的硬度、耐磨性越来越高，说明碳化钨增强相与钴基合金粉末的相溶性很好。Cr12MoV模具钢表面激光熔覆不同合金粉末后，表面的耐磨性都有了不同程度的提高，达到基材的2～6倍，尤其是Co06+20％WC合金粉末熔覆层的耐磨性完全达到了模具的使用要求。
　　综合考虑冷冲压模具的使用要求（高硬度、高耐磨性以及一定的韧性）和课题试验结果，Cr12MoV冷冲压模具钢激光熔覆修复最佳工艺:FeNi26或Fe308合金粉末打底、Co06+20％WC复合粉末盖面;中间层激光功率3.6kW，熔覆速度3mm/s;盖面层激光功率3.8kW，熔覆速度4mm/s。
　　本试验结果不仅对Cr12MoV冷冲压模具的修复提供了技术支持，也为精密磨具、冷锻模具、热冲压模具、热锻模具以及其它易磨损零件的激光熔覆修复提供了一定的理论指导，对于扩大激光熔覆技术在工业生产中的应用具有重要的应用价值和理论意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 Cr12MoV冷冲压模具修复现状

1．2．1 冷冲压模具概况

1．2．2 冷冲压模具失效形式

1．2．3 冷冲压模具常用修复方法

1．3 激光熔覆技术的应用及发展

1．3．1 激光熔覆技术概况

1．3．2 激光熔覆技术在模具修复中的应用

1．3．3 激光熔覆技术发展前景

1．3．4 激光熔覆技术存在的主要问题

1．4 本文主要研究内容

1．5 本章小结

第2章 试验材料及研究方法

2．1 试验基材

2．2 激光熔覆设备

2．3 激光熔覆合金粉末

2．3．1 激光熔覆合金粉末种类

2．3．2 激光熔覆合金粉末供应方式

2．4 激光熔覆工艺

2．4．1 激光熔覆工艺参数

2．4．2 Cr12MoV模具钢激光熔覆试验步骤

2．5 研究方法

2．5．1 试样制备

2．5．2 组织及硬度分析

2．5．3 耐磨性试验方法

2．6 本章小结

第3章 不同合金粉末激光熔覆层组织性能

3．1 铁基、镍基及钴基合金粉末熔覆层组织分析

3．1．1 铁基、镍基及钴基合金粉末熔覆层宏观形貌分析

3．1．2 铁基、镍基及钴基合金粉末熔覆层显微组织分析

3．1．3 铁基、镍基及钴基合金粉末熔覆层硬度分析

3．2 复合粉末激光熔覆层组织及硬度分析

3．2．1 镍基及钴基加碳化钨增强相复合粉末熔覆层宏观形貌分析

3．2．2 镍基及钴基加碳化钨增强相复合粉末熔覆层显微组织分析

3．2．3 镍基及钴基加碳化钨增强相复合粉末熔覆层硬度分析

3．3 激光熔覆打底层组织分析

3．4 激光熔覆过渡区显微组织及硬度分析

3．5 本章小结

第4章 激光熔覆工艺对Co06+20％WC熔覆层组织影响

4．1 激光熔覆功率对熔覆层组织影响

4．2 激光熔覆速度对熔覆层的影响

4．3 激光熔覆层裂纹分析

4．3．1 激光熔覆层裂纹形态

4．3．2 熔覆层裂纹形成机理及影响因素

4．3．3 熔覆层裂纹的防止措施

4．4 Cr12MoV冲压模具刃口模拟熔覆试验

4．4．1 刃口的制备与激光熔覆方式

4．4．2 刃口模拟熔覆修复效果

4．4．3 刃口激光熔覆修复机械加工

4．5 本章小结

第5章 激光熔覆层耐磨性分析

5．1 激光熔覆层耐磨性能试验方法

5．2 激光熔覆层磨损机理

5．3 熔覆层硬度对其耐磨性的影响

5．4 碳化钨增强相对熔覆层耐磨性的影响

5．5 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢