一种用于热作模具激光组合制造专用粉末及其制造工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于热作模具激光组合制造专用粉末及其制造工艺，该合金粉末按重量百分比计其成分如下：碳C：1～1.2％，铬Cr：5～10％，钨W：2～5％，钼Mo：3～5％，钒V：4～5％，铌Nb：2～3％，钴Co：10～12％，铁Fe：余量。采用本发明专用粉末，在热作模具剪切模刃口进行激光组合制造，比H13在硬度、耐磨、韧性、耐冲击方面的性能上有很大的提升。该熔覆层具有较高的硬度、耐磨性、韧性和抗冲击性能，综合性能优异，激光组合制造工艺参数范围较广，工艺简单可靠。大幅度的延长了热作模具的使用寿命与可靠性。
【专利说明】一种用于热作模具激光组合制造专用粉末及其制造工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料科学与激光加工领域，尤其涉及一种用于热作模具激光组合制造专用粉末及其制造工艺，特别适用于热作模具表面由于承受着来自包括摩擦、挤压等各种形式的复杂应力而导致的模具的疲劳损伤和失效，延长热作模具的使用寿命。
【背景技术】
[0002]“增材制造”技术，俗称“3D打印”技术，是一种通过材料逐层添加堆积、实现构件无模成形的数字化制造技术，因其能大幅度缩短生产周期、降低制造成本、节省材料消耗和加工制造费用而被认为是新一代制造技术。但其由于质量难于控制、效率低、制造成本高昂三大难点问题成为工业领域应用的瓶颈。而激光组合制造却能克服这些缺点，使质量控制、提高效率、降低制造成本成为可能。激光组合制造是在零件的关键部位采用激光熔覆等技术进行选区性材料的成形，进行优化结构设计、优化选材及优化制造，激光组合制造更强调与基体材质的不同，多组元功能性结构，实现异质材料的结合，以及制造层内部材料的梯度变化，亦可以利用报废的部件作为母体，实现全生命周期的循环利用，并节材降耗。随着模具制造业的不断发展，模具工作条件日益苛刻，常用模具钢寿命低，开模次数小，与进口热作模具钢相比，还存在着一定的差距。国产热作模具钢使用寿命低，使得金属加工产品的成本很难下降。高硬度与高韧性是提高模具钢寿命的前提。而激光组合制造由于是在零件的关键部位进行选区性材料的成形，所以激光组合制造的这些特性很适合在热作模具制造上使用。本发明中模具尺寸远超临界淬透尺寸，常规热处理难以获得高硬度，模具的硬度只有HB280,企业采用电火花强化的方法进行强化，但由于深度不够，寿命较短，失效后采用手工电弧补焊的方法进行修复，将会产生裂纹等缺陷，满足不了生产要求。而使用激光组合制造的方法，可以在热作模具钢的表面形成一定厚度和形状的熔覆层，该熔覆层与基体有很好的冶金结合，能获得优异的结合力。且在合适的参数下获得耐磨、耐高温、耐冲击的热锻模具熔覆层，使热锻模具的寿命大大提高。
[0003]虽然，市面上热作模具钢的型号、成分较多，但用于模具激光组合制造的合金粉末少之又少。其原因是激光组合制造的特殊性，尤其是需要考虑其抗高温磨损、与基体的合理过渡及适合于激光熔覆特性要求等，常规的合金成分配比用在激光组合制造中或者有气孔、夹杂、裂纹等缺陷，或者使用性能不能满足要求。
[0004]中国专利申请号CN201310029830 —种复合结构的无缝钢管孔针及其制造方法。其配比为碳 C0.7 ?1.5%、硅 S1.41 ?0.82%、铁 Fe2.16 ?2.85%、镍Ni2.27 ?2.5%、铬Cr29.5?32.4%、钥Mo0.12?0.26%、钨W8.7?17.8%、其余为钴Co，粉末粒度为-140?+325目。显然属于钴基合金的范畴，缺点是成本较高，耐高温以及红硬性仍有欠缺。
[0005]中国专利申请号CN201110197529 —种奥氏体热作模具钢的制备方法，特点是一种奥氏体热作模具钢，该奥氏体热作模具钢具有很高的锰含量，锰能溶于铁素体，使铁素体强化，也能溶于渗碳体，提高其硬度。锰还能增加并细化珠光体，从而提高钢的强度和硬度。锰可与硫形成MnS，以消除硫的有害作用。但过高的锰含量与碳含量会使得碳不能充分溶于奥氏体中，如果碳不能溶于奥氏体中，或溶后又析出，则碳与铁、锰形成复合碳化物(FeiMn) 3c，这种碳化物非常脆弱，对钢的耐磨性及冲击韧性危害极大，铸件的裂纹敏感性增加。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于设计出一种适合于激光组合制造工艺且能胜任热作模恶劣工况的专用粉末及其制造工艺，在模具易失效的部位如工作面、次表面或因各类磨损、表面拉伤、疲劳断裂、微裂纹而引起的损伤部位作处理。使得经激光组合制造后的热作模具具备高硬度、抗磨损、抗疲劳断裂、抗高温蠕变、耐冲击等性能，从而延长模具的使用寿命。
[0007]为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案:
[0008]一种用于热作模具激光组合制造专用粉末，其特征在于，该合金粉末按重量百分比计其成分如下:碳C:1?L 2%，铬Cr:5?10%，钨W:2?5%，钥Mo:3?5%，钒V:4?5%，铌 Nb:2 ?3%，钴 Co:10 ?12%，铁 Fe:余量。
[0009]本发明所述的耐高温、抗磨损合金粉末的成分设计原理和相互作用为:
[0010]碳(::1?1.2%
[0011]本发明中，碳元素用于扩大奥氏体区域，适宜含量的碳元素可以和其它合金元素形成不同的碳化物等硬质相，从而达到强化熔覆层的效果。由于热作模具与被成型件高温接触，受到磨损与碰撞，因此激光组合制造后的材料应该具有高硬、耐磨、高的尺寸稳定性以及足够的韧性。所以合金粉末设计的碳含量较高。
[0012]铬Cr:5 ?10%
[0013]本发明中，铬用于提高钢的淬透性，显著改善钢种的机加工性能和抗氧化性能增加钢的抗腐蚀性能。并且在本发明中，铬与碳能形成合金渗碳体(FeCr) 3C、Cr7C3> Cr23C6等硬质相，进一步提高熔覆层的硬度和耐磨性。
[0014]钨W:2 ?5%
[0015]本发明中，钨一方面用于提高钢高温时的硬度、耐磨性，另一方面可形成碳化物，弥散分布于熔覆层中，使熔覆层得到固溶强化，一部分形成耐磨硬质相，还可以细化晶粒、提高回火后的韧性。
[0016]钥Mo:3 ?5%
[0017]钥的熔点为2620°C，其原子间结合力强，所以在常温和高温下强度都很高。本发明中，钥主要形成硬质的M6C碳化物。钥的膨胀系数小，导热性能好，本发明加入钥，使得合金钢的强度、韧性、耐热性、耐蚀性和可焊接性大幅提高。
[0018]钒V:4 ?5%
[0019]钒与碳、氮、氧都具有极强的亲和力，从而与之形成相应的极为稳定的化合物。本发明中，钒在钢中主要以碳化物的形态存在，以显著提高熔覆层的高温硬度并强烈细化晶粒，提高合金的抗摩擦性能。
[0020]铌Nb:2 ?3%
[0021]本发明中，加入适量的铌，用于大幅度增加熔覆层的韧性，并使得晶粒更加细化。
[0022]钴Co: 10 ?12%
[0023]钴有极好的耐热、耐蚀和抗高温氧化性。钴向基体固溶可以提高其硬度。本发明中熔覆层奥氏体基体中含有较多的、固溶着铬和钨的碳化物，这些化合物硬度高且耐磨。同时它又是多相结构，金属中碳化物生成元素含量越多，耐磨性越好，化合物和多相结构比单相固溶体“粘着”倾向小，因此，高的钴含量具有极其良好的高温抗摩擦性能。但钴含量过高会使合金的成本上升，本配比在V，Nb等元素的协同作用和钴含量在10?12%的情况下，已能获得良好的性价比。
[0024]本发明提供的配比的合金粉末，在实际使用中不需要预热，可在合适的参数下获得高硬度、抗磨损、抗疲劳断裂、抗高温蠕变、耐冲击的热锻模具熔覆层，且激光组合制造工艺适应性较宽，重复性一致，完全可用于热锻模具接触部位的修复与再制造。
[0025]合金粉末的制备按照常规方法，即按计算量加入高熔点元素与各中间合金于中频炉中，加热至1400?1500°C,除洛、精炼、均匀化后制粉,粉末干燥后过筛保存。
[0026]一种热作模具激光组合制造工艺，采用如上所述的专用粉末，在惰性气体的保护下，经激光熔覆制造在工件的表面制备耐磨、耐高温、抗冲击的合金层。
[0027]作为优选，所述工件为热锻模具的上、下模，在激光组合制造前，对上、下模易失效部位(如剪切模刃口)进行机加工，铣槽，再在铣去的部位进行激光组合制造。此工艺方法可以保证热锻模具的原有尺寸和表面的平整，熔覆层与模具钢基体为冶金结合，结合牢固。
[0028]作为优选，所述模具易失效部位(如剪切模刃口)铣槽深度为0.5?1.2mm。
[0029]本发明的激光组合制造工艺参数为:所述的热作模具基体材料为H13(也可适用于其它牌号)，合金材料粉末粒度为140?400目，由惰性气体送粉；采用3KW大功率半导体激光器与同轴送粉的熔覆方式对研制的合金粉末进行激光组合制造，功率为1.0?2.6KW，激光扫描速度为Vs = 400?1200mm/min，送粉量为Vf = 5?15g/min，搭接率为50%。
[0030]采用本发明的热作模具激光组合制造专用粉末，在热作模具剪切模刃口进行激光组合制造，比H13在硬度、耐磨、韧性、耐冲击方面的性能上有很大的提升。该熔覆层具有较高的硬度、耐磨性、韧性和抗冲击性能，综合性能优异，激光组合制造工艺参数范围较广，工艺简单可靠。大幅度的延长了热作模具的使用寿命与可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是5#样异材结合处的显微组织(100X)；
[0032]图2是5#样熔覆层SEM微观组织；
[0033]图3是经激光组合制造后熔覆层的截面显微组织(400X)。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做一个详细的说明。
[0035]一种用于热作模具激光组合制造专用粉末，其特征在于，此合金粉末，按重量百分比计其成分如下:碳C:1?L 2%，铬Cr:5?10%，钨W:2?5%，钥Mo:3?5%，钒V:4?5%，铌 Nb:2 ?3%，钴 Co:10 ?12%，铁 Fe:余量。
[0036]一种热作模具激光组合制造工艺，采用如上所述的合金材料，在惰性气体的保护下，经激光熔覆制造在工件的表面制备耐磨、耐高温、抗冲击的合金层。
[0037]本发明提供的配比的合金粉末，在实际使用中不需要预热，可在合适的参数下获得高硬度、抗磨损、抗疲劳断裂、抗高温蠕变、耐冲击的热锻模具熔覆层，且激光组合制造工艺适应性较宽，重复性一致，完全可用于热锻模具接触部位的修复与再制造。
[0038]所述工件为热锻模具的上、下模，在激光组合制造前，对上、下模易失效部位(如剪切模刃口)进行机加工，铣槽，再在铣去的部位进行激光组合制造。此工艺方法可以保证热锻模具的原有尺寸和表面的平整，熔覆层与模具钢基体为冶金结合，结合牢固。所述模具易失效部位(如剪切模刃口)铣槽深度为0.5?1.2_。
[0039]合金粉末的制备按照常规方法，即按计算量加入高熔点元素与各中间合金于中频炉中，加热至1400?1500°C,除洛、精炼、均匀化后制粉,粉末干燥后过筛保存。
[0040]本发明的激光组合制造工艺参数为:所述的热作模具基体材料为H13(也可适用于其它牌号)，合金材料粉末粒度为140?400目，由惰性气体送粉；采用3KW大功率半导体激光器与同轴送粉的熔覆方式对研制的合金粉末进行激光组合制造，功率为1.0?2.6KW，激光扫描速度为Vs = 400?1200mm/min，送粉量为Vf = 5?15g/min，搭接率为50%，进行了 50余组的试验，择优选取激光组合制造工艺参数值如表I所述，在表I所述激光组合制造工艺参数之下均可获得满意的熔覆层，硬度可达到HV750?880 ;500°C高温磨损试验表明比基体明显改善。
[0041]表I激光组合制造工艺参数
[0042]
试样 P 扫描速度送粉量~ttti 平均硬度(HV) 基体磨损量/ 编(KW) (mm/min) (g/'min) (kJ/cm2) /(HRC)涂,?
(500 0C)
~? L4 420 51 429Wi135
21,2 420 5.5 4.027522.98
31.0 420 5.5 3.757663.21
42.2 660 10 4.298053.61
51.72 660 10 4.028774.00
61.32 660 10 3.758283.81
72.6 960 15 4.027463.01
81.95 960 15 3.757543.41
[0043]试样采用HT-600高温摩擦磨损试验机作高温磨损失重试验；采用HMV-2TADWXY全自动显微硬度计测试其硬度及分析显微组织形貌。
[0044]图1为5#样熔覆层的横截面显微组织。其上部为基体，基体中白色小点块为碳化物；中部浅色带为熔合区，其中靠近基体侧有浅色组织嵌入其中，表明此处存有元素互渗现象，激光组合制造强调与基体材质的不同，多组元功能性结构，实现异质材料的结合，以及制造层内部材料的梯度变化，图1显示出熔覆层与基体实现异质材料的良好的冶金结合，且熔覆层组织内部无气孔、裂纹和夹渣；图片的下部为熔覆层组织，由于激光组合制造次道熔覆对前道熔覆的加热与冷却，因而搭接带在图片中可清晰区分。
[0045]图2为5#样熔覆层SEM微观组织。从图2中可以看出熔覆层组织得到细化，散布着细小的晶粒组织，如图2中的A区域；而且在细晶粒组织中有比较大的块状组织，如图2中的B区域。图2中B区域块状组织主要为Cr、Fe以及C、V的化合物，推断可能为Fe-Cr和Fe3C,图2中的白色细小晶粒推测为V4C3、Cr23c6、Cr7C3金属化合物，这些物质在很大程度上决定着熔覆层的组织性能。从试样的宏观形貌可以看出，熔覆层表面平整光滑，表明熔覆层的几何形貌良好。
[0046]从图3可以看出，沿着纵向箭头方向依次是基体、扩散区、结合区、涂层(熔覆层)，在靠近结合区的熔覆层底部为胞状晶和柱状晶，熔覆层内部组织均匀致密，具有明显的垂直于界面的枝晶生长特征。熔覆层为细小的树枝晶。
[0047]上述结果表明:经激光组合制造后，虽然激光组合制造的材料与基材不同，属于异质材料的结合，但熔覆层与基体结合良好，无气孔、夹杂、裂纹等缺陷出现。表层的硬度高达HV900。并且此工艺的适应范围广。具有很强的实用性。
[0048]由于热传导与应力等因素与试样存在的差异将会导致裂纹、气孔等缺陷的产生，故先在模具表面作激光组合制造试验，试验结果:熔覆层形貌良好，无裂纹、孔洞，几何形貌良好。热作磨具实物激光组合制造，熔覆层与机加工后熔覆层表面平整光滑，表明熔覆层的几何形貌良好。
[0049]由上述可知，采用本发明用于热作模具激光组合制造专用粉末，在热作模具剪切模刃口进行激光组合制造，比H13在硬度、耐磨、韧性、耐冲击方面的性能上有很大的提升。该熔覆层具有较高的硬度、耐磨性、韧性和抗冲击性能，综合性能优异，激光组合制造工艺参数范围较广，工艺简单可靠。大幅度的延长了热锻模具的使用寿命与可靠性。
[0050]实施例1:
[0051]一种用于热作模具激光组合制造专用粉末，其熔覆层具有耐磨、耐冲击、耐高温性能，粉末制造具体步骤如下:
[0052](I)计算铬铁、钒铁等各中间合金的加入量(计算时考虑各元素的不同烧损率)。
[0053](2)称重后放置在200°C烘箱内烘烤。
[0054](3)先加入高熔点元素，再加入易烧损元素。
[0055](4)熔化后除洛、精炼。
[0056](5)开启水、气路，控制压力与液位。
[0057](6)放置经预热的中间漏包于喷嘴上，倾倒熔炉内合金液于中间漏包内。
[0058](7)喷粉完成后，出粉并用酒精除去水分，烘干后过筛密封待用。
[0059]合金粉末化学组成(重量百分比)为C:1.05%，Cr:5.0%，W:3.0%，Mo:3.0%，V:4.1%, Nb:2.0%, Co:10%, Fe:余量。
[0060]激光组合制造工艺具体步骤如下:
[0061](8)先对上、下模易失效部位(剪切模刃口)进行机加工，铣槽。
[0062](9)将干燥的粉末放入送粉器中。
[0063](10)然后将烘干后的粉末放入沸腾式送粉器中。
[0064](11)将模具待处理部位编制程序；调整激光组合制造工艺参数至:
[0065]l#a,激光功率至1.4KW，扫描速度为420mm/min，送粉量为5.5g/min,保护气压力为0.2MPa，激光光斑直径为4mm ;搭接率为50%。
[0066]5#b,激光功率至1.72KW，扫描速度为600mm/min，送粉量为10g/min，保护气压力为0.2MPa，激光光斑直径为4mm ;搭接率为50%。
[0067]7#c,激光功率至2.6KW，扫描速度为780mm/min，送粉量为15g/min，保护气压力为0.2MPa，激光光斑直径为4mm ;搭接率为50%。
[0068](12)按a，b，c参数分别熔覆一个上模。
[0069](13)机加工至工作尺寸。
[0070]经里氏硬度计检测熔覆层硬度均大于HRC59 (见表2)。
[0071 ] 表2实施例1激光组合制造熔覆层硬度
[0072]
试样编号 P 扫描速度送粉量SS
(KW) (mm/min) (g/min)(HRC)
a L4 420 5^559?63
b 1.72 600 106 卜 66
C 2.6 1200 1560.5?64.5
[0073]实施例2:
[0074]一种用于热作模具激光组合制造专用粉末，其熔覆层具有耐磨、耐冲击、耐高温性能，粉末制造具体步骤如下:
[0075](I)?(7)同实施例1。
[0076]合金粉末化学组成(重量百分比)为C:1.2%, Cr:9%, W:4.5%, Mo:4.5%, V:
5.0%, Nb:3.0%, Co:12%, Fe:余量。
[0077]激光组合制造工艺具体步骤如下:
[0078](8)?(10)、(12)、(13)同实施例1的激光组合制造工艺步骤。
[0079](11)按模具待处理部位编制程序；调整激光工艺参数调整至:
[0080]a,激光功率至1.4KW，扫描速度为420mm/min，送粉量为5.5g/min，保护气压力为0.2MPa，激光光斑直径为4mm ;搭接率为50%。
[0081]b,激光功率至1.72KW，扫描速度为600mm/min，送粉量为10g/min，保护气压力为0.2MPa，激光光斑直径为4mm ;搭接率为50%。
[0082]c，激光功率至2.6KW，扫描速度为780mm/min，送粉量为15g/min，保护气压力为
0.2MPa，激光光斑直径为4mm ;搭接率为50%。
[0083]上述熔覆层硬度经里氏硬度计检测均大于HRC60。(见表3)
[0084]表3实施例2激光组合制造熔覆层硬度
[0085]
试样编号P扫描速度送粉量SS^
(K.W) (mm/min) (g/min)(HRC)
a?Α4205^560?63.5~
b1.726001062?66
c2.612001561 ?65
[0086]实施例1、2的经激光组合制造后熔覆层表面质量均良好，经着色探伤未见裂纹。装机试验其寿命提高了 2.5倍以上，激光组合制造完全可用于热锻模具的修复与再制造，由于制造成本低、周期短、经济性好可以广泛的推广应用。
[0087]需要强调的是:以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种用于热作模具激光组合制造专用粉末，其特征在于，该合金粉末按重量百分比计其成分如下:碳C:1?1.2%，铬Cr:5?10%，钨W:2?5%，钥Mo:3?5%，银V:4?5%，铌 Nb:2 ?3%，钴 Co:10 ?12%，铁 Fe:余量。
2.根据权利要求1所述的一种用于热作模具激光组合制造专用粉末，其特征在于，所述合金粉末的制备方法:按计算量加入高熔点元素与各中间合金于中频炉中，加热至1400?1500°C,除洛、精炼、均匀化后制粉,粉末干燥后过筛保存。
3.一种热作模具激光组合制造工艺，采用权利要求1或2所述的专用粉末，在惰性气体的保护下，经激光熔覆制造在工件的表面制备耐磨、耐高温、抗冲击的合金层。
4.根据权利要求3所述的一种热作模具激光组合制造工艺，其特征在于，所述工件为热作模具的上、下模，在激光组合制造前，对上、下模易失效部位进行机加工、铣槽，再在铣去的部位进行激光组合制造。
5.根据权利要求4所述的一种热作模具激光组合制造工艺，其特征在于，所述上、下模易失效部位的铣槽深度为0.5?1.2_。
6.根据权利要求5所述的一种热作模具激光组合制造工艺，其特征在于，所述激光组合制造工艺参数为:所述热作模具基体材料为H13，所述合金粉末粒度为140?400目，由惰性气体送粉；采用3KW大功率半导体激光器与同轴送粉的熔覆方式对研制的合金粉末进行激光组合制造，功率为1.0?2.6KW，激光扫描速度为Vs = 400?1200mm/min，送粉量为Vf = 5 ?15g/min，搭接率为 50%。
【文档编号】C22C38/30GK104128600SQ201410325212
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】姚建华, 楼程华, 张群莉, 陈智君 申请人:浙江工业大学