一种激光熔覆高红硬性粉末及热冲压模具熔覆方法

摘要

本发明涉及一种激光熔覆高红硬性粉末及热冲压模具熔覆方法，其中激光熔覆高红硬性粉末由如下重量份数的组分组成：Fe30份‑35份、Ni20份‑25份、Co25份‑30份、C0.5份‑1.0份、Cr11份‑15份、Si0.7份‑1.0份、Mn0.2份‑0.4份、Mo2.5份‑2.8份、Al0.8份‑1.0份、V0.3份‑0.6份、W1.5份‑2份、Ti1.5份‑2份、B0.5份‑1.00份、石墨烯0.5份‑1.5份。提供了热冲压模具激光熔覆方法，采用高红硬性粉末对热冲压模具进行激光熔覆修复强化。本发明提供的激光熔覆高红硬性粉末及热冲压模具熔覆方法，对热疲劳磨损失效的H13钢热冲压模具型面进行激光熔覆高红硬性粉末修复强化，修复强化后的模具型面硬度高，在高温下耐磨性优异，高温下模具型面的摩擦系数较小，避免了在热冲压过程中钣金件由于摩擦较大易出现起皱、叠料等缺陷。

权利要求

1.一种激光熔覆高红硬性粉末，其特征在于，它由如下重量份数的组分组成：Fe30份‑

35份、Ni20份‑25份、Co25份‑30份、C0.5份‑1.0份、Cr11份‑15份、Si0.7份‑1.0份、Mn0.2份‑

0.4份、Mo2.5份‑2.8份、Al0.8份‑1.0份、V0.3份‑0.6份、W1.5份‑2份、Ti1.5份‑2份、B0.5份‑

1.00份、石墨烯0.5份‑1.5份。

2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆高红硬性粉末，其特征在于，将Fe、Ni、Co、C、Cr、Si、Mn、Mo、Al、V、W、Ti和B组分采用气雾化或水雾化方法制备成FeNiCo合金；将石墨烯与FeNiCo合金通过机械混合、超声混合或球磨方式混合均匀。

3.根据权利要求2所述的一种激光熔覆高红硬性粉末，其特征在于，将石墨烯与FeNiCo合金通过机械或超声混合方式混合均匀。

4.根据权利要求1所述的一种激光熔覆高红硬性粉末，其特征在于，所述石墨烯为单层和双层氧化石墨烯中的一种或两种的混合。

5.根据权利要求2所述的一种激光熔覆高红硬性粉末，其特征在于，所述FeNiCo合金的粒度为100目‑300目。

6.一种热冲压模具激光熔覆方法，其特征在于，采用权利要求1‑5任何一项所述的激光熔覆高红硬性粉末对热冲压模具进行激光熔覆修复强化。

7.根据权利要求6所述的一种热冲压模具激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、机械加工：热冲压模具型面进行机械加工，去除疲劳层，加工形成激光熔覆基准面；

S2、喷砂毛化：对加工后的热冲压模具型面进行喷砂毛化，增大型面的粗糙度，利于型面对激光的吸收，并且使型面表面产生压应力，避免激光熔覆裂纹的产生；

S3、清洗：使用压缩空气除去热冲压模具型面的灰尘，然后使用酒精或丙酮对热冲压模具型面擦拭除油污；

S4、激光熔覆：采用同轴送粉方式对热冲压模具型面进行激光熔覆高红硬性粉末，并且同时采用旁轴送料方式向激光熔覆高红硬粉末过程中形成的熔池内或熔池表面输送氧化石墨烯；

S5、重复步骤S4直至热冲压型面的尺寸满足后续机械加工要求；

S6、型面加工：对激光熔覆面进行机械加工至热冲压模具图纸要求。

8.根据权利要求7所述的一种热冲压模具激光熔覆方法，其特征在于，S2中喷砂毛化采用铁砂、石英砂或者刚玉砂中的一种，并且其形状为球形或类球形，以及其粒径大小为50微米‑200微米。

9.根据权利要求7所述的一种热冲压模具激光熔覆方法，其特征在于，S4中激光熔覆工艺为：激光功率1500W‑2000W、同轴送粉量5g/min‑25g/min、激光扫描速度为5mm/s‑20mm/s和搭接率为30％‑60％；

S4中旁轴送料方式中氧化石墨烯的送料量为0.01g/min‑0.15g/min；

采用氮气做为同轴送粉、旁轴送料的载气和激光熔覆的保护气。

10.根据权利要求8所述的一种热冲压模具激光熔覆方法，其特征在于，S4中同轴送粉方式激光熔覆形成的单层熔覆层厚度不大于0.3mm，激光熔中激光的光斑直径为3mm或

4.2mm。

说明书

一种激光熔覆高红硬性粉末及热冲压模具熔覆方法

技术领域

[0001] 本实用新型涉及一种激光熔覆高红硬性粉末及热冲压模具熔覆方法，属于粉末材料及激光加工技术领域。

背景技术

[0002] 激光熔覆技术(Laser Cladding)是一种采用高能激光束做为热源对材料加热使其熔化沉积在微熔基材表面从而实现增材制造(AM，Additive Manufacturing)的先进制造技术。激光熔覆作为一种先进的增材制造技术，在尺寸恢复、表面强化、修复再制造方面起着举足轻重的作用；尤其是在工件表面强化制备功能层方面具有较大的优势。

[0003] 目前，为了实现汽车燃油经济性，一些重要的汽车钣金件越来越多的采用超高强钢热冲压成形，超高强钢热冲压模具一般采用H13热作模具钢制造。H13热冲压模具经热处理后硬度在HRC50‑HRC52，在使用过程中模具内部通冷却水使其整体保持低温状态，表面反复承受900℃以上的高温超高强钢板料的热冲压冲击影响，模具型面会产生磨损，尤其是圆角等棱线磨损尤为严重，磨损到一定程度模具就会报废。

[0004] 为了实现高温磨损失效后的热冲压模具的再使用，亟需发明一种激光熔覆高红硬性粉末及热冲压模具激光熔覆方法，以解决超高强钢热冲压模具在高温疲劳磨损失效后的激光熔覆修复强化问题，实现热冲压模具的再使用，延长热冲压模具的使用寿命。

发明内容

[0005] 本实用新型针对现有的超高强钢热冲压模具在高频次的热疲劳磨损造成其失效的情况下提供一种在高温下具有较高硬度的激光熔覆粉末以及使用该高红硬粉末修复强化热冲压模具型面的激光熔覆方法。

[0006] 本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

[0007] 一种激光熔覆高红硬性粉末，它包括如下重量份数的组分：Fe25份‑35份、Ni20份‑30份、Co25份‑35份、C0.5份‑1.0份、Cr8份‑15份、Si0.7份‑1.5份、Mn0.2份‑0.5份、Mo2.3份‑
2.8份、Al0.8份‑1.5份、V0.3份‑0.6份、W1.5份‑3份、Ti1.5份‑3份、B0.5份‑1.5份。

[0008] 进一步的，一种激光熔覆高红硬性粉末，它由如下重量份数的组分组成：Fe30份‑35份、Ni20份‑25份、Co25份‑30份、C0.5份‑1.0份、Cr11份‑15份、Si0.7份‑1.0份、Mn0.2份‑
0.4份、Mo2.5份‑2.8份、Al0.8份‑1.0份、V0.3份‑0.6份、W1.5份‑2份、Ti1.5份‑2份、B0.5份‑
1.00份、石墨烯0.5份‑1.5份。

[0009] 进一步的，将Fe、Ni、Co、C、Cr、Si、Mn、Mo、Al、V、W、Ti和B组分采用气雾化或水雾化方法制备成FeNiCo合金；将石墨烯与FeNiCo合金通过机械混合、超声混合或球磨方式混合均匀；优选的，将石墨烯与FeNiCo合金通过机械混合或超声混合方式混合均匀。

[0010] 进一步的，所述石墨烯为单层、双层或少层氧化石墨烯中的一种或多种混合，优选选择少层氧化石墨烯，少层氧化石墨烯在高温下化学性质稳定，在激光熔覆过程中不易发生烧损或分解，可以保留石墨烯高强度、高硬度和高韧性的特性。

[0011] 进一步的，所述FeNiCo合金的粒度为100目‑300目。

[0012] 本实用新型提供的激光熔覆高红硬性粉末，粉末中加入Co、Ni元素为材料的整体高红硬性奠定了基础；同时W和Ti的加入形成TiC和WC硬质颗粒，在高温下硬度较高，并且Mn、Si、Mo、Cr可以形成MnSi相和MoCr相，MnSi相和MoCr相在高温下组织稳定，可以大幅度的提高该粉末的红硬性；元素V可以细化晶粒，在激光熔覆过程中石墨烯分散在熔覆层中可以增加熔覆层整体强度，并且石墨烯再高温下的稳定性较好，对保持熔覆层在高温下的硬度、强度和稳定性十分有利。

[0013] 在上述技术方案的基础上，本实用新型还提供了一种热冲压模具激光熔覆方法，采用以上所述的激光熔覆高红硬性粉末对热冲压模具进行激光熔覆修复强化。

[0014] 进一步的，一种热冲压模具激光熔覆方法，包括以下步骤：

[0015] S1、机械加工：热冲压模具型面进行机械加工，去除疲劳层，加工形成激光熔覆基准面；

[0016] S2、喷砂毛化：对加工后的热冲压模具型面进行喷砂毛化，增大型面的粗糙度，利于型面对激光的吸收，并且使型面表面产生压应力，避免激光熔覆裂纹的产生；

[0017] S3、清洗：使用压缩空气除去热冲压模具型面的灰尘，然后使用酒精或丙酮对热冲压模具型面擦拭除油污；

[0018] S4、激光熔覆：采用同轴送粉方式对热冲压模具型面进行激光熔覆高红硬性粉末，并且同时采用旁轴送料方式向激光熔覆高红硬粉末过程中形成的熔池内或熔池表面输送氧化石墨烯；

[0019] S5、重复步骤S4直至热冲压型面的尺寸满足后续机械加工要求；

[0020] S6、型面加工：对激光熔覆面进行机械加工至热冲压模具图纸要求。

[0021] 进一步的，S2中喷砂毛化采用铁砂、石英砂或者刚玉砂中的一种，并且其形状为球形或类球形，以及其粒径大小为50微米‑200微米。

[0022] 进一步的，S4中激光熔覆工艺为：激光功率1500W‑2000W、同轴送粉量5g/min‑25g/min、激光扫描速度为5mm/s‑20mm/s和搭接率为30％‑60％

[0023] S4中旁轴送料方式中氧化石墨烯的送料量为0.01g/min‑0.15g/min；

[0024] 采用氮气做为同轴送粉、旁轴送料的载气和激光熔覆的保护气；采用氮气做为载气和保护气，氮气和粉末中的B元素可以形成BN，进一步提高熔覆层的高红硬性。

[0025] 进一步的，S4中同轴送粉方式激光熔覆形成的单层熔覆层厚度不大于0.3mm，激光熔中激光的光斑直径为3mm或4.2mm。

[0026] 本实用新型的优点在于：1、高红硬粉末材料以Fe、Ni和Co为主要成分，Fe可以使材料在激光熔覆过程中与钢质基体(热作模具钢等基体)很好的熔合，激光熔覆层与基体结合良好；Co、Ni元素为材料的整体高红硬性奠定了基础；2、W、Ti、C、Mn、Si、Mo、Cr可以形成TiC和WC硬质颗粒以及MnSi相和MoCr相，TiC和WC硬质颗粒在高温下硬度较高，MnSi相和MoCr相在高温下组织稳定，可以大幅度的提高该粉末的红硬性；3、氧化石墨烯得到加入，在激光熔覆过程中石墨烯分散在熔覆层中可以增加熔覆层整体强度，并且石墨烯在高温下的稳定性较好，对保持熔覆层在高温下的硬度、强度和稳定性十分有利；4、激光熔覆过程采用氮气，可以形成BN，进一步提高熔覆层的高红硬性；5、在激光熔覆过程中，采用旁轴送料方式在熔池表面另加入氧化石墨烯，氧化石墨烯沉积在还未凝固的熔池表面，并且在高温下石墨烯向熔池内部扩散渗透，在熔覆层表面形成一层耐磨层，可以大幅度提高熔覆层的耐磨性。

[0027] 本实用新型提供的激光熔覆高红硬性粉末及热冲压模具熔覆方法，对热疲劳磨损失效的H13钢热冲压模具型面进行激光熔覆高红硬性粉末修复强化，修复强化后的模具型面硬度高，高温性能优异，在高温下耐磨性优异，并且高温下模具型面的摩擦系数较小，非常有利于汽车钣金件的热冲压成形，避免了在热冲压过程中钣金件由于摩擦较大易出现起皱、叠料等缺陷。

附图说明

[0028] 图1为本实用新型一种激光熔覆高红硬性粉末及热冲压模具熔覆方法步骤路线示意图；

[0029] 图2为本实用新型一种激光熔覆高红硬性粉末及热冲压模具熔覆方法激光熔覆过程示意图；

[0030] 图3为本实用新型一种激光熔覆高红硬性粉末及热冲压模具熔覆方法实施例2的摩擦系数曲线图。

[0031] 附图标记记录如下：1‑同轴送粉激光熔覆头2‑高红硬性粉末束，3‑激光束，4‑热冲压型面，5‑熔池，6‑旁轴送料管，7‑氧化石墨烯。

具体实施方式

[0032] 以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

[0033] 实施例1

[0034] 取如下重量份数的组分：32份Fe、20份Ni、30份Co、0.6份C、13份Cr、0.8份Si、0.3份Mn、2.6份Mo、0.9份Al、0.4份V、1.6份W、1.6份Ti、0.6份B物料充分熔化混合后，采用气雾化制备粒径在100目‑300目的FeNiCo合金，然后取0.7份的单层和双层氧化石墨烯与制得的FeNiCo合金采用球磨的方式混合均匀得激光熔覆高红硬性粉末材料。

[0035] 采用以上混合得到的粉末材料对磨损量在1.0mm的热冲压H13钢模具进行激光熔覆强化，其修复强化步骤为：

[0036] S1、机械加工：热冲压模具型面进行机械加工，去除疲劳层，加工形成激光熔覆基准面，机械加工量为0.5mm；

[0037] S2、喷砂毛化：采用粒径100微米的刚玉砂对加工后的热冲压模具型面进行喷砂毛化，增大型面的粗糙度，利于型面对激光的吸收，并且使型面表面产生压应力，避免激光熔覆裂纹的产生；

[0038] S3、清洗：使用压缩空气除去热冲压模具型面的灰尘，然后使用酒精或丙酮对热冲压模具型面擦拭除油污；

[0039] S4、激光熔覆：采用同轴送粉方式对热冲压模具型面进行激光熔覆高红硬性粉末，并且同时采用旁轴送料方式向激光熔覆高红硬粉末过程中形成的熔池内或熔池表面输送氧化石墨烯；如图2所示为激光熔覆过程示意图，由同轴送粉激光熔覆头1输送上述制备的高红硬性粉末，高红硬性粉末束2在激光束3的辐照下熔化沉积在热冲压型面4表面并形成熔池5，同时通过旁轴送料管6向熔池输送氧化石墨烯7，直至熔覆完成形成单层熔覆层；

[0040] 激光熔覆采用的工艺参数为：激光束的光斑直径为3mm，激光功率2000W、同轴送粉量22g/min、激光扫描速度为8mm/s和搭接率为50％，旁轴送料管6向熔池输送氧化石墨烯7的送料量为0.08g/min；

[0041] 采用氮气做为同轴送粉、旁轴送料的载气和激光熔覆的保护气；

[0042] S5、重复步骤S4直至热冲压型面的尺寸满足后续机械加工要求，激光熔覆层数5层；

[0043] S6、型面加工：对激光熔覆面进行机械加工至热冲压模具图纸要求

[0044] 实施例2

[0045] 取如下重量份数的组分：30份Fe、25份Ni、30份Co、0.8份C、15份Cr、0.8份Si、0.3份Mn、2.6份Mo、0.9份Al、0.4份V、1.8份W、1.8份Ti、0.6份B物料充分熔化混合后，采用气雾化制备粒径在100目‑300目的FeNiCo合金，然后取1.3份的单层和双层氧化石墨烯与制得的FeNiCo合金采用超声混合(超声混合即将FeNiCo合金合金粉末和石墨烯放入到装有无水乙醇的容器内，将容器放入到超声波设备中进行超声，在超声过程中对其进行搅拌)的方式混合均匀得激光熔覆高红硬性粉末材料。

[0046] 采用以上混合得到的粉末材料对磨损量在1.0mm的热冲压H13钢模具进行激光熔覆强化，其修复强化步骤为：

[0047] S1、机械加工：热冲压模具型面进行机械加工，去除疲劳层，加工形成激光熔覆基准面，机械加工量为0.5mm；

[0048] S2、喷砂毛化：采用粒径100微米的刚玉砂对加工后的热冲压模具型面进行喷砂毛化，增大型面的粗糙度，利于型面对激光的吸收，并且使型面表面产生压应力，避免激光熔覆裂纹的产生；

[0049] S3、清洗：使用压缩空气除去热冲压模具型面的灰尘，然后使用酒精或丙酮对热冲压模具型面擦拭除油污；

[0050] S4、激光熔覆：采用同轴送粉方式对热冲压模具型面进行激光熔覆高红硬性粉末，并且同时采用旁轴送料方式向激光熔覆高红硬粉末过程中形成的熔池内或熔池表面输送氧化石墨烯；如图2所示为激光熔覆过程示意图，由同轴送粉激光熔覆头1输送上述制备的高红硬性粉末，高红硬性粉末束2在激光束3的辐照下熔化沉积在热冲压型面4表面并形成熔池5，同时通过旁轴送料管6向熔池输送氧化石墨烯7，直至熔覆完成形成单层熔覆层；

[0051] 激光熔覆采用的工艺参数为：激光束的光斑直径为3mm，激光功率1600W、同轴送粉量13g/min、激光扫描速度为10mm/s和搭接率为50％，旁轴送料管6向熔池输送氧化石墨烯7的送料量为0.12g/min；

[0052] 采用氮气做为同轴送粉、旁轴送料的载气和激光熔覆的保护气；

[0053] S5、重复步骤S4直至热冲压型面的尺寸满足后续机械加工要求，激光熔覆层数5层；

[0054] S6、型面加工：对激光熔覆面进行机械加工至热冲压模具图纸要求

[0055] 实施例3

[0056] 取如下重量份数的组分：35份Fe、25份Ni、25份Co、0.75份C、13份Cr、0.6份Si、0.3份Mn、2.6份Mo、0.8份Al、0.3份V、1.6份W、1.6份Ti、0.6份B物料充分熔化混合后，采用气雾化制备粒径在100目‑300目的FeNiCo合金，然后取1.0份的单层和双层氧化石墨烯与制得的FeNiCo合金采用机械混合(V型混粉器)的方式混合均匀得激光熔覆高红硬性粉末材料。

[0057] 采用以上混合得到的粉末材料对磨损量在1.0mm的热冲压H13钢模具进行激光熔覆强化，其修复强化步骤为：

[0058] S1、机械加工：热冲压模具型面进行机械加工，去除疲劳层，加工形成激光熔覆基准面，机械加工量为0.5mm；

[0059] S2、喷砂毛化：采用粒径100微米的刚玉砂对加工后的热冲压模具型面进行喷砂毛化，增大型面的粗糙度，利于型面对激光的吸收，并且使型面表面产生压应力，避免激光熔覆裂纹的产生；

[0060] S3、清洗：使用压缩空气除去热冲压模具型面的灰尘，然后使用酒精或丙酮对热冲压模具型面擦拭除油污；

[0061] S4、激光熔覆：采用同轴送粉方式对热冲压模具型面进行激光熔覆高红硬性粉末，并且同时采用旁轴送料方式向激光熔覆高红硬粉末过程中形成的熔池内或熔池表面输送氧化石墨烯；如图2所示为激光熔覆过程示意图，由同轴送粉激光熔覆头1输送上述制备的高红硬性粉末，高红硬性粉末束2在激光束3的辐照下熔化沉积在热冲压型面4表面并形成熔池5，同时通过旁轴送料管6向熔池输送氧化石墨烯7，直至熔覆完成形成单层熔覆层；

[0062] 激光熔覆采用的工艺参数为：激光束的光斑直径为3mm，激光功率1500W、同轴送粉量8g/min、激光扫描速度为10mm/s和搭接率为50％，旁轴送料管6向熔池输送氧化石墨烯7的送料量为0.08g/min；采用氮气做为同轴送粉、旁轴送料的载气和激光熔覆的保护气。

[0063] S5、重复步骤S4直至热冲压型面的尺寸满足后续机械加工要求，激光熔覆层数5层；

[0064] S6、型面加工：对激光熔覆面进行机械加工至热冲压模具图纸要求

[0065] 为了说明本实用新型的有益效果，对本实用新型实施例的激光熔覆强化H13钢热冲压模具以及H13钢热冲压模具本体进行如下性能测试，测试结果分别见表1、表2和表3和图3。

[0066] 表1本实用新型实施例与H13钢热冲压模具基体的性能‑‑维氏显微硬度

[0067] 性能 实施例1 实施例2 实施例3 H13钢热冲压模具基体维氏硬度/HV 623‑637 645‑659 635‑648 551‑569

[0068] 注：维氏硬度测试试验载荷为300g，加载时间为15秒，每个样品测试点数为6个，试验温度为室温。

[0069] 上述结果说明：在室温状态下，热冲压模具激光熔覆高红硬性粉末后表面的硬度比熔覆前H13钢基体的硬度提高了70HV以上，在室温下，本实用新型提供的高红硬性粉末的硬度高于热冲压模具的硬度。

[0070] 表2本实用新型实施例与H13钢热冲压模具基体的性能‑‑高温硬度

[0071]性能 实施例1 实施例2 实施例3 H13钢热冲压模具基体
高温硬度/HV 571‑587 592‑607 583‑596 434‑451

[0072] 注：维氏硬度测试试验载荷为5000g，加载时间为15秒，每个样品测试点数为6个，试验温度为600℃。

[0073] 上述结果说明：在高温状态下(600℃)，激光熔覆层的硬度降低幅度较小，高温下硬度还能保持在570HV以上，而模具基体的硬度下降幅度较大，下降最高可达135HV，高温下硬度低至434HV。

[0074] 表3本实用新型实施例与H13钢热冲压模具基体的性能‑‑高温磨损量

[0075]性能 实施例1 实施例2 实施例3 H13钢热冲压模具基体
磨损量/mg 5.4mg 4.3mg 4.8mg 10.3mg

[0076] 注：高温磨损量采用高温摩擦磨损试验机和分析天平进行测试，高温摩擦磨损采用试验力为50N，试验时间为15分钟，磨损试验温度为600℃，使用分析天平测量磨损前后的重量。

[0077] 上述结果说明：在高温状态下(600℃),激光熔覆层的磨损量在4.3mg‑‑5.4mg之间，而热冲压模具基体的磨损量高达10.3mg，即热冲压模具经激光熔覆高红硬性粉末后磨损量仅为原模具基体磨损量的50％左右，耐磨性提高了一倍左右。

[0078] 图3为在高温状态下(600℃)，激光熔覆层与模具基体的摩擦系数曲线图(摩擦系数随着时间的增加，达到一个动态平衡的状态)，图3说明激光熔覆层的摩擦系数维持在0.15左右，而基体的摩擦系数则在0.35‑‑0.4之间，熔覆层的摩擦系数大幅度降低，这是由于在熔覆过程中熔覆层表面加入了氧化石墨烯(步骤S5)，增加了熔覆层表面的润滑性，大幅度的降低了摩擦系数。

[0079] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。