（材料加工工程专业论文）穿孔针表面激光熔覆技术的研究.pdf

m a t e r i a ls c i e n c e i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r m a y , 2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：沁砂珠魄力r 降多月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 日期：力f 厂年多月) 日 日期：j ；9 厂年多月7 日 笼 地泖 名名签签者师作导 1 3 3 激光熔覆技术的发展方向一1 3 1 3 4 激光熔覆修覆技术的应用1 3 1 4 激光堆敷技术的国内外研究现状1 6 1 4 1 激光堆敷材料体系研究现状。1 6 第2 章实验材料、设备及实验方案1 9 2 1 实验材料。1 9 2 2 实验设备2 0 2 3 实验方法2l 2 3 1 激光熔覆平板实验2 3 2 3 2 穿孔针激光熔覆实验2 4 2 4 检测分析方法2 5 2 5 激光熔覆实验的技术路线。2 6 第3 章实验结果分析2 7 3 1h 1 3 钢平板实验分析2 7 3 1 1 表面成型分析2 7 3 1 2 熔覆试样显微组织分析2 8 3 1 3 熔覆试样显微硬度分析3l 3 1 4 激光熔覆试样耐磨性能分析3 2 3 2 穿孔针表面熔覆实验分析3 7 穿孔针表面激光熔覆技术的研究 3 2 1 表面成型分析3 7 3 2 2 熔覆层显微组织分析3 8 3 2 3 熔覆层显微硬度分析3 8 3 3 本章小结一4 0 第4 章堆敷层的裂纹研究4 1 4 1 平板熔覆层的裂纹研究4 1 4 2 穿孔针堆敷层裂纹研究一4 2 4 3 对抑制堆敷层开裂方法的展望4 3 4 3 1 预热和堆敷后缓冷处理4 3 4 3 2 降低堆敷层的热膨胀系数4 3 4 3 3 添加合金元素，提高堆敷层抗开裂能力4 3 4 3 4 选择合适的工艺参数和方法。4 3 4 3 5 选择合适的合金堆敷粉末4 4 4 4 本章小结。4 4 第5 章结论 参考文献 致谢 4 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录 5 0 5 1 硕士学位论文 摘要 穿孔针是铜管热挤压生产过程中的重要工具，其作用之一是穿孔， 穿孔针要在挤压筒内对炽热的铜锭穿孔，穿孔的深度一般在2 5 0m m 以 上；作用之二是定位，穿孔针穿孔后仍留于孔内、与底模配合，保证铜 管准确成型，直到挤压周期结束。穿孔针工作时承受高温、高压、剧烈 摩擦与急冷急热作用，恶劣的工作条件对模具钢的性能提出了极高的要 求。 某企业加工铜管的穿孔针选用的是h 13 钢( 1c r 5 m o s i v1 ) 材料，工作 一段时间以后，表面会发生不同程度的磨损，从而使加工出来的铜管尺 寸很难达到要求，导致穿孔针报废，给企业带来巨大损失。 本文通过选择合适的激光工艺参数，在穿孔针的基体表面激光熔覆 合金粉末( 镍基合金，铁基合金) 。利用金相显微镜，显微维氏硬度计， 摩擦实验机对涂层的微观组织结构、熔覆层的硬度、以及对耐磨性能进 行分析。结果表明： 1 、穿孔针基体熔覆了一层合金涂层，涂层的显微组织由细密的枝晶 组织组成，和基体形成了良好的冶金结合。 2 、在一定的参数范围内，随着扫描速度和激光功率的增加，熔覆层 的显微硬度有显著的提高，呈阶梯状分布，其硬度是远高于基体的显微 硬度值。 3 、在一定的参数范围内，随着扫描速度增加和激光功率的减小，熔 覆层的耐磨性能增强。 4 、综合考虑熔覆层显微组织、显微硬度和耐磨性。当光斑直径和预 置层厚度一定时，激光熔覆功率为2k w ，扫描速度为2 0 0 3 0 0m m m i n 时， 熔覆层性能最好。 本文成功地实现了在穿孔针( h 13 钢) 进行激光熔覆实验，这为激 光熔覆技术在热作模具修复方面的应用提供试验依据，对降低企业的生 产成本和提高经济效益也同样起着非常重要的作用。 关键词：穿孔针；h l3 钢；激光熔覆；显微组织；显微硬度：耐磨性 1 。一 ab s t r a c t m a n d r e li sai m p o r t a n tt o o li nt h eb r a s se x t r u s i o np r o d u c t i o n o n eo f t h er o l e si sp e r f o r a t i o n ，i ti se x t r u d i n go f h o tc o p p e ri n g o t si nt h ee x t r u s i o n t h eg e n e r a ld e p t ho fp e r f o r a t i o ni sa b o u t2 5 0 m mo rm o r e ；t h es e c o n dr o l e s o ft h em a n d r e li sp l a c e dt h eh o l e ，a f t e rp e r f o r a t i o n ，i ti s s t i l li n s i d et h eh o l e ， m a t c h i n gw i t ht h eb o t t o mm o l d ，i no r d e rt o e n s u r eb r a s sm o l d i n ga c c u r a c y u n t i lt h ee n do ft h e e x t r u s i o nc y c l e m a n d r e lw o r k s u n d e rt h e h i g h t e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e ，i n t e n s ef r i c t i o na n dt h e r m a ls h o c ke f f e c t s ，p o o r w o r k i n gc o n d i t i o n s ，s oh i g hr e q u i r e m e n t si sp u tf o r w a r dt o t h ed i es t e e l p e r f o r m a n c e t h em a t e r i a l so fm a n d r e l f o r c o p p e rp r o c e s s i n g u s eh13 s t e e l ( 1c r 5 m o s i v1 ) i nac o m p a n y w h e nt h em a n d r e lw o r k i n gf o rs o m et i m e ，t h e s u r f a c ew i l lo c c u ri nv a r y i n gd e g r e e so fw e a ra n dt e a r ，s ot h a tt h es i z eo ft h e c o p p e ri sd i f f i c u l tt o m e e tt h er e q u i r e m e n t s ，r e s u l t i n gi np e r f o r a t i o no f n e e d i e sd i s c a r d e d b r i n gg r e a tl o s st ot h ee n t e r p r i s e i nt h ea r t i c l e ，b yu s i n g l a s e rc l a d d i n ga l l o yp o w d e r ( n i - b a s e d a l l o y s ，i r o n b a s ed a l l o y ) i n t h em a n d r e ls u b s t r a t es u r f a c e ，s e l e c t t h e a p p r o p r i a t e l a s e r p a r a m e t e r s t h r o u g h o p t i c a l m i c r o s c o p e ， v i c k e r s m i c r o h a r d n e s st e s t e r ，f r i c t i o nt e s t i n gm a c h i n et oa n a l y z em i c r o s t r u c t u r e t h em i c r o h a r d n e s s ，a sw e l la sw e a rr e s i s t a n c eo fc o a t i n gl a y e r t h er e s u l t s h o w st h a t ： 1 、t h em a n d r e l s u b s t r a t eh a sc l a d d i n g a c o a t i n gl a y e r ，t h e m i c r o s t r u c t u r eo fc o a t i n gl a y e rf o r m e db yt h ef i n ed e n d r i t es t r u c t u r e a n d h a sf o r m e dag o o dm e t a l l u r g i c a lb o n dw i t ht h es u b s t r a t e 2 、w i t h i nac e r t a i nr a n g eo fp a r a m e t e r s ，w i t ht h es c a n n i n gs p e e da n d l a s e rp o w e ri n c r e a s e s ，t h em i c r o h a r d n e s so fc l a d d i n gl a y e ri ss i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d ，a n dl a d d e r 1 i k ed i s t r i b u t i o n ，t h e m i c r o h a r d n e s si sm u c hh i g h e r t h a nt h em a n d r e ls u b s t r a t e 3 、w i t h i nac e r t a i nr a n g eo fp a r a m e t e r s ，w i t ht h ei n c r e a s ei ns c a n n m g s p e e da n dl a s e rp o w e rr e d u c t i o n ，t h e w e a rr e s i s t a n c e o fc l a d d i n gi s e n h a n c e d 4 、c o n s i d e r i n gt h em i c r o s t r u c t u r e ，m i c r o h a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c e o ft h el a s e rc l a d d i n g ，w h e nt h es p o td i a m e t e ra n dt h ep r e s e tt h i c k n e s sa r e i i u n c h a n g e d ，t h e m o s ts u p e r i o rt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r o ft h ec l a d d l n g l a y e r ：t h ep o w e ro fl a s e r c l a d d i n gi s 2k w ，s c a n n i n gs p e e df o r2 0 0 - 3 0 0 m m m i n i nt h ea r t i c l e ，l a s e r c l a d d i n ge x p e r i m e n t w a ss u c c e s s t u l l y i m p l e m e n t e di nm a n d r e l ( h 13s t e e l ) ，w h i c hp r o v i d e de x p e r i m e n t a lb a s l sf o r t h ea p p l i c a t i o no fr e p a i r i n gi nt h eh o tm o l d ，a n dp l a y av e r yi m p o r t a n tr o l e i nr e d u e i n gp r o d u c t i o nc o s t sa n di m p r o v et h ee c o n o m l ce f f e c t s k e vw o r d s ：m a n d r e l ；h 1 3s t e e l ；l a s e rc l a d d i n g ；m i e r o s t r u c t u r e ； m i c r o h a r d n e s s ； a b r a s i v er e s i s t a n c e n i 穿孔针表面激光熔覆技术的研究 插图索引 图1 1 圆柱式穿孔针1 图1 2 常用穿孔针的主要形式2 图1 3 穿孔针的工作原理图4 图1 4h 1 3 钢的应用7 图2 1 实验用激光焊接设备18 图2 2 激光熔覆实验的原理图2 0 图2 3 平板激光熔覆实验图2 1 图2 4 穿孔针的熔覆实验过程图2 2 图3 1 焊缝成型照片2 4 图3 2 激光熔覆试样显微组织2 5 图3 3 熔覆层显微组织( 扫描速度v = 3 0 0r a m r a i n ) 2 6 图3 4 熔覆层显微组织( 功率p = 2k w ) 2 7 图3 5 不同扫描速度下涂层显微硬度曲线2 8 图3 6 不同功率下涂层显微硬度曲线2 9 图3 7 激光涂层表面磨损形貌图3 0 图3 8 不同工艺参数下涂层的摩擦曲线示意图31 图3 9 不同扫描速度下涂层的磨损体积图3 2 图3 1 0 不同功率下熔覆层磨损体积图3 3 图3 11 穿孔针熔覆前后图3 4 图3 图3 图4 图4 2 穿孔针涂层显微组织图3 4 3 涂层的显微硬度曲线3 6 平板堆敷层表面成型照片3 8 穿孔针熔覆层的裂纹照片3 9 i v 硕士学位论文 i 附表索引 表1 1h 13 钢的化学成分( w t ) 6 表2 1h 13 钢的化学成分( w t ) 17 表2 2n i 基粉末的化学组成及物理性质17 表2 3f e 4 0 合金粉末的化学组成18 表2 4 试验参数表21 表3 1 不同工艺参数下涂层的磨损体积值3 2 v 硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 穿孔针是铜管热挤压生产过程中的重要工具，其作用之一是穿孔， 穿孔针要在热挤压筒内对炽热的铜锭穿孔，穿孔深度一般能达到2 5 0m m 以上；作用之二是定位，穿孔针穿孔后仍留于孔内、与底模相配合，来 保证铜管的准确定位成型，直到挤压周期完成。为了避免穿孔针工作时 温度过高，在挤压周期之间必须对穿孔针的外表面进行喷水冷却处理， 或在穿孔针加工内冷却，工作时通水冷却、穿孔针工作时承受高温、高 压、剧烈摩擦与急冷急热作用 1 - 3 】，这种恶劣的工作条件对模具钢的性能 提出了更高的要求。 甘肃金昌公司加工铜管使用的穿孔针选用的材料为h 13 钢 ( 1c r 5 m o s i v l ) 。穿孔针在工作一段时间以后，其表面会发生不同程度的 磨损，从而使加工出来的铜管尺寸很难达到使用要求，导致穿孔针报废， 给企业带来巨大损失。 本课题主要采用激光熔覆的方法，在所需要修复的穿孔针的表面( 如 图1 1 所示) 上堆敷一层合金粉末( 镍基合金，铁基合金等等) ，并对穿孔 针的堆敷层进行机械加工，让穿孔针表面恢复原来尺寸大小，从而使得 加工出来的铜管符合要求。以降低重新制作穿孔针所带来的生产成本、 提高公司的经济效益和社会效益。 图1 1 圆柱式穿孔针 ( f i g1 1c y l i n d r i c a lm a n d r e l ) 穿孔针表面激光熔覆技术的研究 1 2 课题材料的介绍 1 2 1 穿孔针的介绍 穿孔针，作为热挤压管材生产中的一种重要工具，在高温和巨大的 内应力作用下，通常会迅速发生软化变形、磨损、开裂以导致早期根部 拉断的现象。近些年来，大多挤压系统都采用了内冷式穿孔针，内部通 水冷却，严格控制其温度升高，使穿孔针使用条件得到了极大地改善， 机械强度保持在较高水平之上，使得高温强度不再是第一抵抗力指标， 由于穿孔针采用的内冷式，穿孔针外表面及内壁反复承受冷热交交应力 的作用。特别是采用钢制做穿孔针时，经常会出现炸裂及根部拉断的现 象，严重地影响了穿孔针加工管材的使用寿命和挤压效率。近些年来， 通过对开裂失效机制的进一步分析，选取了合金钢，制造中对其采用强 韧化热处理的方法，使用中严格控制内外温差，避免早期开裂和根部拉 断的现象。 1 2 1 1 穿孔针的种类 经调查发现，目前国内铜加工行业使用的穿孔针一般所用材料为 3 c r 2 w 8 v 钢或h 13 钢，使用寿命很低。穿孔针是对锭坯进行挤压穿孔， 并确定空心挤压制品内孔尺寸的一种挤压工具。它在保证管材内表面质 量方面起着决定性的作用，它主要用来生产一般圆断面管材、异形管材 等等。穿孔针从结构形式上可以划分成圆柱式、瓶式和浮动式3 种哺1 ( 如 图1 2 所示) 。 _ 目二：二：二：二：二目于 2 图1 2 常用穿孔针的主要形式 ( f i 9 1 2t h em a i nf o r mo fm a n d r e l ) a 圆柱式；b 瓶式；c 浮动式 1 - o 体；2 一针头；3 一连接杆：4 一连接器；5 一浮动套 2 硕十学位论文 _iii i ii 圆柱式穿孔针工作部分为圆柱形，包括固定和随动两种形式。固定 式在挤压过程中固定不动，只是在针前工作部分有一段锥度；后者在挤 压过程中随动，整个工作长度上只有很小的锥度，以减小针所受到的拉 应力，增加其使用寿命，同时有助于热挤压后由管中退出。穿孔针的直 径由管材的内径所确定，针的工作长度等于锭坯长度、挤压垫片厚度、 挤压模工作带长度以及穿孔针伸出工作带的长度这几种长度之和。针的 锥度以管子壁厚的负偏差为限。一般挤压机上的穿孔针在针前3 0 0 - 6 0 0 m m 长度上的锥度，卧式挤压机的为o 5 1 5m m ，立式挤压机的为0 2 - 0 5 m m 。穿孔针的工作端面以一般以平面为宜。 瓶式穿孔针结构分两部分：定径针头和针体。当挤压内孔直径小于 2 0 3 0m i l l 的厚壁管或供立式挤压机用中间坯料时，若采用圆柱式穿孔针， 由于穿孔时的纵向弯曲和过热，会使锭坯穿孔不正或穿孔针被拉细、拉 断。在这种情况下可采用瓶式针穿孔针。挤压铝合金时，由于圆柱式针 的表面常被挤压垫片划伤，影响内表面质量，所以也用瓶式穿孔针。但 针头与针体直径偏差不能太大。针头直径取决于管子内径，一般针体直 径为5 0 6 0m m ，针头长度上的直径差为0 2 - 0 3m m 。通常，穿孔针以装 配式的为好，当挤压温度过高时宜采用整体式的。瓶式针的针头定径部 分长度等于模工作带长度、穿孔针伸出模工作带的长度以及余量之和。 此余量不能大于压余( 见挤压残料) 厚度，一般为2 0 - 3 0 m m ，以免金属倒流 入空心挤压杆中。针头伸出工作带的长度可取l0m m ，以便对出模孔后的 管材起导向作用，防止产生弯头。 浮动式穿孔针由针体、浮动套和连结杆组成。浮动套在挤压过程中 随着管壁厚度的变化伴随有一定的移动量，可以有效地纠正管材壁厚的 不均匀，浮动套与连结杆的间隙大约为1 - 3m m ，浮动套与针体的轴向间 隙控制在o 5 一1 5m m 之间。设计浮动式穿孔针时，考虑到浮动套直径与 针体直径之差对纠正壁厚不均有一定的影响，针体的直径取大体相当于 挤压管的内径加l 2 压余厚度，或近似采用挤压管直径的1 3 。针体的长 度为现有一般穿孔针的长度减去浮动套的长度。浮动套的有效长度为挤 压压余厚度的两倍或小于挤压垫片的厚度。浮动套的直径由挤压管材的 内径决定。在确定浮动套的内径时，要考虑挤压过程中浮动套所承受的 轴向拉应力和径向压应力。因此，浮动套的环形断面尺寸必须通过理论 计算确定，同时也要考虑连结杆危险断面的允许抗拉和拉弯强度。连结 杆在穿孔和挤压工作条件下要承受变形金属对浮动套所产生的拉应力和 弯曲应力。因此，在允许的条件下，应尽可能增大直径，减少长度，以 达到提高穿孔针使用寿命的目的，其连结杆的材料可选用铬钼钒硅合金 穿孔针表面激光烙覆技术的研究 钢。 1 2 1 2 穿孔针的工作原理 穿孔针的工作原理( 原理图如图1 3 所示) ：在卧式挤压机床上，用 空心铸锭、固定式穿孔针热挤压管材时，先将穿孔针穿过装在挤压筒中 的铸锭内孔中，并使其前端( 瓶式针为其针尖部) 位于模具孔中不动。然 后挤压轴前进，对铸锭进行镦粗( 如图a 所示) 1 。挤压时，要求挤压轴 及穿孔针、挤压筒和模具的轴线重合( 或偏差不大) 。然而，即使是这样， 由于铸锭与挤压筒，铸锭内孔与穿孔针之间存在着间隙，放在筒内的铸 锭，由于自重而下沉，使其断面中心低于筒和锭的中心( 如图b 所示) 。 根据挤压机吨位和挤压筒直径的不同，挤压筒的直径一般比铸锭外径大 4 - 2 0m m ，穿孔针的直径比铸锭内径小4 - 15 m m 。镦粗时，铸锭在长度方向 被挤压而产生径向流动，使材料填充到锭与筒和锭与针的间隙中去，实 现铜管加工的目的。 a 4 56 l 一针支承；2 一挤压轴；3 一挤压垫；4 一穿孔针；5 一铸锭；6 一挤压筒；7 一模子 图1 3 穿孔针的工作原理图 ( f i 9 1 3t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fm a n d r e l ) 表面强化处理不仅提高了铜管热挤压穿孔针的表面性能，而且能很 大程度地提高穿孔针的强度和韧性。这对于改善铜管穿孔针的综合性能， 节约大量的合金元素，大幅度降低生产成本，充分发挥材料的潜力是十 分有效的手段之一。因此，研究和改进表面处理工艺也是提高穿孔针性 能和使用寿命的重要途径之一。 近些年来，为了提高模具钢的表面性能，在传统的渗氮、渗碳工艺 的基础上，研究发展了多种多元表面渗透化学热处理技术；在传统的堆 焊、热镀工艺的基础上，研究开发了多种先进的表面修复技术。 4 硕士学位论文 1 2 1 3 防止或减少穿孔针断裂的主要措施 热挤压铝合金管材时发生断针的主要原因：是由于镦粗时金属径向 流动给穿孔针作用一径向压力，在穿孔针悬臂梁根部产生很大地弯曲应 力：一旦设备的对中性不好，使弯曲应力剧增；加上镦粗时升压速度过 快所产生的冲击力，使弯曲应力及摩擦拉力都达到极大的值，从而造成 了穿孔针发生根部断裂的现象。因此可采取以下措施进行预防【3 1 。 1 、减小铸锭与筒之间的间隙 在保证铸锭加热后能成功装入挤压筒中的前提下，尽量减小铸锭与 筒的间隙，以减少镦粗时金属的径向变形流动。这样还可以防止穿孔针 进入铸锭内孔时，针上部表面的润滑剂被刮掉，从而影响润滑效果并污 染到挤压筒的内衬。 2 、调整好设备对中 使穿孔针、挤压轴、挤压筒及模子中心尽量保持在一条线上。 3 、严格控制镦粗升压速度 采取缓慢镦粗、快速挤压的手段，这对于减少挤压断针是非常必要 的。在我国管材挤压生产过程中，大多数的设备是人工操作，这就要求 操作者既要有很高的操作技能，又要有很强的责任心。另外，有许多水 压机，其水泵站的压力不稳定很容易就会造成挤压速度失控，因此保证 水泵站的正常工作对于控制升压速度也是非常必要的。 4 、尽量减小表面的摩擦力 提高铸锭内孔镗孔的质量，提高穿孔针的表面质量和提高润滑效果， 对于减小摩擦拉力都是非常必要的。 5 、采用合适长度的铸锭 根据不同合金、不同规格制品，采用合理的铸锭长度进行热挤压。 硬合金、挤压比大时，铸锭长度应短一些，同时也要合理地安排挤压筒 的大小，以防挤压比过大。 一 6 、改进工具 改进工具设计，提高穿孔针的抗弯、抗拉性能。 1 2 2h 1 3 钢的基本介绍 1 2 2 1h 1 3 钢的性能和特点 h 13 钢作为一种热作模具钢，要求材料具有高的淬透性、高的高温 拉伸强度、高的耐磨性能、高的韧度、高的抗热裂能力和高的耐磨损性 能等 7 - 9 】。h l3 钢是一种空冷硬化的铬系热挤压模具钢。h l3 是采用美国 a i s i s a e 统一编号的钢材，该钢具有较高的热强度和硬度，尤其在中温 5 穿孔针表面激光熔覆技术的研究 ( 6 0 0 ) 时具有较高的热强度和硬度，高的耐磨性和韧性，较好的耐冷热 疲劳性能。由于这种钢具有良好的综合机械性能，而被越来越广泛地用 于制造模锻锤的锻模、热挤压模具与芯棒、锻造压力机模具、精锻机用 模具、镶块以及铝、铜及其合金的压铸模等。 h 13 钢属铬系热模具钢，材料中含有大约5 的铬，并加有钼、钨、 钒和硅等合金元素。由于含铬量较高，因而具有较高的淬透性，加入1 m o 时使得淬透性更高。故尺寸较大的模具淬火时也可以空冷。铬、硅可以 提高钢的耐热疲劳性和抗氧化性，但是硅的存在却增加了材料的脱碳敏 感性。钒可以加强钢的二次硬化效果，增加钢的稳定性。铬系热作模具 钢的韧性、耐热疲劳性都较好，但是由于这种材料中含钨较少，故其回 火稳定性低于钨系。 在美国，热作模具钢分为三种：铬热作模具钢、钨热作模具钢和钼 热作模具钢，都以h 字母，分别表示为h 1o h 19 、h 21 h 2 6 和h 4 2 、h 4 3 等。其中前两种钢的含碳量在( o 30 0 5 0 ) 范围，后种钢的含碳量在 ( o 5 0 一0 7 0 ) 范围内，三种钢的c r 、w 、m o 和v 合金元素的总含量在 ( 6 2 5 ) 范围。h 13 钢材料的成分性能如表1 1 所示，它是使用最广泛和 最具代表性的热作模具的钢种【l0 1 。 它的主要特性是： ( 1 ) 具有较高的高温强度和硬度。6 0 0 1 2 时的强度和硬度高于h 1 1 钢 ( 4 c r 5 m o v s i ) 而略低于h 21 钢( 3c r 2 w 8 v ) ，远远高于5 c r m n m o 和5 c r n i m o 。 特别因含1 左右的钒( 比h 1 1 钢高出一倍多) 而具有更高的热硬性。这种钢 回火时由于碳化物的弥散析产生“二次硬化 效果，可使它的抗拉强度 大大提高。 ( 2 ) 由于回火温度较高，( 5 6 0 58 0 ) ，当用于工作温度低于其回火温 度的各类常用热作模具时，表现出良好的热稳定性。比h 1 1 钢、5 c r m n m o 和5 c r n i m o 都好。 ( 3 ) 由于热膨胀系数小，导热率高，热稳定性好，h l3 钢具有很强的 抗冷热疲劳能力。一般说来，高周热疲劳受裂纹的萌生数目控制，低周 热疲劳受裂纹的扩展长度控制。比较三种h 系列的常用钢种，h i3 钢的抗 裂纹萌生性能高于h 1 l 钢而次于h 21 钢，而其抗裂纹扩展能力则是三种钢 中最好的。因此h 13 钢也特别适合水冷等对模具的快速冷却方法。这一点 除h l l 钢以外，h 2l 钢、5 c r m n m o 和5 c r n i m o 均不具备。 ( 4 ) h 13 钢属本质细晶粒钢，又有较高的高温硬度，因而具有良好的 耐磨性能。 ( 5 ) 具有良好的高温塑性和韧性。这是h 13 钢最突出的特点，虽然它 6 硕士学位论文 的高温硬度不如3 c r 2 w 8 v ，但是优良的抗冲击性能和良好的导热性使其 在大多数繁重的热作条件下显得更为可取。特别是在良好的冷却条件下。 ( 6 ) 因含有适量的铬、钼等合金元素而具有非常好的淬透性。0 2 0 0m m 的棒料，空冷即可淬透。其淬透性比h 21 钢、5 c r m n m o 和5 c r n i m o 好。 此外，h 1 3 钢还具有抗氧化性能好，比重小( y = 7 7 6 ) ，价格较低，切 削加工性能好等优点。 表1 1h l3 钢的化学成分( 质量分数w t ) t a b l e l 1 ( c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fh 1 3s t e e l ) h l3 的高温抗拉强度、耐磨性能和韧性均很高，导热性能良好，不会 产生热裂现象，适用于水冷不足的模具，可进行气体或液体氮化处理， 可镀硬铬，可以焊接及抛光，可用电蚀法进行加工，应用相当广泛的特 点。 1 2 2 2h 1 3 钢的应用 h 13 钢是第2 代性能优异的中温( s 6 0 0 1 2 ) 热作模具钢。h 13 钢由于化 学成分的优化，含有大量c r 、m o 、v 等合金元素，基本上能满足热作模 具所要求的使用性能。h 13 钢与高韧性热作模具5 c r n i m o 、5 c r m n m o 相比， 具有更高的热强性、耐热性和淬透性，因而可用于取代因热强性不足的 5 c r n i m o 、5 c r m n m o 钢来制造热锻模以提高使用寿命【11 1 2 1 ；与高热强性 热作模具钢3 c r 2 w 8 v 钢相比，具有高的韧性和抗热振性，因此，它可以 成功地取代因韧性或热疲劳性不足引起失效的3c r 2 w 8 v 钢来制造热挤 模、热冲模和压铸模等。 如图1 4 所示，h i3 钢作为一种热作模具钢，可用于压铸模，轻金属 的挤压模，锻模和加工塑料用的模具、蜗杆和料筒，渗碳顶杆和热剪切 刀片。还用于重载热作工具和模具，主要用于轻合金之加工模具和挤压 成型模模体，热挤压设备，制造空心体，螺丝，镏钉，螺母及螺栓的工 具和模具。压铸设备成型冲模，压模嵌入件，热剪切刀片和塑胶模具等。 汽车发动机壳体，轮毂，摩托车发动机壳体，电梯踏板，燃器具配件， 7 穿孔针表面激光熔覆技术的研究 空调器配件等热压铸锻模具。 热锻模 压铸模 图1 4h 13 钢的应用 ( f i 9 1 4a p p l i c a t i o n so fh 13s t e e l ) 热挤压模 一般情况下，h 13 钢常用作热挤压模、铝合金的压铸模和塑料模，使 用温度6 0 0 ：还可以用作冷挤凹模、冷挤钢管环形模、项件等，是冷 热兼用的模用钢。当工作温度 6 0 0 时，如某些钢和铜的热挤压模具及 铜合金的压铸模，其表层受热温度可达7 0 0 ，甚至更高，此时h 13 钢就 不太合适，而应该使用热强性较好的h d 型钢性能更加优异的热作模具钢 【1 3 】 o 8 硕士学位论文 1 3 课题方法的介绍 1 3 1 激光熔覆修覆技术原理 激光熔覆技术是通过在母材表面添加熔覆材料，并利用高能量密 度的激光束使之与母材表面薄层一起熔凝的一种方法，在基材表面形 成与其为冶金结合的添料熔覆层，从而达到修复的目的 1 4 】。激光熔 覆是一个复杂的物理、化学、冶金过程，是一种对裂纹非常敏感的工 艺。熔覆层的质量和性能除与熔覆层材料的原始成分，基材的成分和 性能密切相关外，还强烈地取决于激光熔覆的工艺参数。激光熔覆的 工艺参数主要包括激光功率p 、光斑尺寸( 光束直径d 或面积s ) 、光 腔输出时光束构型和聚焦方式、工件移动速度或激光扫描速度y 、激 光扫描多道搭接系数及不同添料方式确定的涂层材料添加参量( 如预 置厚度d 或送粉量g ) 等这些工艺参数依涂层材料体系，涂层性能要 求不同而发生变化，因此，工艺参数的优化是主要的研究内容之一i l 5 1 6 】。激光熔覆技术具有如下的工艺特点： ( 1 ) 冷却速度快，产生快速凝固组织特征； ( 2 ) 热输入量小，畸变行小，涂层稀释度低( 一般小于5 ) ，与基 体呈冶金结合； ( 3 ) 许多金属或合金能堆敷到任何金属或合金上，特别是能在低 熔点金属上堆敷高熔点合金； ( 4 ) 能进行选区堆敷，材料消耗少； ( 5 ) 光束瞄准，能够使难以接近的区域堆敷； ( 6 ) t 艺过程易于实现自动化。 激光堆敷的合金体系 17 - 2 1 】主要有铁基合金、镍基合金、钴基合 金和金属陶瓷等。激光堆敷铁基合金粉末适用于要求局部耐磨且易变 形的零件，铁基合金涂层的母材多采用铸铁和低碳钢。镍基合金涂层 适合于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件，所需的激光功率 密度要比堆敷铁基合金的略高。钴基合金涂层适用于要求耐磨、耐蚀 和抗热疲劳的零件。陶瓷涂层在高温下有较高的强度，热稳定性能好， 化学稳定性能高，所用基体材料广泛。 n i 基自熔性合金粉末 2 2 - 2 6 1 在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的 条件状况下，单纯的自熔性合金粉已不再胜任其使用要求，此时可在 自熔性合金粉末中加入多种高熔点的碳化物【27 1 、氮化物、硼化物和 氧化物陶瓷颗粒 2 8 】，制成金属复合堆敷层。 激光堆敷用的铁基自熔性合金粉末【2 9 3 0 ，31 1 分为两种类型：奥氏 9 穿孔针表面激光熔覆技术的研究 体不锈钢型和高c r 铸铁型。铁基自熔性合金最大优点是材料来源广 泛、成本不高且抗磨性能好。缺点是熔点高、抗氧化性差，堆敷层易 开裂、易产生气孔等缺陷。在铁基合金粉末成分中，通过调整合金元 素含量来调整涂层的硬度，并通过添加其它合金元素改善堆敷层的硬 度、开裂敏感性和残余奥氏体的含量，从而提高其耐磨性和韧性。 钴基自熔性合金 3 2 - 35 】具有优良的耐热、耐蚀、耐磨、抗冲击和 抗高温氧化性能，常被应用于石化、电力、冶金等工业领域。目前， c o 基合金所用的合金元素主要是n i 、c 、c r 和f e 等。其中，n i 元素可 以降低c o 基合金熔覆层的热膨胀系数，减小合金的熔化温度区间，有 效防止熔覆层产生裂纹，提高熔覆合金对基体的润湿性 3 6 】。 陶瓷粉末主要包括硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末【3 8 ，3 9 , 4 1 1 ， 其中又以氧化物陶瓷粉末( a 1 2 0 3 和z r 0 2 ) 为主。由于陶瓷粉末具有优异 的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性，所以它常被用于制备高温耐磨 耐蚀涂层和热障涂层。目前，生物陶瓷材料是研究的一个热点。 复合粉末【4 0 一2 】主要是指碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅 化物等各种高熔点硬质陶瓷材料与金属混合或复合而形成的粉末体 系。它把金属的强韧性、良好的工艺性和陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀、 耐高温和抗氧化特性有机结合起来，是目前激光熔覆技术领域研究发 展的热点。 激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激 光熔覆和同步式激光熔覆 3 7 1 。 预置式激光熔覆是先将粉末与粘结剂混合后以某种方法预先均 匀涂覆在基体表面，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、 丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。同步式激光熔覆则 是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料 主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。 激光束对合金涂覆层表面进行照射，涂覆层表面吸收激光能量使温度 升高并熔化，同时通过热量传递使基体表面熔化，熔化的合金快速凝 固在基材表面，形成冶金结合的合金熔覆层。 预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理预置 熔覆材料预热激光熔化后热处理。 同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理送料 激光熔化后热处理。 按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方 法、熔覆材料的供料方法、预热和后热处理。该方法是激光熔覆技术 1 0 硕士学位论文 的首选方法，国内外实际生产中采用较多。送粉的方式对粉末的利用 率也有很大的关系，一般有正向和逆向两种送粉法，由于逆向送粉会 使熔池边缘变形，导致液态金属沿基体展开，使得熔池的表面积增大， 因此在相同的激光堆敷工艺条件下，逆向法较正向法具有更高的粉末 利用率 4 4 】。 激光熔覆成套设备组成：激光器、冷却机组、送粉机构、加工工 作台等。 激光器的选用：目前应用广泛的有c 0 2 激光器，固体激光器。 c 0 2 激光器是应用最广、种类最多的一种激光器，在汽车工业、钢铁 工业、造船工业、航空及宇航业、电机工业、机械工业、冶金工业、 金属加工等领域广泛应用。约占全球工业激光器销售额4 0 ，北美更 高达7 0 。 l 、功率高：c 0 2 激光器是目前输出功率达到最高级区的激光器 之一，其最大连续输出功率可达几十万瓦 2 、效率高：光电转换率可达3o 以上，比其它加工用激光器的 效率高得多。 3 、光束质量高：模式好，相干性好，线宽窄，工作稳定。 传统的固体激光器通常采用高功率气体放电灯泵浦，其泵浦效率约 为3 到6 。泵浦灯发射出的大量能量转化为热能，不仅造成固体激 光器需采用笨重的冷却系统，而且大量热能会造成工作物质不可消除 的热透镜效应，使光束质量变差。加之泵浦灯的寿命约为4 0 0 小时， 操作人员需花很多时间频繁地换灯，中断系统工作，使自动化生产线 的效率大大降低。与传统灯泵浦激光器比较，二极管泵浦固体激光器 具有以下优点： ( 1 ) 转换效率高：由于半导体激光的发射波长与固体激光工作物 质的吸收峰相吻合，加之泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹 配，从而光光转换效率很高，已达50 以上，整机效率也可以与二氧 化碳激光器相当，比灯泵固体激光器高出一个量级，因而二极管泵浦 激光器体积小、重量轻，结构紧凑。 ( 2 ) 性能可靠、寿命长，激光二极管的寿命大大长于闪光灯，达 150 0 0 小时，泵浦光的能量稳定性好，比闪光灯泵浦优一个数量级， 性能可靠，为全固化器件，是至今为止唯一无需维护的激光器，尤其 适用于大规模生产线。 ( 3 ) 输出光束质量好：由于二极管泵浦激光的高转换效率，减少 了激光工作物质的热透镜效应，大大改善了激光器的输出光束质量， 甚至能把金属与非金属焊接在一起，实现异种材料的焊接。 ( 4 ) 激光焊接装置不需要与被焊接工件接触。激光束可用反射镜 或偏转棱镜将其在任何方向上弯曲或聚焦，还可用光导纤维将其引到 难以接近的部位进行焊接。激光还可以穿过透明材料进行聚焦，因此 可以焊接一般方法难以接近的接头或无法安置的接焊点，如真空管中 电极的焊接。 ( 5 ) 激光束不会带来任何形式的磨损，且能长时间稳定工作。激 光熔覆技术存在