耐火材料模具激光熔覆技术探讨

2022-04-02郭鹏

山西冶金 2022年1期

郭鹏

（莱芜钢铁集团泰东实业有限公司，山东济南 271104）

激光熔覆技术是主要利用激光辐照的方法，使以各种不同填料方式涂覆在基体表面的涂层材料溶化，并快速凝固而与基体材料进行冶金结合的一种生产工艺。这种方法能够有效改善基体材料表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性与抗氧化性，是目前生产耐火材料模具较为常用的一种方法。本文将着重围绕耐火材料模具激光熔覆技术的试验原理与实际应用效果进行全面阐述。

1 耐火材料模具生产过程中存在的问题

在冶金、建材、机械加工等领域，冷作模具的应用频率相对较高，而这种耐火材料模具采用的制作材料多以冷作模具钢为主，较为常用的钢材料包括碳素工具钢、低合金油淬冷作模具钢、空淬冷作模具钢、高速钢、低碳高速钢等。其中比较典型的牌号有高碳高铬冷作模具钢，即Cr12、Cr12MoV 以及高速钢（W6Mo5Cr4V2）等。由于这些冷作模具都需要经过冷处理工序，因此在生产过程中，材料会出现较大变形量，这将直接增加模具的弯曲力、压力、摩擦力与冲击力，严重时还极易丧失模具的使用性能，以至于成为报废品。而经过现场实验表明，耐磨性是影响模具使用寿命最基本的一项指标，要想延长冷作模具的使用寿命，首先需要提升模具的耐磨性。基于此，激光熔覆技术在耐火材料模具的生产加工领域逐步得到推广，其应用效果显著[1]。

2 耐火材料模具激光熔覆技术的试验分析

2.1 试验材料的选择

试验采用的模具材料是Cr12MoV 钢，这种材料既可以用来制作冷作模具，也可以用来制作热作模具，在进行激光熔覆试验前，该材料的硬度（HRC）为47，经退火处理后，硬度（HB）降至255～207，压痕直径为3.8～4.2 mm，淬火处理后，硬度（HRC）达到58以上。在对Cr12MoV 材料进行热处理时，主要采用深冷处理、加硬处理以及盐浴渗钒处理的方法。目前，Cr12MoV 材料的市场参考价格一般在18 元/kg 左右，与ASP50、ASP60 等粉末高速钢相比，Cr12MoV 材料价格相对低廉，因此，利用这种材料制作模具，能够节省大量的生产成本。

2.2 试验方法

选取Cr12MoV 钢试样，并将其分为上、下两个试样，首先对上试样进行整体热处理，热处理条件为正火态，热处理以后的试样硬度（HRC）为47，然后将下试样作为磨损试验当中上试样熔覆层的对磨试件，硬度（HRC）在58～62之间，材料为CCr15 钢。试验试样制作完毕，随即进入到模具制作过程，在处理模具材料时，与上试样的处理方式相同，模具结构主要由2 块侧板、1 块平面堵板以及1 块带筋堵板组成。

2.3 试验原理

当模具制作完成后，试验人员对试样进行激光熔覆处理，选用的处理材料为镍基合金粉末，其能够与Cr12MoV 钢模具进行深度融合。镍基合金粉末主要成分是Ni45 和Fe40，这两种成分的硬度较高，因此，利用镍基合金粉末制成的熔覆层具有较高的抗磨损性。在试验过程中，激光熔覆采用波长为10.6μm 的二氧化碳激光器，为了提高镍基合金与Cr12MoV 钢模具的结合度，在激光熔覆前需要对基材表面进行打磨，使其产生一定的粗糙度，然后将镍基粉末涂抹在基材表面，经过激光熔覆处理后，试验人员可以利用接塔的方式来增加熔覆面积，进而形成一个长40 mm、宽20 mm 的熔覆层，最后采取精磨与抛光的方法对熔覆层表面进行处理，以保证基材表面的平整度，激光熔覆工艺参数如表1 所示。

表1 激光熔覆工艺参数

为了确保预涂熔覆层结构紧密，激光光斑能量的分布应当始终保持均匀状态，同时，预涂粉末层的厚度应当控制在1 mm 左右，宽度不得超过2 mm，这样才能充分发挥激光熔覆层的保护作用，进而使耐火材料模具的力学性能得到有效改善。

2.4 激光熔覆层性能指标与微观组织分析

2.4.1 熔覆层深度指标

深度与硬度是激光熔覆层的两个关键性指标，首先在处理基材表面时，不得进行局部处理，应当进行大面积均匀处理，合理控制激光熔覆层的深度，如果处在熔覆道正中的熔覆层的深度与搭接区深度不同，那么将严重影响熔覆层的均匀性，这对后续熔覆层保护作用的发挥将起到抑制作用。此外，如果熔覆材料不经过激光预热工序，那么熔覆层本身也将出现较大的深度差，最大深度差值能够达到0.7 mm 以上，最小深度差值也在0.38 mm 左右。而经过激光预热处理后，深度差值约为0.10 mm 左右，上下误差几乎为零。因此，在运用激光熔覆技术时，应当事先对熔覆材料进行激光预热处理，以确保熔覆层的均匀性能够满足加工生产需求。

2.4.2 熔覆层硬度指标

熔覆层的硬度指标并不仅仅是一单纯而独立的物理量，由硬度指标延伸出来的性能参数还包括材料的强度、弹性、塑性以及韧性等，通常用HB、HV、HRC 等来表示材料硬度，其中HB 表示布氏硬度、HV 表示维氏硬度、HRC 表示洛氏硬度。由于利用维氏硬度试验能够在低负荷的条件下得到压痕小的硬度值，因此在运用激光熔覆技术时，一般选取维氏硬度来代表熔覆层的硬度指标。比如在该试验当中，经过激光熔覆处理的基材表层硬度（HV）能够达到923，但是试样基体的整体硬度偏低，产生这种情况的主要原因是由于表层合金元素大量挥发或者熔池长时间处于冷却状态，当激光束离开基体后，熔池表层直接与基体相接触，这时两种结合体将出现较大温差，于是与熔池表层接触的基体开始凝固。而熔覆表层与次表层在经过淬火处理后，内部组织结构重新发生变化，尤其对熔覆次表层来说，与熔池底部的淬火组织直接接触会使得该层的硬度持续增加[2]。

2.4.3 熔覆层微观组织

对熔覆层微观组织的观察与分析工作需要试验人员借助于显微镜来完成，通过这一试验可以发现，熔覆层的内部微观组织发生较大变化：结合区的孔隙与缝隙缺陷基本消除；Cr12MoV 基材与激光熔覆层实现了良好的冶金结合；在细晶强化的作用下，冶金结合层的硬度与韧性均有所增加，Cr12MoV 基材的力学性能得到有效改善。

3 耐火材料模具激光熔覆技术的应用效果分析

该试验的主要目的是测试应用激光熔覆技术以后，耐火材料模具的耐磨性能是否得到改善，通过上述试验发现：试验中选用的Cr12MoV 钢材料试样，在经过激光熔覆处理后，对基体材料施加300 g 的荷载量，基体表面的磨痕深度为1.096μm，如果将荷载量增加至500 g 时，磨痕深度已经达到52.706μm，与之前相比，磨痕深度增加了47 倍，而基本表层面积的增加幅度达到45.4%。如果对Cr12MoV 钢材料试样进行磨损试验，在磨损最后10 min 的时间内，如果施加的荷载量低于250 g，基体的摩擦系数也将变小。究其原因是由于Cr12MoV 钢材料的正火组织具有较高的强度与良好的硬度，因此，Cr12MoV 钢材料本身的耐磨性也得到显著提升。如果增大外应力，对Cr12MoV 钢材料的磨损性进行试验，可以发现，在应力增大以后，材料内部组织中的奥氏体将转化为马氏体，当施加的荷载量达到300 g 时，激光熔覆层的摩擦系数也变得很小，这时Cr12MoV 钢材料的耐磨性能也达到了最优状态。