激光熔覆修复注塑模具性能研究

摘要 本文采用YAG固体激光器对注塑模具钢2738进行熔覆修复试验。实验结果表明采用预置丝式熔覆修复注塑模具是完全可行的，在选定合适的工艺参数的前提下，得到显微组织均匀、缺陷极少的熔覆层，且与基体形成很好的冶金结合，修复后熔覆层的最高硬度为：388.72HV。磨损性能检测表明该种修复方法符合注塑模具的修复要求。

关键词 激光熔覆；注塑模具；性能

Abstract：In this paper, YAG solid-state laser on the injection mold steel 2738 for cladding repair test. Experimental results show that the pre-wire-type cladding repair injection molds is entirely feasible, select the appropriate process parameters in the premise, to be uniform microstructure, defects minimal cladding layer and the substrate to form a good metallurgical bonding, cladding layer after the repair of the highest hardness: 388.72HV. Wear performance testing shows that this type of repair method meet the requirements of injection mold repair.

Keywords：Laser cladding; injection mold; performance

前言

制造业的飞速发展，使得注塑模具在塑料加工中扮演的角色越来越重要，注塑模具产品的产量也是逐年的增加。注塑模具由于单件生产，所以对模具的要求是较高的，而且有些注塑模具结构比较复杂，使得模具的设计制造周期较长而且造价也较高。模具在使用过程中还会有各种各样的失效形式，例如：磨损、疲劳失效、划痕、沟槽和腐蚀等等，造成整个模具无法使用，这样无疑是一种资源的浪费，不利于可持续发展的主题。那么对注塑模具的修复就显得至关重要了。当前大多数企业修复模具采用的方法有很多，总结起来大概为：软氮化、热喷涂、电刷镀、微脉冲MIG焊等 [1] 。以上这些注塑模具修复手段虽然在一定程度上发挥着积极作用，也给企业带来了可观的经济效益，但随着注塑模具向着小型化、精密化、复杂化方向的发展，再加上这些传统技术的缺陷，已使它们不能满足日益发展的注塑模具的修复需求了[2]。为此需要寻找一种全新的修复手段，激光熔覆修复技术是一种先进的、高效的修复手段，在航空、机械、建筑及国防工业等部门有望得到广泛应用[3]。与其他传统修复手段相比，激光熔覆修复具有以下一些特点：①熔覆层晶粒细小、结构致密、化学组织均匀；②能够较容易实现对模具的精密修复，修复后热影响区较小，能够与基体形成很好的的冶金结合，结合强度较高；③熔覆材料的选择较为广泛，一些镍基、钴基和铁基合金都可作为熔覆材料；④激光的光斑可以进入特别细小的区域或是其他技术手段难以接近的区域，而且材料的消耗较少，具有优良的性价比；⑤熔覆过程是可以通过计算机来控制的，易于实现激光熔覆工艺参数的智能化和工艺过程的自动化[4]。

1实验材料及方法

1.1实验材料

注塑模具（即基体）材料规格为10mm×10mm×50mm的矩形块，实验前用砂纸将表面氧化皮去除干净，熔

丝材料规格为0.5mm×500mm。本篇论文所选基体材料和熔覆材料同为2738钢，成分见表1。

表12738钢的化学成分

元素 C Cr Mn Mo Ni Fe

含量（wt%） 0.37 2.0 1.1 0.4 1.0 Bal

1.2实验方法

将熔丝平整地固定在基体表面上，作单道单层熔覆试验。按照设计好的工艺分别做不同的试验研究，试验完成后，总结熔覆后的宏观表面形貌特点，然后沿横断面将熔覆后的试样切开，在金相显微镜下对熔覆层微观形貌进行观察，得出熔覆效果最佳的工艺参数为：单脉冲能量为15J，重叠率为85%，从而进一步对其进行性能分析。实验采用激光器为：脉冲Nd：YAG固体激光器。

2 实验结果

2.1 显微组织和硬度检测结果

在最佳工艺参数下获得的熔覆层沿横断面的显微组织如图1。形成的熔覆层形貌较好，热影响区较窄而且对称性好，无宏、微观缺陷。

熔覆层及基体的显微硬度按图2所示的测试点进行测量，测试点分别为1、2、3、4、5且测试点间有一定的距离间隔，每个测试点的硬度值为该点水平面上不同三个位置硬度的平均值[5]，显微硬度曲线如图3所示。显微硬度计的加载砝码为200g、加载保持时间15s。

图2 显微硬度测试点

图1 熔覆层光学显微形貌100X图3 显微硬度值曲线

2.2扫描电子显微分析

在最佳工艺参数下修复后的熔覆层、结合区及基体的扫描电子显微组织如图4所示，从图中可知熔覆层组织致密、均匀，无宏、微观缺陷，结合区与基体的为良好的冶金结合。

图4熔覆层、结合区及基体扫描电镜形貌2000X

3 分析与讨论

3.1最佳工艺参数对显微硬度的影响

熔覆层的硬度与修复后的质量有着密切的联系，硬度的好坏直接影响着材料本身的性能，它是材料能否具有优良性能的保障。从图3显微硬度曲线可知从测试点1到5硬度的变化趋势为：先增大再减小。

首先，由于激光的功率较大，熔覆表面是激光光斑最先达到的地方，能量的损失还不是很多，这使得表面上熔点较低的元素烧损严重，致使涂层的硬度稍低一些。之后随着距表面距离的增加硬度先是上升，在下降。这是由于激光作用在熔覆材料上时产生很高的热量，热量的传送形式主要是通过热传导的方式进行的，传导的方向是从熔覆层向基体方向，那么就存在着温度梯度，而且温度梯度从测试点1到3是逐渐增大的，温度梯度越大造成的组织越粗大，温度梯度越小组织越细密，所以从测试点1到3硬度是逐渐增大的，从图3中可以看出测试点3处的硬度最高为：388.72HV。出现这一现象的原因主要是与熔池的冷却有关，此处的温度梯度和过冷度都较大，因此最先开始凝固，随后熔池的表层（即测试点1和2的位置）处的热量开始向外或沿着与基体接触的次表层（即测试点3的位置）传导，这样次表层处相当于重新承受了热量而历经组织的转变，相当于淬火的过程，所以此处的硬度值最高。从图1中可以看到从熔覆层到基体之间还存在着一个过渡的区域，我们把这一区域叫做热影响区，在激光熔覆的过程中基体会对热影响区有一个稀释的作用，部分基体溶入其中导致结构的变化，使得显微硬度增加，所以此处的硬度高于基体的硬度。那么基体的硬度为最低：342.74 HV。

3.2最佳工艺参数对摩擦磨损性能的影响

试样是在M-200磨损试验机下进行快速磨损，加载载荷为10Kg，时间为5min。首先取三个未经熔覆处理的试样进行实验，测得的这三个试样磨损前后质量差的平均值为：0.00497Kg。然后取三个经过熔覆处理的试样进行试验，同样测得的这三个试样磨损前后质量差的平均值为：0.01313Kg。

通过熔覆前后的质量差的对比可知，同种条件下参与熔覆修复试样的磨损量要远大于未参与熔覆修复试样的磨损量。得出这样的结论正是符合实际要求的，因为我们修复的是注塑模具，塑料制品不同与金属，倘若修复后的磨损性能远远好于未修复前的，那么会在成型的塑料制品上有所体现，在修复的位置所对应的塑料制品处往往会不同与其他地方，这样就造成产品的不合格，这应该是我们要避免的。

4 结论

1）从测试点1到5硬度的变化趋

势为：先增大再减小，在基体接触的

次表层（即试点3处）的硬度最高为：388.72HV，基体（即测试点5处）的硬度最低为：342.74 HV。

2）同种条件下参与熔覆修复试样的磨损量要远大于未参与熔覆修复试样的磨损量，符合注塑模具的修复要求。

3）在做磨损试验过程中采用的摩擦副为金属，而不是塑料，据此我们还可得出修复后的注塑模具不宜做金属模具。

参考文献

[1]林占光. 表面工程技术在塑料模具修复中的应用[J].模具技术，2006年第3期，37-38.

[2]常明,张庆茂,廖健宏,等.塑料模具精密修复技术的评述及展望[J].金属热处理，2006，31(7).

[3]王秀彦,安国平,林道盛,王秀凤. 激光模具表面强化的应用研究[D]. 中国科学院博士论文，2000.

[4]张光钧,吴培桂,许佳宁,等.激光熔覆的应用基础研究进展[J].金属热处理，2011，36(1).

[5]常明.塑料模具激光精密修复技术的研究[J].中国激光,2007,34(s1):70-73.