用于模具修复的激光熔覆合金粉末及其制备方法
阅读说明：本技术 用于模具修复的激光熔覆合金粉末及其制备方法 (Laser cladding alloy powder for die repair and preparation method thereof ) 是由 伍林麟 赵立晓 邢志勇 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开了一种用于模具修复的激光熔覆合金粉末及其制备方法。所述用于模具修复的激光熔覆合金粉末按照质量百分比由以下成分组成：铬为18％-19％、镍为3.6％-4％、钼为1.5％-1.7％、硅为1.1％-1.3％、硼0.9％-1.1％、铌为0.5％-0.55％、碳为0.15％-0.2％、锰为0.2％-0.3％、钒为0.1％-0.15％、钴为0.1％-0.15％、氮为0.06％-0.08％以及余量为铁；以上各质量百分比之和为100％。本发明实施例有效解决现有的合金粉末经过激光熔覆之后所形成的熔覆层在酸性环境下易于被腐蚀的问题。(The embodiment of the invention discloses laser cladding alloy powder for repairing a mold and a preparation method thereof. The laser cladding alloy powder for repairing the die comprises the following components in percentage by mass: 18 to 19 percent of chromium, 3.6 to 4 percent of nickel, 1.5 to 1.7 percent of molybdenum, 1.1 to 1.3 percent of silicon, 0.9 to 1.1 percent of boron, 0.5 to 0.55 percent of niobium, 0.15 to 0.2 percent of carbon, 0.2 to 0.3 percent of manganese, 0.1 to 0.15 percent of vanadium, 0.1 to 0.15 percent of cobalt, 0.06 to 0.08 percent of nitrogen and the balance of iron; the sum of the mass percentages is 100 percent. The embodiment of the invention effectively solves the problem that a cladding layer formed by laser cladding of the existing alloy powder is easy to corrode in an acid environment.)
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，尤其涉及一种用于模具修复的激光熔覆合金粉末，还涉及所述合金粉末的制备方法。
背景技术
目前，激光熔覆技术在金属零部件的修复方面应用十分广泛，将合金粉末通过激光熔覆技术熔覆在金属零部件的待修复位置，并在该待修复位置上形成熔覆层。
但是，现有的合金粉末经过激光熔覆之后所形成的熔覆层在酸性环境下易于被腐蚀。
发明内容
因此，本发明实施例提供一种用于模具修复的激光熔覆合金粉末和所述合金粉末的制备方法，有效解决现有技术存在的问题。
一方面，本发明实施例提供的一种用于模具修复的激光熔覆合金粉末，按照质量百分比由以下成分组成：铬为18％-19％、镍为3.6％-4％、钼为1.5％-1.7％、硅为1.1％-1.3％、硼0.9％-1.1％、铌为0.5％-0.55％、碳为0.15％-0.2％、锰为0.2％-0.3％、钒为0.1％-0.15％、钴为0.1％-0.15％、氮为0.06％-0.08％以及余量为铁；以上各质量百分比之和为100％。
在本发明的一个实施例中，所述合金粉末的粒径范围为15-175μm。
在本发明的一个实施例中，使用所述合金粉末在基体上进行激光熔覆之后得到的熔覆层具有以下结构：所述熔覆层的表层为细小晶粒；所述熔覆层与所述基体的结合处为细小晶粒；所述熔覆层内部为柱状晶体。
在本发明的一个实施例中，所述合金粉末的流速值松装密度值
另一方面，本发明实施例提供的上述任意一项实施例所述的合金粉末的制备方法，包括：以下步骤：按以下质量份组分获取各个原料：铬17.48-18.61份、镍3.6-4份、钼1.5-1.7份、硅为1.1-1.3份、硼0.9-1.1份、铌为0.5-0.55份、碳为0.15-0.2份、锰为0.2-0.3份、钒为0.1-0.15份、钴为0.1-0.15份、氮氮化铬铁0.67-0.89份以及铁71.05-73.7份；将所有原料加热至液态，得到熔液；对所述熔液在氮气环境下进行雾化，得到如上任意一项所述的用于模具修复的激光熔覆合金粉末。
在本发明的一个实施例中，所述将所有原料加热至液态得到熔液的过程包括：将所述所有原料加热至液态后，在1550-1600℃的温度下保持2-3min得到所述熔液。
在本发明的一个实施例中，所述对所述熔液在氮气环境下进行雾化的过程在密闭空间内进行，包括：所述熔液从所述密闭空间的上部以流动直径为5.0-5.5mm向下流动；以3.0-3.5MPa的压力向所述密闭空间内通入氮气；通入所述密闭空间的氮气对流动的所述熔液进行雾化。
在本发明的一个实施例中，还包括：对所述用于模具修复的激光熔覆合金粉末进行筛分，所述筛分的要求为筛选出粒径范围为15-175μm的合金粉末。
在本发明的一个实施例中，还包括：对所述用于模具修复的激光熔覆合金粉末进行成分测定，所述成分测定的结果为：所述用于模具修复的激光熔覆合金粉末按照质量百分比由以下成分组成：铬为18％-19％、镍为3.6％-4％、钼为1.5％-1.7％、硅为1.1％-1.3％、硼0.9％-1.1％、铌为0.5％-0.55％、碳为0.15％-0.2％、锰为0.2％-0.3％、钒为0.1％-0.15％、钴为0.1％-0.15％、氮为0.06％-0.08％、铁为71.47％-73.79％以及少量不可避免的杂质。
综上所述，本申请上述各个实施例可以具有如下优点或有益效果：该合金粉末适当提高了铬、镍以及钼的含量，并且同时增加了钴、铌、钒以及氮的含量，由此对合金粉末进行了改性，使得其经过激光熔覆之后得到熔覆层在酸性环境下具有很好的抗腐蚀性，尤其是pH值在3.1-7.0之间的弱酸性环境。
例如注塑模具的工作环境因塑料材料加热而释放出酸性气体而变成弱酸性环境，注塑模具的受损部位采用本实施例提供的合金粉末进行激光熔覆进行修补后，注塑模具的受损部位生成的熔覆层在该酸性环境下具有很好的抗腐蚀性。又例如，大型机械泵的轴在使用过程中会遇到酸性环境，比如大型机械泵在煤矿中工作，该轴的受损部位采用本实施例提供的合金粉末进行激光熔覆进行修补后，该轴的受损部位生成的熔覆层在相应的酸性环境下具有很好的抗腐蚀性。此处不一一列举。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第二实施例提供的第一实施例的合金粉末的制备方法中步骤S3的过程示意图。
图2为本发明第二实施例中通过实施方式一的组分比例制得的合金粉末的电镜图。
图3为本发明第二实施例中通过实施方式二的组分比例制得的合金粉末的电镜图。
图4为采用实施方式一制得的合金粉末在基体上进行激光熔覆得到熔覆层、对所述熔覆层以及相结合的部分基体进行切片、对所述切片中所述熔覆层与所述基体连接处的100倍放大图。
图5为图4中所述切片中的所述熔覆层的中间区域的200倍放大图。
图6为图4中所述切片中的所述熔覆层靠近表面的区域的200倍放大图。
图7为图4中所述切片中的所述熔覆层靠近基体的区域的200倍放大图。
图8为采用实施方式一制得的合金粉末在试验件上进行激光熔覆后得到的包含熔覆层10的试验件的实物图。
图9为对图8所示的试验件进行中性盐雾试验后得到的实物图。
图10为在图9所示的中性盐雾试验之后、再进行铜加速盐雾试验后得到的实物图。
主要元件符号说明：
10为熔液；20为合金粉末；30为密闭空间；31为中间包；40为喷盘；41为熔液漏孔；42为气流通道；50为氮气输入设备；60为氮气回流设备；AB之间的宽度为熔液10向下自由流动的流动直径。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
【第一实施例】
本发明第一实施例提供了一种合金粉末，所述合金粉末能够对基体进行修复，所述基体可以是金属或合金材质的零部件，具体的，通过激光熔覆技术将所述合金粉末熔覆在金属材质的基体的待修复部位，从而在所述基体的所述待修复部位生成熔覆层，以达到修复所述基体的目的。并且，所述熔覆层在酸性环境下具有很好的耐腐蚀性，能够提高所述基体在酸性环境下的使用时长，并且降低所述基体的成本。
优选的，所述合金粉末用于对模具待修复部位进行激光熔覆以修复所述模具，所述模具可以是金属材质的注塑模具或压铸模具，当然还可以是其他类型的模具。所述模具工作于酸性环境，例如注塑模具和压铸模具在使用过程中不可避免的因为对塑料进行加热而产生酸性气体而导致其工作环境呈弱酸性，所述酸性气体可以是塑料因加热而产生的HCl、HF甚至H2S等气体。而所述合金粉末经过激光熔覆之后在所述模具上生成的熔覆层在上述弱酸性环境中具有很好的抗腐蚀性。
当然，使用所述合金粉末对其他金属材质或合金材质的零部件采用激光熔覆技术进行修复而生成的熔覆层在酸性环境下具有很好的抗腐蚀性，尤其是pH值在3.1-7.0之间的弱酸性环境。
所述合金粉末按质量百分比包括以下组分：铬元素为18％-19％、镍元素为3.6％-4％、钼元素为1.5％-1.7％、硅元素为1.1％-1.3％、硼元素0.9％-1.1％、铌元素为0.5％-0.55％、碳元素为0.15％-0.2％、锰元素为0.2％-0.3％、钒元素为0.1％-0.15％、钴元素为0.1％-0.15％、氮元素为0.06％-0.08％以及余量为铁元素；并且以上各个组分的质量百分比之和为100％。
所述合金粉末相比于现有的合金粉末提高了铬元素、镍元素以及钼元素的质量百分比含量，并且增加了微量的钴元素、铌元素、钒元素以及氮元素。
具体的，提高镍元素和钼元素的质量百分比含量，可以有效扩大所述合金粉末经过激光熔覆而生成的所述熔覆层的钝化范围，从而能够提高所述熔覆层的耐腐蚀性能，尤其是非氧化性酸性介质的耐腐蚀性能。
提高铬元素的质量百分比含量，在激光熔覆过程中铬元素可以吸收碳元素，形成碳与铬的化合物，这样有利于降低碳元素对所述熔覆层的耐腐蚀性的影响；同时，质量百分比含量较高的铬元素能够有利于抵抗所述熔覆层中晶间腐蚀的发生；再者，质量百分比含量较高的铬元素有利于所述合金粉末在激光熔覆过程中在所述待修复金属零部件的待修复部位生成具有奥氏体不锈钢的熔覆层。
增加微量的氮元素，可以与所述待修复的金属零部件中的金属元素形成相应的氮化物，例如氮化铁、氮化铬等氮化物；所述氮化物具有良好的硬度、热稳定性以及弥散度，能够提高所述熔覆层的硬度和耐磨性。
增加微量的铌元素和钒元素，在激光熔覆过程中能够与待修复的金属零部件中的碳元素生成稳定的碳铌化合物和/或碳钒化合物，控制碳铬化合物的生成量，从而降低了碳的有害作用，相应的也提高了铬元素对所述熔覆层的耐腐蚀性能的影响。
增加微量的钴元素，在激光熔覆过程中能够有利于促进奥氏体的形成，从而在所述待修复的金属零部件的所述待修复部位促进形成具有奥氏体不锈钢的熔覆层。
所述合金粉末例如还具有以下物理特性：所述合金粉末的粒径范围为15-175μm；所述合金粉末的流速值为
所述合金粉末经过激光熔覆后所形成的的熔覆层具有以下特性：所述熔覆层与所述基体的结合处生成有细小晶粒，所述细小晶粒的粒径在0.01-0.02mm之间；所述熔覆层的表层也生成有细小晶粒，所述细小晶粒的粒径同样在0.01-0.02mm之间；所述熔覆层的内部生成有柱状晶体，所述柱状晶体的宽度在0.01-0.02mm之间，所述柱状晶体的长度在0.05-0.15mm之间。
【第二实施例】
本发明第二实施例提供了一种如第一实施例所述的合金粉末的制备方法，所述制备方法例如包括以下步骤：
步骤S1，按质量份组分获取以下原料：单质金属铬17.48-18.61份、单质金属镍3.6-4份、单质金属钼1.5-1.7份、单质硅为1.1-1.3份、单质硼0.9-1.1份、单质金属铌为0.5-0.55份、单质碳为0.15-0.2份、单质金属锰为0.2-0.3份、单质金属钒为0.1-0.15份、单质金属钴为0.1-0.15份、氮氮化铬铁0.67-0.89份以及单质金属铁71.05-73.7份；
步骤S2，将步骤S1中获取的所有原料加热至液态，得到熔液；
步骤S3，对所述熔液在氮气环境下进行雾化，从而得到如第一实施例所述的合金粉末。
具体的，所述步骤S1中所有的原料可以是粉状的或块状的，此处不作限制。
所述步骤S2中，可以是采用中频感应坩埚对所述混合物进行加热。具体的可以将步骤S1中取得的所有原料依次加入所述中频感应坩埚进行加热，也可以先将步骤S1中取得的所有原料均匀混合后再加入所述中频感应坩埚进行加热；加热过程中，将所有原料全部加热至液态时，为了确保所有原料均为液态，可以将所述中频感应坩埚在1550-1600℃的温度下保持2-3min，最终得到所述熔液。
所述步骤S3中，可以采用合金粉末雾化设备对所述熔液进行雾化。参见图1，所述雾化设备例如具有密闭空间30，密闭空间30的顶部设有用于盛装所述步骤2得到的熔液10的中间包31；密闭空间30的上部连接有氮气输入设备50，氮气输入设备50用于向密闭空间30通入氮气，密闭空间30的下部连接有氮气回流设备60，氮气回流设备60用于排出密闭空间30内的氮气，使得氮气输入设备50输入至密闭空间30内的氮气能够流动；密闭空间30内设有喷盘40，喷盘40位于中间包31下方，喷盘40上开有熔液漏孔41，熔液漏孔41正对中间包31上设置的用于熔液10向下自由流动的开口(图中未示出)，喷盘40上还开有气流通道42，气流通道42用于改变氮气气流的流动方向。
进一步的，采用所述雾化设备实现步骤S3的过程例如为：将所述步骤S2中得到的熔液10转移至中间包31；熔液10从中间包31下方的开口处向下自由流动，且熔液10向下自由流动时的流动直径(图1中AB之间宽度)优选为5.0-5.5mm；并且，熔液10穿过喷盘40上的熔液漏孔41；另一方面，氮气输入装置50向密闭空间30以3-3.6MPa的压力向密闭空间30内通入氮气，盘喷40上的气流通道42能够改变氮气的流动方向(如图1所示)，改变方向后的氮气流能够吹散流动至喷盘40下方的熔液10以实现氮气雾化过程，雾化后的熔液10经过自由落体落在密闭空间30的底部形成合金粉末20，合金粉末20即为第一实施例所述的合金粉末；其中，在氮气输入装置50输入氮气至密闭空间30内时，氮气回流装置60将密闭空间30内的氮气排出，从而实现密闭空间30内氮气的流动。
所述制备方法例如还包括：
步骤S4，对步骤S3中得到的所述合金粉末进行筛分，具体的，筛分要求为筛选出粒径范围为15-175μm的合金粉末；例如可以在80-600目的条件下对所述合金粉末进行筛分；当然，为了获取粒径更加均匀的合金粉末，可在120-270目的条件下对步骤S3得到的合金粉末进行筛分。
所述制备方法例如还包括：
步骤S5，对步骤S3得到的合金粉末，或者对步骤S4得到的筛分后的合金粉末进行成分测定，在所述成分测定的结果为：所述合金粉末按照质量百分比由以下成分组成：铬元素为18％-19％、镍元素为3.6％-4％、钼元素为1.5％-1.7％、硅元素为1.1％-1.3％、硼元素0.9％-1.1％、铌元素为0.5％-0.55％、碳元素为0.15％-0.2％、锰元素为0.2％-0.3％、钒元素为0.1％-0.15％、钴元素为0.1％-0.15％、氮元素为0.06％-0.08％、铁元素为71.47％-73.79％以及少量不可避免的杂质时，确定制备得到的合金粉末为第一实施例所述的合金粉末。
当然，还可以对步骤S3得到的合金粉末，或者对步骤S4得到的筛分后的合金粉末进行其他测定，例如测定其流速和松装密度；在测定流速值不大于
此处值得一提的是：所述步骤S1中的各个原料组成还可以是采用非单质的金属化合物或非金属化合物，且能够使最终得到合金粉末具有的铬元素、镍元素、钼元素、硅元素、硼元素、铌元素、碳元素、锰元素、钒元素、钴元素、氮元素、铁元素的质量占比在相应的范围内即可。
根据步骤S1中各个原料质量组分的不同选择，有如下表所示的至少五个实施方式：
上表所列五个实施方式分别按照各个原料的组分获取相应的原料后，分别实施所述步骤S2、所述步骤S3，甚至所述步骤S4和所述步骤S5的过程，最后得到五个实施方式分别对应的合金粉末，此处不再赘述。
其中，对实施方式一得到的合金粉末拍摄电镜图，得到如图2所示的扫描电镜图，从中可以看到实施方式一得到的合金粉末的粒径大小以及合金粉末的其他物理状态。对实施方式二得到的合金粉末拍摄电镜图，得到如图2所示的扫描电镜图，从中同样可以看到实施方式二得到的合金粉末的粒径大小以及合金粉末的其他物理状态。
具体的，将实施方式一得到的合金粉末在基体例如金属材质的注塑模具上进行激光熔覆，并得到熔覆层，然后将所述熔覆层以及相结合的部分基体进行切片，然后对所述切片在光学金相显微镜下拍照得到以下图片：
参见图4，其为所述切片中所述熔覆层与所述基体连接处的100倍放大图。可以观察到：左侧呈白色部分为所述熔覆层，与其连接的黑色部分为所述基体；其中，所述熔覆层靠近所述基体的部分生成有细小晶粒，而所述熔覆层的中部区域则生成有柱状晶体。
参见图5，其为所述切片的所述熔覆层的中部区域的200倍放大图。可以详细的观察到所述熔覆层的中部区域生成的柱状晶体。
参见图6，其为所述切片的所述熔覆层的靠近表面的区域的200倍放大图。可以详细的观察到所述熔覆层靠近表面的区域生成有细小晶粒。
参见图7，其为所述切片的所述熔覆层的靠近基体的区域的200倍放大图。可以详细的观察到所述熔覆层靠近基体的区域生成有细小晶粒。
进一步的，将实施方式一得到的合金粉末在金属材质的试验件表面进行激光熔覆得到熔覆层，然后对所述试验件表面生成的所述熔覆层进行500小时的中性盐雾试验，并且根据国标GB/T6461-2002的要求对试验件表面的所述熔覆层进行评级；然后在中性盐雾试验结果的基础上，再对试验件进行500小时的铜加速盐雾试验，同样根据国标GB/T6461-2002的要求再次对试验件表面的所述熔覆层进行评级。其中，中性盐雾试验和铜加速盐雾试验的试验要求具体为：
将试验件进行中心盐雾试验和通加速盐雾试验的过程具体如下：
参见图8，所述试验件为圆柱状结构，采用所述实施方式一得到的合金粉末通过激光熔覆技术在所述试验件的表面生成熔覆层10；其中，熔覆层10的厚度为1.4mm，然后，将熔覆层10划分为至少4个区域(第一区域11、第二区域12、第三区域13以及第四区域14)并分别不同程度的精磨，得到第一区域11的厚度为0.3mm，第二区域12的厚度为0.4mm，第三区域的厚度为0.5mm以及第四区域的厚度为0.6mm。
然后，按照上述试验要求对所述试验件进行中性盐雾试验，得到如图9所示的试验结果。可以观察到，试验件裸露的基体腐蚀较为严重且出现较多锈斑；但是，试验件的熔覆层10表面呈现出金属光泽、外观优良完整且表面无锈斑；根据国标GB/T6461-2002的要求对熔覆层10的表面进行评级，得到评级结果为Rp为10级，因此，试验件表面的熔覆层10完全达到中性盐雾试验的要求。
最后，在上述中性盐雾试验的基础上再对试验件进行铜加速盐雾试验，得到如图10所示的试验结果。可以观察到，试验件裸露的基体腐蚀严重出现大量锈斑；但是，试验件的熔覆层10表面呈现出金属光泽、外观优良完整且表面无锈斑；根据国标GB/T6461-2002的要求对熔覆层10的表面进行评级，得到评级结果为Rp为10级，因此，试验件表面的熔覆层10完全达到铜加速盐雾试验的要求。
综上所述，根据第二实施例提供的制备方法制得的如第一实施例所述的合金粉末通过激光熔覆对金属材质的基体进行修复后，所述基体的修复部位生成熔覆层在酸性环境下具有非常好的抗腐蚀性，尤其是pH值在3.1-7.0之间的弱酸性环境。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。