第 1 章 绪论
1.1 模具的分类及其失效方式
虽然我国模具钢产量已经超过日本，但是在产品的种类、性能、寿命及尺寸精确度等方面与日本、欧美等发达国家还是有很大的差距，例如，国产冷作模具钢的强度可以达到世界顶尖标准，但是其韧性和耐磨性就要受到极大的限制。因此，即使我国模具钢的产量处于世界前列，每年依然需要从欧美等工业发达国家进口中高档的模具钢，来满足国内模具生产的需求，而据有关部门统计，我国对于模具的需求量呈现逐年上升的趋势，目前，我国模具的进口量居于世界第一位。
在国外，伴随模具制造行业的发展，对模具质量、性能等方面不断提出更高水准的要求，这也促使了模具材料向着高合金化、高质量化、优化、低级材料强化以及扩充领域发展，同时，模具材料由低级的碳素工具钢逐步衍化为低合金工具钢，随后发展成为高级合金工具钢。在美日等工业发达的国家，新型模具材料的种类更是层出不穷，其标准钢号的合金化程度也日益趋于提高。据资料显示，美国钢合金元素超过 5%的热作模具多达 15 种，合金元素多于 10%的热作模具也有 10 余种，用量占 80%。显而易见，随着国外模具制造业的迅猛发展，该行业逐渐实现通用化、标准化、系列化以及高效低价化的发展。为了满足模具制造业的发展要求，模具材料亦需要日趋实现多品种化、高精度化以及高品质化。然而，模具生产与加工的环境和条件有限，模具材料的质量，尤其是钢的纯净度、等向性水平很难达到较为理想的程度。
针对这一困难的克服，国外普遍通过电炉、炉外精炼以及电渣重熔技术使钢的纯度以及致密度得到了有效地改善，以此在较大程度上确保了钢的质量。为了提高该行业的竞争实力以及技术研发能力，很多国外模具钢公司通过跨国合作，建立了技术先进的模具钢生产线和模具钢科学研究基地，于是，几大世界著名的钢模具生产基地和研发中心相继诞生，这也在很大程度上促使了模具工业的迅猛发展。
1.1.2 模具钢的分类
各种模具之间的工作条件有很大差别，所以满足各种模具工作需要的模具钢种类很多，一般以化学成分来分类，可分为碳素结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、合金结构钢、高速工具钢，还有一些模具钢需要满足特殊的模具要求，如奥氏体无磁模具钢、耐蚀模具钢、马氏体时效钢等，下面主要介绍三种常见模具钢。
（1） 冷作模具钢
冷作模具钢的工作温度很低，一般是在室温条件下进行模具成形，如冷冲压模具、冷拉伸模具、冷镦模具、冷挤压模具、辊压模具等。冷作模具的种类很多，广泛地应用于模具生产，其年产值约占模具年总产值的三分之一。冷作模具钢的钢号很多，一般可采用高碳过共析钢和莱氏体钢，如碳素工具钢、低合金油淬冷作模具钢、空淬冷作模具钢、高碳高铬型冷作模具钢、低碳高速钢等，还有主要用于粉末冶金生产的高合金模具钢材料。
（2）热作模具钢
热作模具经常在高温条件下服役，因此热作模具钢主要用于制造在高温条件下进行压制成型的模具，如热锻模具、热挤压模具、压铸模具等。热作模具钢的含碳量一般在 0.003 到 0.005 之间，如果在钢中添加一些提高高温性能的 W、Mo、Cr、V 等元素，也可以将热作模具钢分为锻造模块用钢、铬钼系热作模具钢、铬钨系热作模具钢、奥氏体高温热作模具钢等。
第 2 章 试验材料、设备及方法
2.1 试验材料
本试验的喷焊粉末为 NiCrBSi、WC-Co12 和 NiCr-Cr3C2粉末。NiCrBSi（Ni60B）粉末是一种镍基自熔性合金粉末，其粒度为 45~109μm，一般由真空气雾化法制得，图 2.1 为 NiCrBSi 粉末的显微形貌，从图中可以看出，Ni60B 粉末呈球状颗粒，具有良好的流动性，可以顺利地通过送粉器进入喷焊枪进行喷焊，粉末的自熔性、润湿性能较好，广泛用作等离子喷焊对模具的修复材料。在 NiCrBSi 自熔性合金粉末中，以 Ni 元素为主，往往还加入一些其它元素，如铜、猛、钨、铝等元素，以此来提高粉末的综合性能，表 2.1 为 NiCrBSi（Ni60B）粉末的化学成分。
2.2 试验设备及方法
利用等离子喷焊技术，在 H13 热作模具钢的表面，喷焊由 NiCrBSi，WC-Co12，NiCr-Cr3C2组成的不同配比的粉末，在基体表面形成合金喷焊层。将制备试样切成长宽高分别 15mm，10mm，10mm 的小试样，经打磨抛光之后对制备的试样的显微组织结构和化学成分进行分析，然后进行力学性能的测试，金相分析包括光学显微镜分析、扫描电子显微镜分析、XRD 衍射试验分析、能谱分析，力学性能测试包括合金喷焊层的显微硬度测试、耐磨粒磨损性能测试和抗拉伸性能测试。通过对不同配比粉末喷焊层的力学性能的对比，确定性能最好的最优粉末配比，来达到修复 H13 模具表面缺陷的目的，图 2.4 为试验流程图。
第3章 不同配比的粉末喷焊............................37-55
3.1 NiCrBSi 和 NiCr-Cr_3C_2喷焊层............................ 37-41
3.2 喷焊层显微组织和成分分析............................ 41-51
3.2.1 WC-Co12 和 NiCr-Cr_3C_2粉末比例相同............................ 41-46
3.2.2 WC-Co12 和 NiCr-Cr_3C_2粉末比例不同............................ 46-51
3.3 WC-CO12 对喷焊层组织的影响............................ 51-54
3.4 本章小结 ............................54-55
第4章 不同配比的粉末喷焊层............................ 55-63
4.1 合金喷焊层的显微硬度............................ 55-57
4.2 合金喷焊层的耐磨粒............................ 57-59
4.3 拉伸性能试验............................ 59-60
4.4 本章小结 ............................60-63
第5章 等离子喷焊参数优化............................ 63-69
5.1 等离子喷焊工艺参数的优化 ............................63-67
5.1.1 工艺参数的选择............................ 64-65
5.1.2 工艺参数的优化............................析 65-67
5.2 本章小结............................ 67-69
结论
本文主要研究内容为模具表面缺陷的等离子喷焊修复，目的是通过等离子喷焊技术，对热作模具表面的缺陷进行修复，使模具重新具有服役能力，并延长模具的使用寿命。利用等离子喷焊技术，在 H13 热作模具钢的表面制备合金喷焊层，合金粉末为不同配比 NiCrBSi、WC-Co12 和 NiCr-Cr3C2的混合粉末。通过光学显微镜、扫描电子显微镜和 XRD 衍射试验，对合金喷焊层显微组织和化学成分进行分析，然后对合金喷焊层进行显微硬度、耐磨粒磨损性和抗拉伸性等力学性能进行测试。通过试验得出以下结论：
（1）合金喷焊层与模具表面之间属于冶金结合，在结合界面处出现宽度约为20~30μm 的明显的熔合区，熔合区内出现少量胞状树枝晶，其生长方向为垂直于熔合界面，元素在基体与合金喷焊层之间相互扩散。
（2）合金喷焊层的显微组织主要是由马氏体和残余奥氏体组成；当粉末中没有添加 WC-Co12 粉末时，由于 Ni、Cr、B、Si 等元素的存在，在合金喷焊层中生成 Cr23C6、FeNi3、FeCr 等化合物，弥散分布在晶界上；当粉末中加入 WC-Co12 粉末时，在合金喷焊层中会产生 W3C 和未熔化的 WC 硬质相，随着 WC-Co12 和 NiCr-Cr3C2比例增大，W3C 和 WC 的含量也增多。
（3）当粉末中没有添加 WC-Co12 粉末时，随着粉末中 NiCr-Cr3C2的比例增大，CrB 等硬质相增多，使合金喷焊层的显微硬度增大，耐磨粒磨损性增强；当粉末中加入 WC-Co12 粉末时，随着 WC-Co12 和 NiCr-Cr3C2粉末含量增多，W3C 和 WC 等硬质相也增多，合金喷焊层的显微硬度和耐磨粒磨损性能都增强；拉伸试验表明，利用NiCrBSi 粉末修复的热作模具钢，经过拉伸试验，试样均在 V 型缺口修复处断裂，其平均拉伸强度为 450MPa。
（4）选取喷焊电流、等离子气流量、送粉气流量作为三因素，对等离子喷焊参数进行正交优化，得到等离子喷焊工艺最优参数为喷焊电流为 50A，等离子气流量为1.5L/min，送粉气流量 2.5L/min，电压 40V，保护气流量 15L/min，喷焊距离 12mm。
（5）NiCrBSi70%+WC15%+NiCr-Cr3C215%合金喷焊层的显微硬度值最大，耐磨粒磨损性能最好。