H13模具钢激光熔凝层的组织及性能
H13 模具钢相当于国产 4Cr5MoSiV1 钢 , 具有较高的淬透性和淬硬性, 主要用于制造压铸模、轻金属挤压模、锻模和塑料用模具 、蜗杆 、渗碳顶杆及热剪切刀片等。热作模具在使用过程中承受着热疲劳、冲蚀、应力腐蚀 、表面热焊合等物理、化学的作用, 因而其使用寿命较低 。目前我国铝压铸模具的一般使用寿命为 2~10万次, 仅为工业先进国家的 1/3 ~ 1/5。众所周知,模具的失效首先是从表面开始的,虽然常规的化学热处理、堆焊、电火花表面强化 、PVD、CVD 等方法均可在一定的程度上延长模具的使用寿命, 但上述方法存在工艺复杂 ,处理周期长 ,或是处理后模具存在较大畸变,或是形成的镀层薄而脆, 磨损极快 , 容易出现早期裂纹等缺点 ,在实际应用中存在一定的问题, 因而探索出一种提高 H13钢表面性能的实用新工艺 ,将具有重要的实际意义。理想的表面改性涂层应与基体保持良好的结合, 具有足够的厚度, 无缺陷 , 适宜的物理化学等性能,激光表面工程可有效地改善材料的表面性能,对于模具表面强化, 修复及提高使用寿命效果显著。本文采用高能束激光熔融处理, 在 H13 钢表面获得激光熔凝层, 在不改变模具钢表面成分的条件下 ,实现钢基表面的“自强化”,并结合铝合金压铸模的实际使用情况 ,对熔凝层的组织结构 ,硬度 、耐磨 、耐蚀性能进行综合评价, 为提高 H13 钢压铸模使用寿命提出了有效的途径。
1 试验材料 、工艺及方法
1.1 试验材料及激光熔凝处理工艺
试验基材为经淬火及回火处理的 H13 热作模具钢,其化学成分(质量分数, %)为:0.32 ~ 0.45C 、0.8~ 1.2Si 、0.2~ 0.5Mn、4.75 ~ 5.5Cr、0.8 ~ 1.2Mo、1.1~1.75V 。样品表面经砂纸打磨、喷砂 、清洗 、干燥后施行黑化处理, 采用 TJ-HL-2000 型 CO2 激光器进行熔凝处理,最佳工艺参数为:输出功率为1200W, 光斑直径为3mm ,焦距为 300mm , 激光束扫描速率为 400mm/min,大面积激光扫描搭接率为 30%。1.2 试验方法
金相样品的制备取自垂直于激光束扫描方向的横截面。采用 Olympus BX60 型光学图像分析系统分析熔凝层的组织形貌;用 D/max2500PC 型 X 射线衍射仪测定基材及熔凝层的相结构 ,CuK α 衍射 , 衍射束石墨滤光器单色化 , 电压为 40kV, 电流为 40mA, 扫描速度为1.5(°)/min,扫描范围在 30(°)~ 85(°)。采用 HVS-1000 数显式显微硬度计测量熔凝层的硬度 ,载荷砝码为200g ,加载时间 15s;用MS-38型往复式磨损试验机进行磨损性能的评定 ,样品尺寸为 30mm×25mm×10mm , 激光处理面为 30mm ×25mm , 样品表面粗糙度R a =0.2μm, 摩擦副为油石(粒度 0.063mm),润滑油为N32号机油 , 滴量为10 ~ 12 滴/h, 磨损试验参数:行程为 200mm, 磨损线速度为 400mm/s, 载荷为25N,每 10min 用感量为 0.01mg 分析天平测定样品的磨损失重 ,并添加润滑油 。电化学腐蚀试验样品的尺寸为 10mm ×10mm ×10mm, 熔凝面磨制成金相样品, 并用 1μm 钻石膏研磨。利用 EG&G Parc 273型恒电位仪测定基材及激光熔凝层的电化学极化曲线, 从而确定熔凝层的电化学腐蚀性能。为接近实际工况 , 腐蚀介质为工业中压铸铝合金工件使用的脱模剂, 23℃恒温 , 用饱和甘汞电极(SEC)作参比电极, 铂电极作辅助电极 ,预先测定样品在介质中的自腐蚀电位 , 待体系稳定后测定电化学极化曲线 ,初始电位设定为小于自腐蚀电位 200mV,电位扫描速度为1mV/s。
2 试验结果及分析
2.1 激光熔凝层的组织结构
图1 为 H13 热作模具钢基材的组织形貌 ,其组织为回火索氏体;图 2 为经激光熔凝处理后熔凝层的组织形貌, 熔凝层厚度约为 0.5mm ,组织致密、无孔洞及裂纹等缺陷 。由图 2 可以看出, H13 钢经激光熔凝处理后其组织发生明显的变化, 由表及里依次为熔凝区、过渡区、相变硬化区和热影响区,其中过渡区和热影响区分布较窄,分布区界限不明显。激光熔凝扫描时, 熔池内金属熔体的凝固是一个动态过程 ,随着激光束的连续扫描 ,熔池中金属的熔化和凝固同时进行 ,熔池的底部与被加热至微熔状态的固态母材晶粒相接触, 非均匀晶核依附于这个表面形核,其形核率显著提高,从而使熔凝层的结晶组织明显细化。H13钢激光熔凝层的结晶形态取决于熔池内形状控制因子 , 即熔池内结晶方向上的温度梯度 G和凝固速度 R 之比 G/R 。在熔池的底部 R 趋于0, 而此处的温度梯度最大, 这样 G/R 值很大, 因而熔池底部的凝固组织以极低的生长速率沿晶界或相界呈外延式生长;而熔凝层的中部, 随 R 的增大和 G/R 逐渐减小,沿热流方向形成规则的柱状与树枝状混合的晶体生长形态 ;在熔池的顶部 ,则形成极其细密的树枝晶。图3 为 H13 钢基材(Ⅰ)及激光熔凝层(Ⅱ)的X射线衍射谱,由图 3可知与基材相比 ,激光熔凝层增加了Cr7C3 、Cr23C6和MoC碳化物。2.2 激光熔凝层的磨损性能
图4 为H13钢激光熔凝层硬度分布曲线 ,图5 为磨损曲线。由图 4可见,H13钢经激光熔凝处理后表面硬度明显提高 。试验中还发现随激光束扫描速率的提高 ,熔凝层硬度有增加的趋势 ,综合考虑熔凝处理的影响因素,本试验采用 400mm/min的扫描速率。从熔凝层X射线结构分析结果可知,熔凝层中含有许多新的碳化物强化相,这种结构是在常规热处理状态下难以得到的,因而碳化物弥散强化及快速熔凝的固溶强化将对熔凝层抗磨损性能的提高起到有益的作用。通过金相观察可以看出, 激光熔凝处理后, 其组织明显细化, 由 Hall-Petch公式:σs =σ0 +Kyd^(-1/2) 可知, 细密的熔凝层组织产生的细晶强化 ,有利于提高熔覆层的屈服强度 ,使之在磨损过程中减少物料转移 ,并抵抗摩擦副磨粒的磨削。2.3 激光熔凝层的电化学腐蚀性能金属材料在结晶过程中由于成分偏析而导致成分分布不均匀,相界、晶界的存在等原因导致微观结构的不均匀,同时晶体中固有缺陷的存在,均造成表面自由能出现较大的起伏, 导致表面自由能不均匀, 因而引起较大的电势差, 形成局部腐蚀原电池。由腐蚀原电池的基本原理可知 ,对于同一种材料 ,其在腐蚀介质中的腐蚀速率随表面局部电势差的增大而递增。铝合金压铸模在实际使用过程中, 为提高压铸件的表面质量 ,同时增加模具的冷却效果, 常在模具上喷洒脱模剂, 这样不可避免造成模具表面的电化学腐蚀。图6 为H13 钢基材及激光熔凝层在脱模剂介质中的电化学阳极极化曲线 。由图6 可以看出,与基材相比 ,熔凝层的自腐蚀电位明显正移, 由-427mV 上升为-281mV, 腐蚀电流为H13 钢基材的40%, 维钝电流密度由10^(-2) A·cm^(-2)下降至10^(-5) A·cm^(-2) 。H13 钢激光表面熔凝处理 ,利用激光快速加热, 迅速冷却的特点, 可使材料的表面结构、成分等均匀化 , 减小了表面局部自由能的差异, 从而使其电化学腐蚀性能明显改善。3 结论
(1) 采用激光熔凝强化处理, 在 H13 钢表面获得了无缺陷的熔凝层 , 熔凝层组织呈定向生长形态。X射线分析表明熔凝层析出了弥散的 Cr7C3 、Cr23C6 和MoC碳化物 。
(2) H13钢经激光熔凝处理后,其显微硬度有一定的提高。磨粒磨损试验表明,激光熔凝层的耐磨性能为H13钢基体的1.8 倍,其强化机制主要是激光快速熔凝的过饱和固溶强化、细晶强化和碳化物弥散强化。
(3) H13钢经激光熔凝处理后 ,其耐腐蚀性能得到改善,自腐蚀电位正移 ,维钝电流明显减小 。
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