H13模具钢激光熔凝层的组织和性能
H13 模具钢相当于国产 4Cr5MoSiV1 钢 ,淬透性和淬硬性高,主要用于制造压铸模具、轻金属挤压模具、锻造模具和塑料模具 、蜗杆 、渗碳顶杆和热剪刀片。热作模具在使用过程中承受热疲劳、冲蚀和应力腐蚀 、物理化学作用,如表面热焊合,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,工业先进国家 1/3 ~ 1/5。众所周知,模具的故障始于表面,尽管常规化学热处理、堆焊和电火花表面强化 、PVD、CVD 模具的使用寿命可以在一定程度上延长,但上述方法工艺复杂 ,处理周期长 ,或模具处理后变形较大,或镀层薄脆,磨损快 ,早期裂纹等缺点容易出现 ,在实际应用中存在一些问题,因此探索了一种改进 H13钢表面性能的实用新工艺 ,它将具有重要的现实意义。理想的表面改性涂层应与基体结合良好,厚度足够,无缺陷 ,激光表面工程具有适当的物理化学性能,能有效提高材料的表面性能,对模具表面的强化、修复和提高使用寿命有显著作用。本文采用高能束激光熔化处理,在 H13 在不改变模具钢表面成分的情况下,在钢表面获得激光熔凝层 ,结合铝合金压铸模自强化 ,熔凝层的组织结构 ,硬度 、耐磨 、综合评价耐腐蚀性,以提高耐腐蚀性 H13 钢压铸模的使用寿命提出了有效途径。
1 试验材料 、工艺及方法
1.1 试验材料及激光熔处理工艺
试验基材经淬火回火处理 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 。样品表面用砂纸打磨,喷砂 、清洗 、干燥后进行黑化处理 TJ-HL-2000 型 CO2 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 30%。1.2 试验方法
从垂直于激光束扫描方向的横截面制备金相样品。 Olympus BX60 型光学图像分析系统分析熔凝层的组织形状; D/max2500PC 型 X 射线衍射仪测定基材和熔凝层的相结构 ,CuK α 衍射 ,衍射束石墨滤光器单色化化 ,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-评估38型往复磨损试验机的磨损性能 ,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 200mm,磨损线速度为 400mm/s,载荷为25N,每 10min 用感量为 0.01mg 样品磨损损失重分析天平测定 ,加润滑油 。电化学腐蚀试验样品的尺寸为 10mm ×10mm ×10mm,熔凝面磨成金相样品,用 1μm 研磨钻石膏 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 ,腐蚀介质是工业压铸铝合金工件中使用的脱模剂,23℃恒温 ,饱和甘汞电极(SEC)作为参考电极,铂电极作为辅助电极 ,介质中样品的自腐蚀电位预先测定 ,电化学极化曲线在系统稳定后测定 ,初始电位小于自腐蚀电位 200mV,电位扫描速度为1mV/s。
2 测试结果及分析
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态 ,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、裂纹等缺陷 。由图 2 可以看出,H13 激光熔凝处理后,钢的组织发生明显变化,包括熔凝区、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狭窄,分布区边界不明显。激光熔凝扫描,熔池中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 ,熔池底部接触加热到微熔状态的固态母晶粒,不均匀晶核附着在表面形核上,形核率显著提高,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的形状控制因子 ,即熔池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,这里的温度梯度最大,所以 G/R 值很大,因此熔池底部的凝固组织沿晶界或相界以极低的生长,生长速度极低;熔凝层的中间随之而来 R 的增大和 G/R 逐渐减少,沿热流方向形成规则柱和树枝混合的晶体生长形式 ;熔池顶部 ,形成极细的枝晶。 为 H13 钢基材(Ⅰ)激光熔凝层(Ⅱ)的X射线衍射谱,由图 与基材相比,3可知 ,激光熔凝层增加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 磨损曲线 4可见,H激光熔化后13钢表面硬度明显提高 。试验还发现,随着激光束扫描率的提高 ,熔凝层硬度呈上升趋势 ,本试验综合考虑了熔凝处理的影响因素 400mm/min扫描速率。从熔凝层X射线结构的分析结果可以看出,熔凝层中含有许多新的碳化物强化相,在传统的热处理状态下难以获得。因此,碳化物扩散强化和快速熔凝固溶强化将有利于提高熔凝层的耐磨性。从金相观察可以看出,激光熔凝处理后,其组织明显细化,由 Hall-Petch公式:σs =σ0 Kyd^(-1/2) 可以看出,细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 ,减少磨损过程中的物料转移 ,并抵抗摩擦副磨粒的磨削。.3 激光熔凝层的电化学腐蚀性金属材料由于结晶过程中成分分布不均匀、相界、晶界存在等原因导致微结构不均匀,同时,晶体中固有缺陷的存在会导致表面自由能波动较大,导致表面自由能不均匀,导致电位差大,形成局部腐蚀原电池。腐蚀原电池的基本原理 ,对于同一种材料 ,腐蚀介质中的腐蚀率随着局部表面电势差的增加而增加。在实际使用过程中,为了提高压铸件的表面质量 ,同时增加模具的冷却效果,经常在模具上喷洒脱模剂,不可避免地造成模具表面的电化学腐蚀。 为H13 脱模剂介质中钢基材和激光熔凝层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由-427明显正移mV 上升为-281mV,腐蚀电流为H13 维钝电流密度为钢基材的40%^(-2) A·cm^(-2)下降至10^(-5) A·cm^(-2) 。H13 钢激光表面熔凝处理 ,利用激光快速加热和快速冷却的特点,可以均匀化材料的表面结构和成分 ,减少局部表面自由能的差异,从而显著提高其电化学腐蚀性能。3 结论
(1) 激光熔凝强化处理 H13 钢表面获得无缺陷熔凝层 ,熔凝层组织呈定向生长形式。X射线分析表明熔凝层分析了弥散 Cr7C3 、Cr23C6 和MoC碳化物 。
(2) H激光熔凝处理后,13钢,其微硬度有所提高。磨粒磨损试验表明,激光熔凝层的耐磨性为H13钢基体的1.8 其强化机制主要是过饱和固溶强化、细晶强化和碳化物弥散强化。
(3) H13钢经激光熔化处理后 ,其耐腐蚀性提高,自腐蚀电位正移 ,显著降低了维钝电流 。
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