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1 引言

為了適應(yīng)熱作模具惡劣的環(huán)境，提高使用壽命，除了要求熱作模具鋼本身應(yīng)具有高的韌性和塑性、小的熱膨脹系數(shù)和好的導(dǎo)熱性等優(yōu)異的力學(xué)性能和使用性能外，特別對于與工件直接接觸的模具表面更應(yīng)具有高的熱強(qiáng)度、良好的抗回火性，因此，傳統(tǒng)的采用各種(氮、碳、硫等)溶滲以及PVD工藝來提高模具的使用壽命，有較好的效果，但在熱作模的工況條件下，改性層表面較薄，而且容易發(fā)生氧化、剝落而導(dǎo)致失效，最好的解決辦法就是在模具材料表面涂覆硬膜，采用激光熔覆技術(shù)可以有效的引人諸如WC等高溫硬質(zhì)合金熔覆層，并且與基體形成冶金結(jié)合，同時獲得良好耐磨性。

H13 ( 4Cr5MoSiV1)鋼是國際廣泛應(yīng)用的一種空冷硬化熱作模具鋼。本文在H13表面通過寬帶激光熔覆工藝制備超細(xì)的碳化鎢(如圖1所示碳化鎢粉末平均粒徑約為200nm)合金熔覆層，并分析了熔覆層的微觀組織結(jié)構(gòu)、硬度、耐磨性和殘余應(yīng)力。

圖1 超細(xì)WC粉末SEM照片

2 試驗材料及工藝方法

基體材料為回火態(tài)的H13鋼，試樣尺寸為100mm* 50mm * 20mm，其化學(xué)成分如表1，實驗前對試樣表面打磨，然后用無水乙醇清洗。

將超細(xì)WC與一定量自行配制的含Cr, Fe, Si等元素的粉末一起加人到吸光涂料中，用超聲波對溶液進(jìn)行一個小時的均勻化處理后，涂覆約0. 2mm厚的薄層在試樣的表面上，然后吹干。

用氫氣作為保護(hù)氣體，并將氣體保護(hù)裝置固定在激光聚焦鏡上，隨鏡頭移動，實時對熔池進(jìn)行氣體保護(hù)，采用最大功率為7 kW的連續(xù)CO。激光器，在光斑尺寸為9*2mm2，掃描速度為0.25~0.40m/min，功率為2~3kW的激光工藝參數(shù)條件下對試塊表面進(jìn)行激光處理。

制備好試樣，用HXD-1000型顯微硬度計、WM-2002型摩擦磨損實驗儀、Hitachi S-4700(II)型場發(fā)射掃描電子顯微鏡、Thermo NORAN VAN-TAGS EIS能譜儀、Thermoarl-SCINTAGX TRAX型X射線衍射儀和Sartorius-BS21S型電子天平(精確到0.Olmg)分別對硬度、耐磨性、表面形貌、元素分布、微觀結(jié)構(gòu)、物相以及失重等進(jìn)行檢測和分析。采用X-350A型X射線應(yīng)力測定儀進(jìn)行熔覆層殘余應(yīng)力分析。

3 試驗結(jié)果及分析

3. 1宏觀形貌及殘余應(yīng)力

如圖2所示為采用光斑尺寸為9*2mm，激光熔覆工藝制備的超細(xì)WC熔覆層表面和截面的試樣掃描照片。從圖2A處為金相砂紙打磨以及B處為激光處理后的原始表面形貌，可以看出熔覆層表面平整光滑，且沒有裂紋氣孔出現(xiàn)，熔覆層截面可以分為四個區(qū):熔覆層、過渡區(qū)(熔覆層與熱影響區(qū)的交界)、熱影響區(qū)和基體;熔覆層的厚度約為0. 4mm.

圖2 激光熔覆層WC的宏觀形貌

為了獲得較大面積熔覆層，試驗過程我們采用了搭接的辦法，從圖2中也可看出搭接地方熔覆層過渡自然，這對于需要大面積強(qiáng)化的模具表面具有重要意義。

用X-350A型X射線應(yīng)力測定儀來測定其表面殘余應(yīng)力。應(yīng)力測量方法為側(cè)傾固定動法，定峰方法為交相關(guān)法，Cr靶Kα特征輻射，時間常數(shù)1. 5s,階梯掃描步進(jìn)角0. 1º，掃描起始角及終止角分別為162 º和146 º，側(cè)傾角Ψ分別取0 º 、20 º 、35 º和45 º，應(yīng)力常數(shù)K=-318MPa/度。

如圖3所示，基體殘余壓應(yīng)力值X向為118MPa,Y向為127MPa，超細(xì)WC熔覆層殘余壓應(yīng)力X向為468MPa, Y向為566MPa，說明H13表面經(jīng)激光熔覆超細(xì)WC處理后表面殘余壓應(yīng)力得到了顯著的提高。表面存在較大殘余壓應(yīng)力有利于提高熱作模具的抗疲勞壽命。這是由于在激光熔池作用下，外界WC以及其他元素的介人，以固溶體或化合物的形式進(jìn)人到熔覆層，物相發(fā)生變化，迅速冷卻的熔池沒法使加人的WC完全與基體元素熔合均勻，使得晶體內(nèi)部位錯大量增加，因而表面表現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，另外從“圓弧形”熔覆層也可以看出，激光掃描過程中，激光掃描方向(Y向) 的截面熔覆層尺寸(Z向)為熔覆層最大厚度，而X向熔覆厚度以弧形遞減，所以Y向較X向的殘余應(yīng)力要大得多。

圖3 激光處理前后殘余應(yīng)力比較

3. 2微觀形貌及分析

從圖4(a)可以看出整個熔覆層組織的形貌，從表至里依次為等軸晶、柱狀樹枝晶、細(xì)小的胞狀晶和平面晶混合的結(jié)合帶;圖4(b)為熔覆層的SEM照片，從圖中可以看出整個熔覆層主要是由網(wǎng)狀晶界以及由其包圍的晶粒組成，晶粒大小6μm左右，相對圖4(c)基體中的如箭頭所示的奧氏體晶界(40μm左右)而言晶粒已經(jīng)得到極大的細(xì)化;圖4(d)為熔覆層的XRD的物相結(jié)果，從圖4(d)熔覆層的XRD的物相分析的結(jié)果得知，熔覆層的物相較為復(fù)雜，主要有Fe-Cr, W3 C, Fe., W3 C, Fe3 C3 , W , Cr和C0.14Fe1.86。從物相結(jié)果可以知道，在本次實驗條件下，WC在溶池中分解得比較充分，高溫下，C原子活性比較大，擴(kuò)散能力較強(qiáng)，擴(kuò)散過程中遇到來自基體的Fe元素，與之結(jié)合成穩(wěn)定的Fe7C3，而隨著C原子的減少，熔池存在的時間又短，又沒有來自基體中的碳原子補(bǔ)充，因此多出來的W原子只能以多個W原子與一個碳原子結(jié)合的形式生成另一種缺碳相W3 C,，甚至與來自基體的Fe原子共用C原子形成復(fù)式高穩(wěn)定硬質(zhì)相Fe3W3C，直到熔池中的C原子消耗結(jié)束，還有C:和少量W沒有形成化合物而以單質(zhì)的形式存在于熔覆層中;另外一種C0.34Fe1.86。相的出現(xiàn)更加說明了C原子在熔池中的缺乏。物相結(jié)果同樣表明，F(xiàn)e3 W3C和Fe-Cr是組成熔覆層框架的相，硬質(zhì)相Fe3 W3 C顆粒在液相表面張力的推動下發(fā)生位移，顆粒表面的原子逐漸溶解于液相，并隨溫度的升高而增加，由于移動，顆粒之間開始靠攏、接觸形成堅固的固相骨架，研究結(jié)果表明激光熔覆WC形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為Fe-W-C相，和生成的Fe7 C3 , W3C, Fe-Cr相和Fe液一起填充于骨架之間的間隙和空洞中，形成如圖4(b)所示的組織結(jié)構(gòu)。

圖4 激光WC熔覆層截面組織形貌及分析

3. 3硬度和耐磨性分析

用HXD-1000型顯微硬度計，載荷200g、加載時間15s,測得硬度曲線如圖5(a)所示，熔覆層截面四個區(qū):熔覆層、過渡區(qū)、熱影響區(qū)和基體，也可以在層深硬度曲線上得到很好的體現(xiàn)，它反應(yīng)了各個不同區(qū)域之間的組織的差異。在表面和基體分別測五個點求平均值，測得處理后熔覆層表面的硬度為831HV0.2，基體硬度為465HV0.2，可見經(jīng)過激光處理后的熔覆層的硬度得到了顯著的提高，主要是由于熔覆層的網(wǎng)狀穩(wěn)定硬質(zhì)相Fe3 W3 C將硬質(zhì)相Fe3 C3 , W3 C, Fe-Cr圍在其間隙的晶粒中，硬質(zhì)相的存在以及網(wǎng)狀Fe3 W3 C相的牽引作用，有效的抵制了熔覆層在載荷作用時發(fā)生微形變，從而提高了熔覆層的表面硬度。

為了進(jìn)一步分析熔覆層的性能，將試樣線切割成8*8mm2厚2mm的矩形片狀試塊，用WM-2002型摩擦磨損試驗儀，載荷250g，轉(zhuǎn)速800r/min,摩擦副為Si3 N4陶瓷球測試，測試時間均為2小時，兩種狀態(tài)下的摩擦系數(shù)和磨損失重結(jié)果如圖5(b)所示，激光超細(xì)WC熔覆層的平均摩擦系數(shù)和失重都分別為H13基體的3/4和5/8。這主要是由于超細(xì)硬質(zhì)WC的加人，在激光熔池的作用中下，生成的硬質(zhì)相Fe3C3,W3C增加了形核率，同時異質(zhì)點的介人有效的阻礙了晶粒長大，使晶粒極大的細(xì)化，在快速冷卻過程中形成大量的位錯，在受外載荷作用時，由于位錯阻礙作用，硬質(zhì)點的支撐作用，網(wǎng)狀骨架Fe3W3C的牽引作用，晶粒之間結(jié)合的非常緊密，熔覆層不容易產(chǎn)生變形和粘著，進(jìn)而有如圖5(b)所示平滑的摩擦系數(shù)曲線，因而有效提高了耐磨性。

(a) 截面層深硬度曲線

(b) 熔覆層表面摩擦磨損曲線
圖5

3. 4實物模具的處理和分析

采用優(yōu)化過的工藝參數(shù)對十字鍛模具進(jìn)行寬帶激光處理，結(jié)果如圖6所示，如圖箭頭所示部位:表面形貌與試樣的表面形貌一樣平整光滑，無裂紋氣孔缺陷;搭接處過渡自然，而且保持著形腔的原貌;模具表面用手提式硬度計測量為780HV，經(jīng)過0. 4mm厚的熔覆層(圖2)，熔覆層與基體之間的冶金結(jié)合，保證了模具在使用過程中不與滲層和PVD層一樣薄而且容易氧化、脫落;從摩擦磨損過程中小的摩擦系數(shù)和磨損量，也同樣說明堅硬和光滑的表面可以保證沖壓時易于脫模，從而提高模具的沖壓件數(shù)。

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