H13 模具鋼相當(dāng)于國(guó)產(chǎn) 4Cr5MoSiV1 鋼 , 具有較高的淬透性和淬硬性, 主要用于制造壓鑄模、輕金屬擠壓模、鍛模和塑料用模具 、蝸桿 、滲碳頂桿及熱剪切刀片等。熱作模具在使用過(guò)程中承受著熱疲勞、沖蝕、應(yīng)力腐蝕 、表面熱焊合等物理、化學(xué)的作用, 因而其使用壽命較低 。目前我國(guó)鋁壓鑄模具的一般使用壽命為 2～10萬(wàn)次, 僅為工業(yè)先進(jìn)國(guó)家的 1/3 ～ 1/5。眾所周知,模具的失效首先是從表面開(kāi)始的,雖然常規(guī)的化學(xué)熱處理、堆焊、電火花表面強(qiáng)化 、PVD、CVD 等方法均可在一定的程度上延長(zhǎng)模具的使用壽命, 但上述方法存在工藝復(fù)雜 ,處理周期長(zhǎng) ,或是處理后模具存在較大畸變,或是形成的鍍層薄而脆, 磨損極快 , 容易出現(xiàn)早期裂紋等缺點(diǎn) ,在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的問(wèn)題, 因而探索出一種提高 H13鋼表面性能的實(shí)用新工藝 ,將具有重要的實(shí)際意義。理想的表面改性涂層應(yīng)與基體保持良好的結(jié)合, 具有足夠的厚度, 無(wú)缺陷 , 適宜的物理化學(xué)等性能,激光表面工程可有效地改善材料的表面性能，對(duì)于模具表面強(qiáng)化, 修復(fù)及提高使用壽命效果顯著。本文采用高能束激光熔融處理, 在 H13 鋼表面獲得激光熔凝層, 在不改變模具鋼表面成分的條件下 ,實(shí)現(xiàn)鋼基表面的“自強(qiáng)化”,并結(jié)合鋁合金壓鑄模的實(shí)際使用情況 ,對(duì)熔凝層的組織結(jié)構(gòu) ,硬度 、耐磨 、耐蝕性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 為提高 H13 鋼壓鑄模使用壽命提出了有效的途徑。

1 　 試驗(yàn)材料 、工藝及方法

1.1　 試驗(yàn)材料及激光熔凝處理工藝

試驗(yàn)基材為經(jīng)淬火及回火處理的 H13 熱作模具鋼,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)為:0.32 ～ 0.45C 、0.8～ 1.2Si 、0.2～ 0.5Mn、4.75 ～ 5.5Cr、0.8 ～ 1.2Mo、1.1～1.75V 。樣品表面經(jīng)砂紙打磨、噴砂 、清洗 、干燥后施行黑化處理, 采用 TJ-HL-2000 型 CO2 激光器進(jìn)行熔凝處理,最佳工藝參數(shù)為:輸出功率為1200W, 光斑直徑為3mm ,焦距為 300mm , 激光束掃描速率為 400mm/min,大面積激光掃描搭接率為 30%。

1.2　 試驗(yàn)方法

金相樣品的制備取自垂直于激光束掃描方向的橫截面。采用 Olympus BX60 型光學(xué)圖像分析系統(tǒng)分析熔凝層的組織形貌;用 D/max2500PC 型 X 射線衍射儀測(cè)定基材及熔凝層的相結(jié)構(gòu) ,CuK α 衍射 , 衍射束石墨濾光器單色化 , 電壓為 40kV, 電流為 40mA, 掃描速度為1.5(°)/min,掃描范圍在 30(°)～ 85(°)。采用 HVS-1000 數(shù)顯式顯微硬度計(jì)測(cè)量熔凝層的硬度 ,載荷砝碼為200g ,加載時(shí)間 15s;用MS-38型往復(fù)式磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損性能的評(píng)定 ,樣品尺寸為 30mm×25mm×10mm , 激光處理面為 30mm ×25mm , 樣品表面粗糙度R a =0.2μm, 摩擦副為油石(粒度 0.063mm),潤(rùn)滑油為N32號(hào)機(jī)油 , 滴量為10 ～ 12 滴/h, 磨損試驗(yàn)參數(shù):行程為 200mm, 磨損線速度為 400mm/s, 載荷為25N,每 10min 用感量為 0.01mg 分析天平測(cè)定樣品的磨損失重 ,并添加潤(rùn)滑油 。

　 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)樣品的尺寸為 10mm ×10mm ×10mm, 熔凝面磨制成金相樣品, 并用 1μm 鉆石膏研磨。利用 EG&G Parc 273型恒電位儀測(cè)定基材及激光熔凝層的電化學(xué)極化曲線, 從而確定熔凝層的電化學(xué)腐蝕性能。為接近實(shí)際工況 , 腐蝕介質(zhì)為工業(yè)中壓鑄鋁合金工件使用的脫模劑, 23℃恒溫 , 用飽和甘汞電極(SEC)作參比電極, 鉑電極作輔助電極 ,預(yù)先測(cè)定樣品在介質(zhì)中的自腐蝕電位 , 待體系穩(wěn)定后測(cè)定電化學(xué)極化曲線 ,初始電位設(shè)定為小于自腐蝕電位 200mV,電位掃描速度為1mV/s。

2 　 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　 激光熔凝層的組織結(jié)構(gòu)

圖1 為 H13 熱作模具鋼基材的組織形貌 ,其組織為回火索氏體;圖 2 為經(jīng)激光熔凝處理后熔凝層的組織形貌, 熔凝層厚度約為 0.5mm ,組織致密、無(wú)孔洞及裂紋等缺陷 。由圖 2 可以看出, H13 鋼經(jīng)激光熔凝處理后其組織發(fā)生明顯的變化, 由表及里依次為熔凝區(qū)、過(guò)渡區(qū)、相變硬化區(qū)和熱影響區(qū),其中過(guò)渡區(qū)和熱影響區(qū)分布較窄,分布區(qū)界限不明顯。激光熔凝掃描時(shí), 熔池內(nèi)金屬熔體的凝固是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程 ,隨著激光束的連續(xù)掃描 ,熔池中金屬的熔化和凝固同時(shí)進(jìn)行 ,熔池的底部與被加熱至微熔狀態(tài)的固態(tài)母材晶粒相接觸, 非均勻晶核依附于這個(gè)表面形核,其形核率顯著提高,從而使熔凝層的結(jié)晶組織明顯細(xì)化。H13鋼激光熔凝層的結(jié)晶形態(tài)取決于熔池內(nèi)形狀控制因子 , 即熔池內(nèi)結(jié)晶方向上的溫度梯度 G和凝固速度 R 之比 G/R 。在熔池的底部 R 趨于0, 而此處的溫度梯度最大, 這樣 G/R 值很大, 因而熔池底部的凝固組織以極低的生長(zhǎng)速率沿晶界或相界呈外延式生長(zhǎng);而熔凝層的中部, 隨 R 的增大和 G/R 逐漸減小,沿?zé)崃鞣较蛐纬梢?guī)則的柱狀與樹(shù)枝狀混合的晶體生長(zhǎng)形態(tài) ;在熔池的頂部 ,則形成極其細(xì)密的樹(shù)枝晶。圖3 為 H13 鋼基材(Ⅰ)及激光熔凝層(Ⅱ)的X射線衍射譜,由圖 3可知與基材相比 ,激光熔凝層增加了Cr7C3 、Cr23C6和MoC碳化物。

2.2　 激光熔凝層的磨損性能

圖4 為H13鋼激光熔凝層硬度分布曲線 ,圖5 為磨損曲線。由圖 4可見(jiàn),H13鋼經(jīng)激光熔凝處理后表面硬度明顯提高 。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)隨激光束掃描速率的提高 ,熔凝層硬度有增加的趨勢(shì) ,綜合考慮熔凝處理的影響因素,本試驗(yàn)采用 400mm/min的掃描速率。從熔凝層X(jué)射線結(jié)構(gòu)分析結(jié)果可知,熔凝層中含有許多新的碳化物強(qiáng)化相,這種結(jié)構(gòu)是在常規(guī)熱處理狀態(tài)下難以得到的,因而碳化物彌散強(qiáng)化及快速熔凝的固溶強(qiáng)化將對(duì)熔凝層抗磨損性能的提高起到有益的作用。通過(guò)金相觀察可以看出, 激光熔凝處理后, 其組織明顯細(xì)化, 由 Hall-Petch公式:σs =σ0 +Kyd^(-1/2) 可知, 細(xì)密的熔凝層組織產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化 ,有利于提高熔覆層的屈服強(qiáng)度 ,使之在磨損過(guò)程中減少物料轉(zhuǎn)移 ,并抵抗摩擦副磨粒的磨削。2.3　 激光熔凝層的電化學(xué)腐蝕性能金屬材料在結(jié)晶過(guò)程中由于成分偏析而導(dǎo)致成分分布不均勻,相界、晶界的存在等原因?qū)е挛⒂^結(jié)構(gòu)的不均勻,同時(shí)晶體中固有缺陷的存在,均造成表面自由能出現(xiàn)較大的起伏, 導(dǎo)致表面自由能不均勻, 因而引起較大的電勢(shì)差, 形成局部腐蝕原電池。由腐蝕原電池的基本原理可知 ,對(duì)于同一種材料 ,其在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率隨表面局部電勢(shì)差的增大而遞增。鋁合金壓鑄模在實(shí)際使用過(guò)程中, 為提高壓鑄件的表面質(zhì)量 ,同時(shí)增加模具的冷卻效果, 常在模具上噴灑脫模劑, 這樣不可避免造成模具表面的電化學(xué)腐蝕。圖6 為H13 鋼基材及激光熔凝層在脫模劑介質(zhì)中的電化學(xué)陽(yáng)極極化曲線 。由圖6 可以看出,與基材相比 ,熔凝層的自腐蝕電位明顯正移, 由-427mV 上升為-281mV, 腐蝕電流為H13 鋼基材的40%, 維鈍電流密度由10^(-2) A·cm^(-2)下降至10^(-5) A·cm^(-2) 。H13 鋼激光表面熔凝處理 ,利用激光快速加熱, 迅速冷卻的特點(diǎn), 可使材料的表面結(jié)構(gòu)、成分等均勻化 , 減小了表面局部自由能的差異, 從而使其電化學(xué)腐蝕性能明顯改善。

3 　 結(jié)論

(1) 采用激光熔凝強(qiáng)化處理, 在 H13 鋼表面獲得了無(wú)缺陷的熔凝層 , 熔凝層組織呈定向生長(zhǎng)形態(tài)。X射線分析表明熔凝層析出了彌散的 Cr7C3 、Cr23C6 和MoC碳化物 。

(2) H13鋼經(jīng)激光熔凝處理后,其顯微硬度有一定的提高。磨粒磨損試驗(yàn)表明,激光熔凝層的耐磨性能為H13鋼基體的1.8 倍,其強(qiáng)化機(jī)制主要是激光快速熔凝的過(guò)飽和固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和碳化物彌散強(qiáng)化。

(3) H13鋼經(jīng)激光熔凝處理后 ,其耐腐蝕性能得到改善,自腐蝕電位正移 ,維鈍電流明顯減小 。