H13模具鋼激光熔凝層的組織和性能
H13 模具鋼相當于國產 4Cr5MoSiV1 鋼 ,淬透性和淬硬性高，主要用于制造壓鑄模具、輕金屬擠壓模具、鍛造模具和塑料模具 、蝸桿 、滲碳頂桿和熱剪刀片。熱作模具在使用過程中承受熱疲勞、沖蝕和應力腐蝕 、物理化學作用，如表面熱焊合，使用壽命較低 。目前，我國鋁壓鑄模具的一般使用壽命為 2～10萬次,工業先進國家 1/3 ～ 1/5。眾所周知，模具的故障始于表面，盡管常規化學熱處理、堆焊和電火花表面強化 、PVD、CVD 模具的使用壽命可以在一定程度上延長，但上述方法工藝復雜 ,處理周期長 ,或模具處理后變形較大，或鍍層薄脆，磨損快 ,早期裂紋等缺點容易出現 ,在實際應用中存在一些問題，因此探索了一種改進 H13鋼表面性能的實用新工藝 ,它將具有重要的現實意義。理想的表面改性涂層應與基體結合良好，厚度足夠，無缺陷 ,激光表面工程具有適當的物理化學性能，能有效提高材料的表面性能，對模具表面的強化、修復和提高使用壽命有顯著作用。本文采用高能束激光熔化處理，在 H13 在不改變模具鋼表面成分的情況下，在鋼表面獲得激光熔凝層 ,結合鋁合金壓鑄模自強化 ,熔凝層的組織結構 ,硬度 、耐磨 、綜合評價耐腐蝕性，以提高耐腐蝕性 H13 鋼壓鑄模的使用壽命提出了有效途徑。
1 試驗材料 、工藝及方法
1.1 試驗材料及激光熔處理工藝
試驗基材經淬火回火處理 H13 熱作模具鋼，其化學成分(質量分數，%)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 。樣品表面用砂紙打磨，噴砂 、清洗 、干燥后進行黑化處理 TJ-HL-2000 型 CO2 最佳工藝參數為：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 30%。1.2 試驗方法
從垂直于激光束掃描方向的橫截面制備金相樣品。 Olympus BX60 型光學圖像分析系統分析熔凝層的組織形狀； D/max2500PC 型 X 射線衍射儀測定基材和熔凝層的相結構 ,CuK α 衍射 ,衍射束石墨濾光器單色化化 ,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 數顯微硬度計測量熔凝層的硬度 ,載荷砝碼為200g ,加載時間 15s;用MS-評估38型往復磨損試驗機的磨損性能 ,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),潤滑油為N32號機油 ,滴量為10 ～ 12 滴/h,磨損試驗參數：行程 200mm,磨損線速度為 400mm/s,載荷為25N,每 10min 用感量為 0.01mg 樣品磨損損失重分析天平測定 ,加潤滑油 。電化學腐蝕試驗樣品的尺寸為 10mm ×10mm ×10mm,熔凝面磨成金相樣品，用 1μm 研磨鉆石膏 EG&G Parc 273型恒電位儀測定基材及激光熔凝層的電化學極化曲線,從而確定熔凝層的電化學腐蝕性能。為接近實際工況 ,腐蝕介質是工業壓鑄鋁合金工件中使用的脫模劑，23℃恒溫 ,飽和甘汞電極(SEC)作為參考電極，鉑電極作為輔助電極 ,介質中樣品的自腐蝕電位預先測定 ,電化學極化曲線在系統穩定后測定 ,初始電位小于自腐蝕電位 200mV,電位掃描速度為1mV/s。
2 測試結果及分析
2.1 激光熔凝層的組織結構
圖1 為 H13 熱作模具鋼基材的組織形態 ,其組織為回火索氏體；圖 2 為經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、無孔、裂紋等缺陷 。由圖 2 可以看出,H13 激光熔凝處理后，鋼的組織發生明顯變化，包括熔凝區、過渡區、相變硬化區和熱影響區，其中過渡區和熱影響區分布狹窄，分布區邊界不明顯。激光熔凝掃描，熔池中金屬熔體的凝固是一個動態過程 ,隨著激光束的連續掃描 ,熔池中金屬的熔化和凝固同時進行 ,熔池底部接觸加熱到微熔狀態的固態母晶粒，不均勻晶核附著在表面形核上，形核率顯著提高，使熔凝層的結晶組織明顯細化。H13鋼激光熔凝層的結晶形態取決于熔池的形狀控制因子 ,即熔池結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,這里的溫度梯度最大，所以 G/R 值很大，因此熔池底部的凝固組織沿晶界或相界以極低的生長，生長速度極低；熔凝層的中間隨之而來 R 的增大和 G/R 逐漸減少，沿熱流方向形成規則柱和樹枝混合的晶體生長形式 ;熔池頂部 ,形成極細的枝晶。 為 H13 鋼基材(Ⅰ)激光熔凝層(Ⅱ)的X射線衍射譜,由圖 與基材相比，3可知 ,激光熔凝層增加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 磨損曲線 4可見,H激光熔化后13鋼表面硬度明顯提高 。試驗還發現，隨著激光束掃描率的提高 ,熔凝層硬度呈上升趨勢 ,本試驗綜合考慮了熔凝處理的影響因素 400mm/min掃描速率。從熔凝層X射線結構的分析結果可以看出，熔凝層中含有許多新的碳化物強化相，在傳統的熱處理狀態下難以獲得。因此，碳化物擴散強化和快速熔凝固溶強化將有利于提高熔凝層的耐磨性。從金相觀察可以看出，激光熔凝處理后，其組織明顯細化，由 Hall-Petch公式:σs =σ0 Kyd^(-1/2) 可以看出，細熔凝層組織產生的細晶強化 ,有利于提高熔覆層的屈服強度 ,減少磨損過程中的物料轉移 ,并抵抗摩擦副磨粒的磨削。.3 激光熔凝層的電化學腐蝕性金屬材料由于結晶過程中成分分布不均勻、相界、晶界存在等原因導致微結構不均勻，同時，晶體中固有缺陷的存在會導致表面自由能波動較大，導致表面自由能不均勻，導致電位差大，形成局部腐蝕原電池。腐蝕原電池的基本原理 ,對于同一種材料 ,腐蝕介質中的腐蝕率隨著局部表面電勢差的增加而增加。在實際使用過程中，為了提高壓鑄件的表面質量 ,同時增加模具的冷卻效果，經常在模具上噴灑脫模劑，不可避免地造成模具表面的電化學腐蝕。 為H13 脫模劑介質中鋼基材和激光熔凝層的電化學陽極極化曲線 。由圖6 可以看出，與基材相比， ,熔凝層的自腐蝕電位由-427明顯正移mV 上升為-281mV,腐蝕電流為H13 維鈍電流密度為鋼基材的40%^(-2) A·cm^(-2)下降至10^(-5) A·cm^(-2) 。H13 鋼激光表面熔凝處理 ,利用激光快速加熱和快速冷卻的特點，可以均勻化材料的表面結構和成分 ,減少局部表面自由能的差異，從而顯著提高其電化學腐蝕性能。3 結論
(1) 激光熔凝強化處理 H13 鋼表面獲得無缺陷熔凝層 ,熔凝層組織呈定向生長形式。X射線分析表明熔凝層分析了彌散 Cr7C3 、Cr23C6 和MoC碳化物 。
(2) H激光熔凝處理后，13鋼，其微硬度有所提高。磨粒磨損試驗表明，激光熔凝層的耐磨性為H13鋼基體的1.8 其強化機制主要是過飽和固溶強化、細晶強化和碳化物彌散強化。
(3) H13鋼經激光熔化處理后 ,其耐腐蝕性提高，自腐蝕電位正移 ,顯著降低了維鈍電流 。
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