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1 引言
為了適應熱作模具惡劣的環境，提高使用壽命，除了要求熱作模具鋼本身應具有高的韌性和塑性、小的熱膨脹系數和好的導熱性等優異的力學性能和使用性能外，特別對于與工件直接接觸的模具表面更應具有高的熱強度、良好的抗回火性，因此，傳統的采用各種(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，而且容易發生氧化、剝落而導致失效，最好的解決辦法就是在模具材料表面涂覆硬膜，采用激光熔覆技術可以有效的引人諸如WC等高溫硬質合金熔覆層，并且與基體形成冶金結合，同時獲得良好耐磨性。 H13 ( 4Cr5MoSiV1)鋼是國際廣泛應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構、硬度、耐磨性和殘余應力。
圖1 超細WC粉末SEM照片 2 試驗材料及工藝方法 基體材料為回火態的H13鋼，試樣尺寸為100mm* 50mm * 20mm，其化學成分如表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。 用氫氣作為保護氣體，并將氣體保護裝置固定在激光聚焦鏡上，隨鏡頭移動，實時對熔池進行氣體保護，采用最大功率為7 kW的連續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的激光工藝參數條件下對試塊表面進行激光處理。 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、微觀結構、物相以及失重等進行檢測和分析。采用X-350A型X射線應力測定儀進行熔覆層殘余應力分析。 3 試驗結果及分析 3. 1宏觀形貌及殘余應力 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，熔覆層截面可以分為四個區:熔覆層、過渡區(熔覆層與熱影響區的交界)、熱影響區和基體;熔覆層的厚度約為0. 4mm.
圖2 激光熔覆層WC的宏觀形貌 用X-350A型X射線應力測定儀來測定其表面殘余應力。 如圖3所示，基體殘余壓應力值X向為118MPa,Y向為127MPa，超細WC熔覆層殘余壓應力X向為468MPa, Y向為566MPa，說明H13表面經激光熔覆超細WC處理后表面殘余壓應力得到了顯著的提高。表面存在較大殘余壓應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人到熔覆層，物相發生變化，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，使得晶體內部位錯大量增加，因而表面表現殘余壓應力，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向的殘余應力要大得多。
圖3 激光處理前后殘余應力比較 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、細小的胞狀晶和平面晶混合的結合帶;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)而言晶粒已經得到極大的細化;圖4(d)為熔覆層的XRD的物相結果，從圖4(d)熔覆層的XRD的物相分析的結果得知，熔覆層的物相較為復雜，主要有Fe-Cr, W3 C, Fe., W3 C, Fe3 C3 , W , Cr和C0.14Fe1.86。從物相結果可以知道，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，擴散能力較強，擴散過程中遇到來自基體的Fe元素，與之結合成穩定的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原子形成復式高穩定硬質相Fe3W3C，直到熔池中的C原子消耗結束，還有C:和少量W沒有形成化合物而以單質的形式存在于熔覆層中;另外一種C0.34Fe1.86。相的出現更加說明了C原子在熔池中的缺乏。物相結果同樣表明，Fe3 W3C和Fe-Cr是組成熔覆層框架的相，硬質相Fe3 W3 C顆粒在液相表面張力的推動下發生位移，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，研究結果表明激光熔覆WC形成的網狀結構為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)所示的組織結構。
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:熔覆層、過渡區、熱影響區和基體，也可以在層深硬度曲線上得到很好的體現，它反應了各個不同區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狀穩定硬質相Fe3 W3 C將硬質相Fe3 C3 , W3 C, Fe-Cr圍在其間隙的晶粒中，硬質相的存在以及網狀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生微形變，從而提高了熔覆層的表面硬度。 為了進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，兩種狀態下的摩擦系數和磨損失重結果如圖5(b)所示，激光超細WC熔覆層的平均摩擦系數和失重都分別為H13基體的3/4和5/8。這主要是由于超細硬質WC的加人，在激光熔池的作用中下，生成的硬質相Fe3C3,W3C增加了形核率，同時異質點的介人有效的阻礙了晶粒長大，使晶粒極大的細化，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，硬質點的支撐作用，網狀骨架Fe3W3C的牽引作用，晶粒之間結合的非常緊密，熔覆層不容易產生變形和粘著，進而有如圖5(b)所示平滑的摩擦系數曲線，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 3. 4實物模具的處理和分析 采用優化過的工藝參數對十字鍛模具進行寬帶激光處理，結果如圖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，經過0. 4mm厚的熔覆層(圖2)，熔覆層與基體之間的冶金結合，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。
圖6 激光處理后十字鍛模具 4結論 在H13表面寬帶激光熔覆超細WC可獲得可以實現大面積的搭接較為理想的熔覆層，表面平整光滑，且表面殘余壓應力得到較大的提高。 超細WC的加人細化了晶粒，熔覆層由等軸晶、柱狀樹枝晶、細小的胞狀晶組成，主要相為Fe3C3, W3 C, Fe3 W3 C, F3, C3 , W和C0.14.Fe1.86，主要的骨架為Fe3 W3C網狀結構。 熔覆層顯微硬度為基體的1. 8倍，摩擦系數和磨損量分別為基體的3/4和5/8，由于細晶強化、硬質點支撐作用，位錯的阻礙作用和網狀骨架Fe3 W3C牽引作用，使得熔覆層顯示出較好的硬度和耐磨性。 實物模具處理效果良好，說明寬帶激光熔覆超細WC為熱鍛模提供了一種有效實用的表面強化工藝。 |
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