1引言

　　為了適應(yīng)熱作模具惡劣的環(huán)境卿才，提高使用壽命抬奠，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)性能和使用性能外故碱，特別對(duì)于與工件直接接觸的模具表面更應(yīng)具有高的熱強(qiáng)度鞋夹、良好的抗回火性，因此炎殃，傳統(tǒng)的采用各種(氮孕炒、碳、硫等)溶滲以及PVD工藝來提高模具的使用壽命，有較好的效果仪但，但在熱作模的工況條件下潦博，改性層表面較薄，而且容易發(fā)生氧化呀净、剝落而導(dǎo)致失效竖怯，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)合金熔覆層好猪，并且與基體形成冶金結(jié)合胀茵，同時(shí)獲得良好耐磨性。

　　H13 ( 4Cr5MoSiV1)鋼是國(guó)際廣泛應(yīng)用的一種空冷硬化熱作模具鋼挟阻。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)合金熔覆層琼娘，并分析了熔覆層的微觀組織結(jié)構(gòu)、硬度赁濒、耐磨性和殘余應(yīng)力轨奄。

　　2試驗(yàn)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拒炎，其化學(xué)成分如表1挪拟，實(shí)驗(yàn)前對(duì)試樣表面打磨，然后用無水乙醇清洗击你。

　　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玉组，用超聲波對(duì)溶液進(jìn)行一個(gè)小時(shí)的均勻化處理后，涂覆約0. 2mm厚的薄層在試樣的表面上丁侄，然后吹干惯雳。

　　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鸿摇，隨鏡頭移動(dòng)曾罕，實(shí)時(shí)對(duì)熔池進(jìn)行氣體保護(hù)，采用最大功率為7 kW的連續(xù)CO皮卸。激光器礼文，在光斑尺寸為9*2mm2，掃描速度為0.25~0.40m/min猿池，功率為2~3kW的激光工藝參數(shù)條件下對(duì)試塊表面進(jìn)行激光處理繁惦。

　　制備好試樣，用HXD-1000型顯微硬度計(jì)罚蛾、WM-2002型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)儀越匕、Hitachi S-4700(II)型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、Thermo NORAN VAN-TAGS EIS能譜儀缩笤、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(duì)硬度煎敢、耐磨性汞潦、表面形貌、元素分布劣零、微觀結(jié)構(gòu)钟助、物相以及失重等進(jìn)行檢測(cè)和分析。采用X-350A型X射線應(yīng)力測(cè)定儀進(jìn)行熔覆層殘余應(yīng)力分析掏秩。

　　3試驗(yàn)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或舞，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蒙幻，可以看出熔覆層表面平整光滑映凳，且沒有裂紋氣孔出現(xiàn)，熔覆層截面可以分為四個(gè)區(qū):熔覆層邮破、過渡區(qū)(熔覆層與熱影響區(qū)的交界)诈豌、熱影響區(qū)和基體;熔覆層的厚度約為0. 4mm.

　　為了獲得較大面積熔覆層，試驗(yàn)過程我們采用了搭接的辦法抒和，從圖2中也可看出搭接地方熔覆層過渡自然矫渔，這對(duì)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(cè)定儀來測(cè)定其表面殘余應(yīng)力摧莽。應(yīng)力測(cè)量方法為側(cè)傾固定動(dòng)法庙洼，定峰方法為交相關(guān)法，Cr靶Kα特征輻射镊辕，時(shí)間常數(shù)1. 5s,階梯掃描步進(jìn)角0. 1o油够，掃描起始角及終止角分別為162o和146o，側(cè)傾角Ψ分別取0o掸柏、20o虹烈、35o和45o，應(yīng)力常數(shù)K=-318MPa/度椒玖。

　　如圖3所示裳岳，基體殘余壓應(yīng)力值X向?yàn)?18MPa,Y向?yàn)?27MPa，超細(xì)WC熔覆層殘余壓應(yīng)力X向?yàn)?68MPa, Y向?yàn)?66MPa胯夏，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诺骏。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敌菩，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)人到熔覆層坡循，物相發(fā)生變化疏拱，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(cuò)大量增加肯拨，因而表面表現(xiàn)殘余壓應(yīng)力榕每，另外從“圓弧形”熔覆層也可以看出腹呀，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)為熔覆層最大厚度栏尚，而X向熔覆厚度以弧形遞減起愈，所以Y向較X向的殘余應(yīng)力要大得多。

　　3. 2微觀形貌及分析

　　從圖4(a)可以看出整個(gè)熔覆層組織的形貌译仗，從表至里依次為等軸晶抬虽、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照片纵菌，從圖中可以看出整個(gè)熔覆層主要是由網(wǎng)狀晶界以及由其包圍的晶粒組成阐污，晶粒大小6μm左右，相對(duì)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)果咱圆，從圖4(d)熔覆層的XRD的物相分析的結(jié)果得知笛辟，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序苏。從物相結(jié)果可以知道手幢，在本次實(shí)驗(yàn)條件下，WC在溶池中分解得比較充分忱详，高溫下围来，C原子活性比較大，擴(kuò)散能力較強(qiáng)牺缰，擴(kuò)散過程中遇到來自基體的Fe元素田蕴，與之結(jié)合成穩(wěn)定的Fe7C3，而隨著C原子的減少醋咒，熔池存在的時(shí)間又短负稚，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(gè)W原子與一個(gè)碳原子結(jié)合的形式生成另一種缺碳相W3 C,晦苞，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央改，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浊娄。相的出現(xiàn)更加說明了C原子在熔池中的缺乏仑锥。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矗夯，硬質(zhì)相Fe3 W3 C顆粒在液相表面張力的推動(dòng)下發(fā)生位移德州，顆粒表面的原子逐漸溶解于液相，并隨溫度的升高而增加施翰，由于移動(dòng)窝革，顆粒之間開始靠攏、接觸形成堅(jiān)固的固相骨架吕座，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相虐译，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瘪板，形成如圖4(b)所示的組織結(jié)構(gòu)。

　　3. 3硬度和耐磨性分析

　　用HXD-1000型顯微硬度計(jì)漆诽，載荷200g侮攀、加載時(shí)間15s,測(cè)得硬度曲線如圖5(a)所示，熔覆層截面四個(gè)區(qū):熔覆層厢拭、過渡區(qū)兰英、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)蚪腐，它反應(yīng)了各個(gè)不同區(qū)域之間的組織的差異箭昵。在表面和基體分別測(cè)五個(gè)點(diǎn)求平均值，測(cè)得處理后熔覆層表面的硬度為831HV0.2回季，基體硬度為465HV0.2家制，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泡一，硬質(zhì)相的存在以及網(wǎng)狀Fe3 W3 C相的牽引作用裕消，有效的抵制了熔覆層在載荷作用時(shí)發(fā)生微形變，從而提高了熔覆層的表面硬度肋森。

　　為了進(jìn)一步分析熔覆層的性能顶怠，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(yàn)儀烈杠，載荷250g腻学，轉(zhuǎn)速800r/min,摩擦副為Si3 N4陶瓷球測(cè)試，測(cè)試時(shí)間均為2小時(shí)跃百，兩種狀態(tài)下的摩擦系數(shù)和磨損失重結(jié)果如圖5(b)所示券妹，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的加人患刻，在激光熔池的作用中下啰氏，生成的硬質(zhì)相Fe3C3,W3C增加了形核率，同時(shí)異質(zhì)點(diǎn)的介人有效的阻礙了晶粒長(zhǎng)大杠锻，使晶粒極大的細(xì)化赘双，在快速冷卻過程中形成大量的位錯(cuò)，在受外載荷作用時(shí)珍特，由于位錯(cuò)阻礙作用祝峻，硬質(zhì)點(diǎn)的支撐作用，網(wǎng)狀骨架Fe3W3C的牽引作用扎筒，晶粒之間結(jié)合的非常緊密莱找，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)曲線砸琅，因而有效提高了耐磨性宋距。

　　3. 4實(shí)物模具的處理和分析

　　采用優(yōu)化過的工藝參數(shù)對(duì)十字鍛模具進(jìn)行寬帶激光處理，結(jié)果如圖6所示症脂，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谚赎，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(jì)測(cè)量為780HV诱篷，經(jīng)過0. 4mm厚的熔覆層(圖2)壶唤，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棕所、脫落;從摩擦磨損過程中小的摩擦系數(shù)和磨損量闸盔，也同樣說明堅(jiān)硬和光滑的表面可以保證沖壓時(shí)易于脫模，從而提高模具的沖壓件數(shù)地垢。

　　4結(jié)論

　　在H13表面寬帶激光熔覆超細(xì)WC可獲得可以實(shí)現(xiàn)大面積的搭接較為理想的熔覆層满页，表面平整光滑，且表面殘余壓應(yīng)力得到較大的提高尊伟。

　　超細(xì)WC的加人細(xì)化了晶粒惑拙，熔覆層由等軸晶、柱狀樹枝晶野疟、細(xì)小的胞狀晶組成插呜，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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)廷碴。

　　熔覆層顯微硬度為基體的1. 8倍砾楞，摩擦系數(shù)和磨損量分別為基體的3/4和5/8，由于細(xì)晶強(qiáng)化就用、硬質(zhì)點(diǎn)支撐作用顿豹，位錯(cuò)的阻礙作用和網(wǎng)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裕砖。

　　實(shí)物模具處理效果良好蜒鸣，說明寬帶激光熔覆超細(xì)WC為熱鍛模提供了一種有效實(shí)用的表面強(qiáng)化工藝。

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