3Cr2W 8V模具鋼激光表面相變硬化層性能的研究

況 敏,蘇玉長(zhǎng),鄧春明,馬文有,陳興馳

1.中南大學(xué),湖南長(zhǎng)沙 410083;2.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院),廣東廣州510650

3Cr2W 8V模具鋼激光表面相變硬化層性能的研究

況 敏1,2,蘇玉長(zhǎng)1,鄧春明2,馬文有2,陳興馳2

1.中南大學(xué),湖南長(zhǎng)沙 410083;2.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院),廣東廣州510650

采用優(yōu)化的工藝參數(shù),對(duì)3Cr2W 8V模具鋼表面進(jìn)行激光相變淬火硬化.通過(guò)對(duì)淬火層顯微組織分析及X射線衍射分析發(fā)現(xiàn),淬火層橫截面顯微組織為淬火馬氏體及少量殘余奧氏體,并且呈極細(xì)的針狀.對(duì)淬火層進(jìn)行維氏顯微硬度測(cè)試,結(jié)果表明,淬硬層有均勻硬化的特征.通過(guò)激光淬火層與普通淬火層磨損失重的對(duì)比發(fā)現(xiàn),激光淬火層的耐磨性較普通淬火層的耐磨性提高近一倍.

激光;相變硬化;淬火;性能

激光表面相變淬火硬化是近年來(lái)表面工程技術(shù)中一種新興的表面改性技術(shù),它是通過(guò)高能激光束掃描工件表面,工件表層材料將吸收的激光輻射能轉(zhuǎn)化為熱能,熱能通過(guò)傳導(dǎo)使周?chē)牧霞彼偕郎刂翃W氏體相變點(diǎn)以上、熔點(diǎn)以下的溫度,停止加熱后因材料基體的自冷作用,使被加熱的表層材料以超過(guò)馬氏體相變臨界冷卻速度急速冷卻,從而完成相變硬化.激光淬火過(guò)程中存在很大的過(guò)熱度和過(guò)冷度,使得淬硬層的晶粒超細(xì)、位錯(cuò)密度極高且在表層形成壓應(yīng)力,從而提高了工件的耐磨性、抗疲勞、耐腐蝕及抗氧化等性能,延長(zhǎng)了工件的使用壽命.在服役過(guò)程中,模具的表面需承受磨擦、沖擊及擠壓等各種復(fù)雜應(yīng)力,模具的失效大都由表面開(kāi)始.在我國(guó),模具鋼因表面磨損而引起的模具精度改變及模具早期失效,占各模具使用量的50%以上,特別是熱作模具鋼.

本文中采用國(guó)外新興的激光處理技術(shù),對(duì)目前最常用的3Cr2W 8V模具鋼的表面進(jìn)行處理,并對(duì)改性后模具鋼表層的性能進(jìn)行了研究.

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料及設(shè)備

試驗(yàn)材料為3Cr2W 8V模具鋼,其表面涂覆有吸光涂料,涂層厚度為40～70μm.試驗(yàn)設(shè)備為國(guó)產(chǎn)10000 W橫流CO2激光加工成套設(shè)備,其激光功率為3500 W、激光掃描速度為3 m/min,選用30 mm×1 mm的光斑積分鏡,激光掃描搭接尺寸為1.5 mm.

1.2 方 法

用Leica DM IRM型金相顯微鏡,觀察激光相變淬火硬化層的顯微組織;用JSM-5910型掃描電子顯微鏡,觀察淬火層橫截面微觀組織;用 X射線衍射儀,分析激光硬化層組織及結(jié)構(gòu);用M H-5D型數(shù)字顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量淬火層硬度梯度分布,其中載荷為1.96 N,保載時(shí)間為15 s;在 MUS-ISO3磨耗試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試淬火層抗磨損性,其中載荷為29.42 N,摩擦次數(shù)為8000次.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 組織形貌

試樣經(jīng)激光相變淬火硬化后,沿著垂直激光掃描方向截取試樣,經(jīng)鑲嵌研磨拋光后,用金相顯微鏡對(duì)橫截面形貌進(jìn)行觀察(圖1).從圖1可見(jiàn),白色弧形月牙狀區(qū)為激光淬火作用區(qū),而顏色略深的部分為后一道激光掃描與前一道激光掃描的搭接部分.

圖1 激光相變硬化橫截面形貌圖Fig.1 Topography of laser transformation hardening cross-section

圖2 激光相變硬化淬火區(qū)X射線衍射圖Fig.2 X-ray diffraction pattern of laser transformation hardening quenched zone

對(duì)白色月牙區(qū)進(jìn)行X射線衍射分析發(fā)現(xiàn),該區(qū)未見(jiàn)碳化物衍射峰,僅見(jiàn)馬氏體和少量殘余奧氏體的衍射峰(圖2).結(jié)合金相不易浸蝕的特點(diǎn),確認(rèn)該區(qū)域顯微組織為淬火馬氏體和殘余奧氏體.通過(guò)電鏡觀察淬火層橫截面微觀組織發(fā)現(xiàn),淬火馬氏體極細(xì)且呈針狀,平均針長(zhǎng)為1.28μm(圖3).

圖3 激光相變硬化淬火區(qū)微觀形貌圖Fig.3 M icro-topography of laser transformation hardening quenched zone

圖4為激光相變硬化回火區(qū)的X射線衍射圖.從圖4可見(jiàn):在回火區(qū)即顏色略深的搭接區(qū)出現(xiàn)少量碳化物衍射峰,說(shuō)明回火后有碳化物析出;可見(jiàn)馬氏體和少量殘余奧氏體的衍射峰,但殘余奧氏體衍射峰的強(qiáng)度較白色淬火區(qū)的弱,表明有一部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榱笋R氏體.通過(guò)電鏡觀察發(fā)現(xiàn),回火區(qū)馬氏體較淬火區(qū)馬氏體略微長(zhǎng)大,其平均針長(zhǎng)為1.40μm(圖 5).

圖4 激光相變硬化回火區(qū)X射線衍射圖Fig.4 X-ray diffraction pattern of laser transformation hardening tempered zone

圖5 激光相變硬化回火區(qū)微觀形貌圖Fig.5 M icro-topography of laser transfo rmation hardening tempered zone

2.2 硬 度

分別對(duì)淬火區(qū)和回火區(qū)進(jìn)行維氏顯微硬度梯度測(cè)試,圖6為淬火區(qū)和回火區(qū)的維氏顯微硬度曲線.從圖6可以看出:激光相變硬化層淬火區(qū)的平均硬度比回火區(qū)的高出8.5%;無(wú)論是淬火區(qū)還是回火區(qū)域,激光相變硬化層的硬度隨相變硬化深度的衰減變化不大,僅在小范圍內(nèi)窄幅波動(dòng),比較穩(wěn)定;在激光作用區(qū)外側(cè)即熱影響區(qū)域內(nèi),硬度則迅速衰減.

圖6 淬火區(qū)和回火區(qū)維氏顯微硬度曲線Fig.6 Vickers microhardness curves of quenched zone and tempered zone

2.3 磨 損

圖7為表面經(jīng)激光相變淬火及常規(guī)調(diào)質(zhì)表面未經(jīng)處理的試樣的磨損失重量曲線.從圖7可以看出,較常規(guī)淬火處理的試樣相比,激光相變硬化處理后試樣的磨損失重減少了50.12%.由材料的磨損失重與抗磨損關(guān)系可知,激光相變處理后試樣的表面抗磨損性能提高了近50.12%.

圖7 不同處理工藝試樣磨損失重曲線Fig.7 Wear weight loss curves of samples by different treatment p rocesses

圖8為常規(guī)熱處理和激光相變硬化處理后試樣的磨損表面形貌圖.從圖8可見(jiàn),試樣經(jīng)8000次摩擦后,經(jīng)激光相變硬化處理的試樣表面僅出現(xiàn)犁溝,而經(jīng)常規(guī)熱處理的試樣表面存在大量劃痕和粘著脫落坑.這是由于在表層及亞表層內(nèi)產(chǎn)生剪切,發(fā)生強(qiáng)烈的粘著磨損所造成的結(jié)果.

圖8 試樣表面磨損形貌圖(a)激光相變硬化處理;(b)常規(guī)熱處理Fig.8 Wearmorphology of the surfaceof the sample(a)laser transfo rmation hardening;(b)conventional heat treatment

3 結(jié)果分析

激光淬火的特點(diǎn):加熱能量密度高,可達(dá)1×104～1×105W/cm2;被處理表面升溫速度快,可達(dá)1×105～1×106℃/s[1];加熱薄層(厚度小于 1000 μm)的瞬間溫度梯度大,可達(dá)1×103～1×104K/cm;激光停止作用后,表面加熱薄層與冷態(tài)基體的溫度梯度高,可達(dá)到1×104～1×105K/cm;借助冷卻速度約為1×105℃/s的基體的自冷,可進(jìn)行自冷淬火.

經(jīng)激光熱處理后材料的組織與經(jīng)常規(guī)熱處理的相比,有很多不同點(diǎn)[2]:(1)因激光對(duì)金屬表面有超快速加熱的作用,激光作用區(qū)的晶粒具有超細(xì)化的特征,從而使高溫奧氏體組織超細(xì)化;(2)因快速冷卻,激光淬火形成的馬氏體組織仍保持超細(xì)化,而且位錯(cuò)馬氏體和孿晶馬氏體混合共存,經(jīng)激光淬火后的馬氏體相位錯(cuò)密度高,位錯(cuò)形態(tài)為網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)變量小的胞狀,孿晶極細(xì),屬于顯微孿晶,應(yīng)力梯度比較小;(3)因超快速加熱,原始組織中的碳化物溶解不充分,碳的分布也不均勻,這造成高溫奧氏體中固溶的碳分布差異較大,存在大量彌散分布的碳過(guò)飽和微觀區(qū)域,因而在隨后的冷卻過(guò)程中,淬火組織中存在包含較多過(guò)飽和碳的殘余奧氏體,殘余奧氏體數(shù)量較常規(guī)淬火的多,這類(lèi)奧氏體是因位錯(cuò)強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化而被強(qiáng)化了的奧氏體[3].

因細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化及固溶強(qiáng)化多重效應(yīng),故激光相變硬化淬火層的硬度較常規(guī)淬火的高;對(duì)于激光相變硬化淬火的搭接區(qū)域,因回火的作用,致使含有過(guò)飽和碳的殘余奧氏體進(jìn)一步向馬氏體轉(zhuǎn)化,而且碳化物由基體彌散析出,輕微降低了原組織的維氏顯微硬度;因激光相變硬化淬火層是硬度均勻的硬化層,在激光相變硬化層內(nèi),其抗磨損能力不隨深度變化而減弱.

4 結(jié) 論

3Cr2W 8V模具鋼激光相變強(qiáng)化機(jī)理為細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化及固溶強(qiáng)化的多重強(qiáng)化,使激光作用區(qū)的晶粒具有超細(xì)化的特征,從而使高溫奧氏體組織超細(xì)化;在激光相變硬化層內(nèi)硬度是均勻的,不隨淬火深度的變化而減小,抗磨損能力不隨淬火深度的變化而降低.

[1]徐濱士.材料表面工程[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

[2]劉江龍﹒激光表面淬火強(qiáng)化技術(shù)的工藝基礎(chǔ)[J].表面技術(shù),1994(5):213-219.

[3]孫承偉.激光輻照效應(yīng)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002.

Study on properties of laser surface transformation hardened layer of 3Cr2W 8V die steel

KUANGM in1,2,SU Yuchang1,DENG Chunming2,MA Wenyou2,CHEN Xinchi2
1.Central South University,Changsha 410083,China;2.Guangdong General Research Institute of Non-ferrous M etals(Guangzhou Research Institute of N on-ferrous M etals),Guangzhou 510650,China

Op timized p rocess parameters were used for the laser transformation hardening on the surface of 3Cr2W 8V die steel.Through microstructure analysis and X-ray diffraction analysisof the quenched layer,it was found that the microstructure of the layer w as composed of ultrafine needle-like martensite and a small amount of residual austenite.The results of Vickers microhardness tests on hardened layer show ed that the layer was uniform ly hardened.By comparing wear w eight loss between laser hardened layer and o rdinary hardened layer,it turned out that the w ear resistance of laser hardened layer increased about one time than that of the ordinary quenching layer.

laser;transfo rmation hardening;quenching;perfo rmance

TB321

A第5卷 第2期 材 料 研 究 與 應(yīng) 用 Vo1.5,No.2 2 0 1 1年5月 MA TERIALSRESEARCH AND APPL ICA TION Jun.2 0 1 1

1673-9981(2011)02-0105-04

2010-12-15

況敏(1963—),女,湖南長(zhǎng)沙人,高級(jí)工程師,大學(xué)本科.