工藝參數(shù)對(duì)激光熔敷高溫鍛壓模具鋼性能的影響

呂海珠

（遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，丹東 118009）

0 引言

因其工作環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期服役于高溫、高頻率鍛打工作條件，高溫鍛壓模具需要極佳的耐磨損性能，耐高溫性能和疲勞性能[1,2]。表面改性是提高高溫鍛壓模具綜合性能的有效途徑之一，目前常用的表面改性技術(shù)有火焰噴涂、電弧噴涂、超音速噴涂和激光熔敷等方法[3]。由于結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高、耐磨損性能和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，激光熔敷在模具表面改性方面具有極大的市場(chǎng)大規(guī)模推廣應(yīng)用前景[4]。在實(shí)際的激光熔敷過(guò)程中，激光功率和掃描速度是影響熔敷層組織和性能的主要工藝參數(shù)，對(duì)表面改性模具的綜合性能產(chǎn)生重要影響。為了進(jìn)一步促進(jìn)激光熔敷在高溫鍛壓模具表面改性上的應(yīng)用，本文采用不同的工藝參數(shù)（激光功率和掃描速度），對(duì)4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼進(jìn)行了激光熔敷處理，并進(jìn)行了顯微組織、耐磨損性能、耐高溫腐蝕性能和熱疲勞性能的測(cè)試與分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣材料

選用4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼作為基材，基材的尺寸為100mm×50mm×8mm，基材的化學(xué)成分采用SEA-1000A型X射線熒光光譜儀進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表1所示。激光熔敷采用的鎳基多元合金，采用SEA-1000A型X射線熒光光譜儀分析對(duì)上述鎳基多元合金的化學(xué)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表2所示。

表1 4Cr5W2SiV模具鋼基材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 熔敷合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 試驗(yàn)方法

采用HUST-JKR5170型激光加工系統(tǒng)進(jìn)行4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼的激光熔敷處理，激光器為CO2激光器（最大功率5kW）。激光熔敷的工藝過(guò)程如圖1所示。各高溫鍛壓模具鋼試樣的激光熔敷工藝參數(shù)如表3所示。

圖1 激光熔敷工藝過(guò)程

表3 激光熔敷工藝參數(shù)

4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼熔覆層的顯微組織采用PX15型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。采用THT型高溫摩擦磨損測(cè)試儀進(jìn)行試樣的耐磨損性能測(cè)試，測(cè)試溫度600℃，測(cè)試載荷90N、相對(duì)滑動(dòng)速度為90mm/min、磨輪轉(zhuǎn)速200r/min、摩擦磨損總轉(zhuǎn)數(shù)2000r，并采用GX15型金相顯微鏡對(duì)磨損表面進(jìn)行觀察。采用HG19型恒溫箱式電阻爐進(jìn)行試樣的耐高溫腐蝕性測(cè)試，測(cè)試條件為600℃×100h。采用WH-VI-16型高頻感應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)行試樣的熱疲勞性能測(cè)試，測(cè)試前試樣需進(jìn)行細(xì)磨和拋光，并確保試樣表面無(wú)機(jī)械溝痕和不規(guī)則狀態(tài)，試樣經(jīng)過(guò)1000次600℃～25℃的冷熱循環(huán)，一次加熱和一次冷卻作為一個(gè)循環(huán)，采用80倍PX15型光學(xué)顯微鏡觀察試樣的裂紋形貌，并根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 15284-2008進(jìn)行熱裂紋級(jí)別評(píng)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 工藝參數(shù)對(duì)熔覆層顯微組織的影響

圖2和圖3是不同工藝參數(shù)下，4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼試樣熔覆層的平均晶粒尺寸測(cè)試結(jié)果。從圖2可以看出，激光功率不同，模具鋼熔覆層的平均晶粒尺寸發(fā)生明顯變化；隨著激光功率的增大，熔覆層平均晶粒尺寸先減小后增大。這主要是因?yàn)椋涸谄渌麉?shù)相同時(shí)，激光功率決定熔敷合金與基材的受熱情況；若激光功率較小，熔敷合金難以在基材表面均勻鋪展，難以獲得連續(xù)而均勻的熔覆層顯微組織；若激光功率過(guò)大，能量過(guò)大，勢(shì)必引起熔敷層晶粒長(zhǎng)大，從而使其平均晶粒尺寸增大。從圖3可以看出，隨掃描速度的增大，模具鋼熔覆層的平均晶粒尺寸逐漸減小。這主要是因?yàn)椋寒?dāng)掃描速度較小時(shí)，熔池液態(tài)保留時(shí)間較長(zhǎng)，冷卻速率較慢，凝固時(shí)間較長(zhǎng)，獲得的熔覆層顯微組織較粗大；當(dāng)掃描速度增大時(shí)，凝固時(shí)間變短，晶核來(lái)不及長(zhǎng)大從而使得熔覆層顯微組織得到細(xì)化[5]。圖4是激光功率為3kW、掃描速度為6mm/s的試樣3熔覆層顯微組織照片。從圖4可以看出，熔覆層顯微組織連續(xù)、均勻，組織較為細(xì)小。

圖2 激光功率對(duì)熔覆層平均晶粒尺寸的影響

圖3 掃描速度對(duì)熔覆層平均晶粒尺寸的影響

圖4 試樣3的顯微組織

2.2 工藝參數(shù)對(duì)耐磨損性能的影響

圖5和圖6是不同激光熔敷工藝參數(shù)下，4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼試樣的耐磨損性能測(cè)試結(jié)果。由圖5和圖6觀察可知，隨著激光功率從2kW增大至4kW時(shí)，激光熔敷模具鋼試樣的磨損體積先減小后增加，試樣的耐磨損性能先提高后下降；隨著掃描速度從4mm/s增大至8mm/s時(shí)，激光熔敷模具鋼試樣的磨損體積逐漸減小，試樣的耐磨損性能逐漸提高。圖7是試樣1、試樣3和試樣9在磨損試驗(yàn)后的表面形貌照片。從圖9可觀察到，隨著不同的工藝參數(shù)的變化激光熔敷4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼試樣獲得的的磨損情況明顯不同。為了獲得良好的耐磨損性能，必須選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果熔敷工藝參數(shù)。

圖5 激光功率對(duì)耐磨損性能的影響

圖6 掃描速度對(duì)耐磨損性能的影響

圖7 試樣的磨損表面形貌

2.3 工藝參數(shù)對(duì)耐高溫腐蝕性能的影響

圖8所示在不同工藝參數(shù)下，激光熔敷4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼試樣的600℃×100h高溫腐蝕試驗(yàn)結(jié)果。從圖8腐蝕狀況分布，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，隨著激光功率從2kW增大至4kW時(shí)，經(jīng)過(guò)100h高溫腐蝕后激光熔敷模具鋼試樣的單位面積質(zhì)量增重先減小后增加，試樣的耐高溫腐蝕性能先提高后下降；隨著掃描速度從4mm/s增大至8mm/s時(shí)，試樣的單位面積質(zhì)量增重逐漸減小，試樣的耐高溫腐蝕性能逐漸提高。這與試樣的耐磨損性能變化規(guī)律一致。

圖8 不同工藝參數(shù)下，激光熔敷模具鋼試樣的600℃×100h高溫腐蝕試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.4 工藝參數(shù)對(duì)熱疲勞性能的影響

經(jīng)過(guò)1000次600℃～25℃的冷熱循環(huán)后，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 15284-2008，不同工藝參數(shù)下激光熔敷4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼試樣的表面裂紋評(píng)定結(jié)果如表4所示。由表4可知，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，隨著激光功率從2kW增大至4kW時(shí)，激光熔敷模具鋼試樣的熱裂紋級(jí)別先減小后增大，試樣的熱疲勞性能先提高后下降；隨著掃描速度從4mm/s增大至8mm/s時(shí)，試樣的熱裂紋級(jí)別逐漸減小，試樣的熱疲勞性能逐漸提高。圖9是激光熔敷4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼試樣9的熱疲勞裂紋照片。從圖9可明顯看出，采用激光功率為3kW、掃描速度為8mm/s時(shí)，激光熔敷4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼的主裂紋和網(wǎng)狀裂紋均達(dá)到1級(jí)，試樣的熱疲勞性能較佳。

表3 激光熔敷工藝參數(shù)

圖9 試樣9的熱疲勞裂紋形貌

3 結(jié)論

本文采用選用不同的工藝參數(shù)，對(duì)4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼進(jìn)行了激光熔敷鎳基多元合金的表面處理，并對(duì)熔覆層顯微組織，模具鋼試樣的耐磨損性能、耐高溫腐蝕性能和熱疲勞性能進(jìn)行了測(cè)試與分析，獲得的主要試驗(yàn)結(jié)論如下：

1）在其他工藝參數(shù)不變的情況下，隨激光功率從2kW增大至4kW時(shí)，熔覆層平均晶粒尺寸先減小后增大；隨掃描速度掃描速度從4mm/s增大至8mm/s，熔覆層平均晶粒尺寸逐漸減小。

2）保持其他工藝參數(shù)不變，隨激光功率從2kW增大至4kW時(shí)，激光熔敷4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼的耐磨損性能、耐高溫腐蝕性能和熱疲勞性能均呈現(xiàn)出先提高后降低的變化趨勢(shì)；隨掃描速度從4mm/s增大至8mm/s，模具鋼的耐磨損性能、耐高溫腐蝕性能和熱疲勞性能均逐漸提高。

3）4 Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼激光熔敷鎳基多元合金時(shí)的較佳工藝參數(shù)：激光功率3kW、掃描速度8mm/s。

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