激光淬火對(duì)Cr12MoV鋼碳化物不均勻度與耐磨性的影響

吳一弘，曲迎東，蘇建灝，姜珂，尤俊華，李榮德

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 1100 23）

激光淬火對(duì)Cr12MoV鋼碳化物不均勻度與耐磨性的影響

吳一弘，曲迎東，蘇建灝，姜珂，尤俊華，李榮德

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 1100 23）

隨著模具制造業(yè)的快速發(fā)展，降低C r 12M o V鋼表面共晶碳化物不均勻度和提高表面耐磨性可以有效降低使用過(guò)程中發(fā)生的開(kāi)裂與磨損兩種主要失效形式，延長(zhǎng)C r 12M o V鋼使用壽命。本研究采用激光淬火對(duì)C r 12M o V鋼進(jìn)行表面強(qiáng)化，激光輸出功率140 0 W，掃描速度5 m m/s，離焦量47 m m，表面硬度達(dá)到58.9 H R C。激光淬火后C r 12M o V鋼共晶碳化物不均勻度降低至3級(jí)，磨損量降低了92.0%，平均摩擦系數(shù)降低了42.8%，磨損率下降了9.2%，耐磨性顯著提升。

C r 12M o V鋼；激光淬火；共晶碳化物；不均勻度；耐磨性

D O I：10.39 69/j.i s s n.100 6-96 58.2017.05.00 4

0 引言

Cr12MoV鋼屬于冷作模具鋼的一種，在模具制造業(yè)中應(yīng)用極為廣泛，其消耗量在冷作模具鋼中居于首位[1,2]。Cr12MoV鋼淬透性好，具有較高的硬度以及較好的耐磨性， 但其在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)表面開(kāi)裂及磨損兩種失效形式， 降低其使用壽命[3,4]。Cr12MoV鋼屬于高碳高鉻鋼，在最初的鑄造Cr12MoV鋼錠冷凝過(guò)程中，由于實(shí)際冷卻速度有限，當(dāng)溫度繼續(xù)下降時(shí)，鋼液發(fā)生共晶反應(yīng)易形成大量網(wǎng)狀共晶碳化物[5]。有研究表明，共晶碳化物的大量偏析是Cr12MoV鋼表面產(chǎn)生裂紋的原因之一[6]，因此改善Cr12MoV鋼中共晶碳化物的不均勻分布可有效提高其使用壽命。同時(shí)，有必要尋求一種快速、有效的表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)Cr12MoV鋼表面進(jìn)行強(qiáng)化，提高其耐磨性。

近年來(lái)隨著激光設(shè)備與技術(shù)的快速發(fā)展，激光淬火逐漸成為一種應(yīng)用廣泛的表面強(qiáng)化技術(shù)。激光淬火技術(shù)利用高能激光束對(duì)材料表面進(jìn)行相變硬化，短時(shí)高效、適應(yīng)性強(qiáng)、形變小、表面質(zhì)量高，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化[7,8]。本研究對(duì)Cr12MoV鋼表面進(jìn)行激光淬火，分析了激光淬火對(duì)Cr12MoV鋼共晶碳化物不均勻度與耐磨性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

在FL-Dlight-1500半導(dǎo)體激光表面處理系統(tǒng)中對(duì)Cr12MoV鋼進(jìn)行激光表面淬火，實(shí)驗(yàn)所用Cr12MoV鋼化學(xué)成分如表1所示，供貨狀態(tài)為球化退火。為實(shí)現(xiàn)激光表面淬火的基體自冷淬火，選取尺寸較大Cr12MoV鋼厚塊狀試樣，試樣尺寸為200×100×50（mm）。激光淬火前對(duì)試樣表面進(jìn)行磨拋，使表面光潔沒(méi)有機(jī)械加工痕跡，防止產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。用酒精對(duì)試樣表面進(jìn)行清洗，之后對(duì)表面進(jìn)行石墨黑化預(yù)處理，降低試樣表面反射率，提高對(duì)激光能量的吸收。激光輸出功率為1400 W，激光掃描速度為10 mm/s，離焦量為47 mm，搭接率為5%。

表1 C r 12M o V鋼化學(xué)成分 w %

共晶碳化物不均勻度根據(jù)GB/T 1299－2014《工模具鋼》規(guī)定[9]，與GB/T 14979－1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評(píng)定法》標(biāo)準(zhǔn)第四評(píng)級(jí)圖對(duì)比[10]，采用4%硝酸酒精溶液對(duì)磨拋后的Cr12MoV鋼進(jìn)行浸蝕，在OLYMPUS BX60F5型光學(xué)顯微鏡100倍下取圓形視野進(jìn)行對(duì)比評(píng)定。采用Hitachi TM3030臺(tái)式掃描電鏡對(duì)激光淬火前后Cr12MoV鋼進(jìn)行共晶碳化物形態(tài)及組織觀察，利用Wilson UH250萬(wàn)能硬度計(jì)進(jìn)行洛氏硬度測(cè)量。

激光淬火前后Cr12MoV鋼分別與DP780雙相鋼組成摩擦副進(jìn)行銷(xiāo)盤(pán)磨損實(shí)驗(yàn)，設(shè)定試驗(yàn)力為100 N、轉(zhuǎn)速為100 r/min，摩擦磨損后的磨損形貌在Hitachi S-3400N掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察與分析。

圖1 Cr12MoV鋼原始組織共晶碳化物不均勻度評(píng)級(jí)對(duì)比

圖2 激光淬火Cr12MoV鋼共晶碳化物不均勻度評(píng)級(jí)對(duì)比

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 共晶碳化物不均勻度評(píng)定

Cr12MoV鋼中共晶碳化物的不均勻分布對(duì)其工藝性能和使用壽命危害極大，一直是冶金質(zhì)量的重要指標(biāo)，是必檢項(xiàng)目之一。

如圖1所示為Cr12MoV鋼激光淬火前后共晶碳化物不均勻度與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖的對(duì)比。圖1.a為本研究選用Cr12MoV鋼放大100倍下的原始組織，圖1.b為GB/T 14979－1994國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)碳化物不均勻度6級(jí)的評(píng)級(jí)圖，通過(guò)對(duì)比可知，激光淬火前Cr12MoV原始試樣碳化物不均勻等級(jí)接近6級(jí)。共晶碳化物偏析嚴(yán)重，呈網(wǎng)狀偏析于晶界處，使用過(guò)程中易發(fā)生開(kāi)裂而失效，需要進(jìn)一步熱處理來(lái)降低碳化物不均勻度。

圖2為激光淬火后Cr12MoV鋼共晶碳化物不均勻度與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖的對(duì)比。圖2.a為Cr12MoV鋼放大100倍視野下激光淬火組織，圖2.b為GB/T 14979－1994標(biāo)準(zhǔn)共晶碳化物不均勻度3級(jí)的評(píng)級(jí)圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)激光淬火后Cr12MoV鋼共晶碳化物不均勻等級(jí)小于3級(jí)，滿足使用要求。共晶碳化物尺寸變小，偏析程度降低，呈帶狀分布，一定程度上提高了模具的使用壽命。

綜上所述，激光淬火工藝能夠有效降低Cr12MoV鋼共晶碳化物的不均勻度，從而降低模具使用過(guò)程中的表面開(kāi)裂現(xiàn)象。

2.2 微觀組織與硬度

如圖3所示為Cr12MoV鋼激光淬火前后掃描電鏡下微觀組織對(duì)比。圖3.a為激光淬火前Cr12MoV鋼微觀組織，球化退火形成的球粒狀珠光體基體上分布著大量聚集偏析的共晶碳化物，最大尺寸超過(guò)50 μm。圖3.b為激光淬火后Cr12MoV鋼微觀組織，基體組織為馬氏體組織，聚集偏析的共晶碳化物尺寸明顯減小，最大尺寸不超過(guò)40 μm。隨著激光熱源的快速加熱，共晶碳化物部分溶解，使共晶碳化物偏析現(xiàn)象有所降低。當(dāng)試樣表面激光掃描區(qū)域達(dá)到奧氏體化溫度，奧氏體大量形核，在快速冷卻過(guò)程中奧氏體來(lái)不及長(zhǎng)大直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。馬氏體提高了Cr12MoV鋼表面硬度，由激光淬火前的22.8 HRC提高到激光淬火后的58.9 HRC，滿足GB/T 1299－2014《工模具鋼》規(guī)定的洛氏硬度≥58 HRC的使用要求。

圖3 Cr12MoV鋼激光淬火前后掃描電鏡組織

2.3 摩擦磨損性能

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，相比于激光淬火前，激光淬火后Cr12MoV鋼磨損量降低了92.0%，磨損率下降了9.19%，平均摩擦系數(shù)降低了42.8%，耐磨性能得到顯著提升。

表2 摩擦磨損性能

磨損過(guò)程中出現(xiàn)如圖4所示的共晶碳化物剝落現(xiàn)象，這是由于大量聚集偏析的共晶碳化物降低了晶界的強(qiáng)度，導(dǎo)致應(yīng)力集中形成裂紋，發(fā)生了脫落。

圖4 共晶碳化物剝落現(xiàn)象

激光淬火前后Cr12MoV鋼表面磨損形貌對(duì)比如圖5所示。

圖5 激光淬火前后Cr12MoV鋼表面磨損形貌

圖5.a為激光淬火前Cr12MoV鋼表面磨損形貌，可以觀察到試樣表面大面積河流狀的塑性流動(dòng)。共晶碳化物發(fā)生剝落，形成磨粒，磨損過(guò)程中形成犁溝。共晶碳化物剝落形成的凹坑與磨損形成的犁溝均造成了試樣表面的凹凸不平，由于激光淬火前整體硬度較低，在法向壓力作用下，凹陷與犁溝兩側(cè)凸出微峰均發(fā)生塑性變形。圖5.b為激光淬火后Cr12MoV鋼表面磨損形貌，隨著摩擦磨損性能的提升，磨損表面沒(méi)有發(fā)生大面積塑性流動(dòng)現(xiàn)象，但滑動(dòng)方向前端由于劇烈磨損產(chǎn)生的較大應(yīng)力，發(fā)生了局部的剝落現(xiàn)象。馬氏體相變導(dǎo)致基體強(qiáng)度大大提高，提高耐磨性的同時(shí)對(duì)共晶碳化物起到了支撐、保護(hù)的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）激光淬火能有效降低Cr12MoV鋼表面共晶碳化物不均勻度，由6級(jí)降低為3級(jí)，達(dá)到使用要求。

（2）相對(duì)于激光淬火前，激光淬火后Cr12MoV鋼磨損量降低了92.0%，平均摩擦系數(shù)降低了42.8%，磨損率下降了9.19%，摩擦磨損性能得到顯著提升。

（3）Cr12MoV鋼激光淬火后共晶碳化物不均勻度的降低以及馬氏體的形成，克制了磨損表面的大量塑性流動(dòng)現(xiàn)象。

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Inf l uence of laser quenching on carbide nonuniformity and wear resistance of Cr12MoV steel

WU YiHong, QU YingDong , SU JianHao, JIANG Ke, YOU JunHua, LI RongDe
(Shenyang University of Technology, Shenyang 110023，Liaoning, China)

With rapidly development of mold manufacturing industry, decreasing nonuniformity of eutectic carbide and increasing wear resistance can effectively reduce probability of cracking and abrasion to prolong service life of Cr12MoV during applications. Laser quenching was used for strengthening the surface of Cr12MoV steel. The laser power was 1400 W. The laser scanning speed was 5 mm/s. The defocusing amount was 47 mm.The surface hardness is improved to 58.9 HRC. The carbide nonuniformity of Cr12MoV is reduced to level 3. The abrasion loss is reduced by 92.0%. The average friction coefficient is reduced by 42.8%. The wear rate is reduced by 9.2%. The wear resistance of Cr12MoV is signif i cantly enhanced by laser quenching.

Cr12MoV steel; laser quenching; eutectic carbide; nonuniformity; wear resistance

T G 156.99；

A；

100 6-96 58（2017）05-00 11-04

綠色鑄造工藝及新材料制備技術(shù)，遼寧省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目．（項(xiàng)目編號(hào)：5127 414 2）

2017-04-25

稿件編號(hào):170 4-176 2

吳一弘（199 2—），碩士在讀，主要從事鑄造材料的研究與開(kāi)發(fā)工作.