H13鋼激光仿生耦合處理及耐磨性研究

崔文語(yǔ)，柏貴婷，葉 宏，曾 星，張數(shù)鋒，冉 雪，肖 驍

(重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400054)

H13鋼是一種國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的空冷硬化型熱作模具鋼，具有優(yōu)異的熱硬性、韌性和淬透性[1]，廣泛應(yīng)用于鋁合金、鎂合金、鋅合金和銅合金的壓鑄成型模具。在服役過程中高溫坯料或熔融金屬液不斷沖蝕以及開模時(shí)構(gòu)件與模具表面的摩擦?xí)?dǎo)致模具內(nèi)表面的嚴(yán)重磨損，引起模具的失效，最終縮短模具的使用壽命[2]。目前，使用新型高合金耐磨材料與模仿生物結(jié)構(gòu)是提高工件耐磨性的有效途徑，其中開發(fā)比較經(jīng)濟(jì)且耐磨的生物結(jié)構(gòu)模型，例如材料組成上硬韌結(jié)合、結(jié)構(gòu)上梯度漸變、合成具有特殊耐磨功能表面等是目前研究的熱點(diǎn)[3-4]。

仿生學(xué)是運(yùn)用從生物界中發(fā)現(xiàn)的機(jī)理與規(guī)律來解決人類需求的一門綜合性的交叉學(xué)科，是眾多工程技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；它開啟了人類社會(huì)由向自然界索取轉(zhuǎn)入向生物界學(xué)習(xí)的新紀(jì)元[5-7]。 激光熔凝技術(shù)是一種先進(jìn)加工技術(shù)，具有高能量密度、高效率和低變形等眾多優(yōu)點(diǎn)[8]。激光仿生耦合技術(shù)是一種將兩項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的新興表面改性技術(shù)，隨著激光器設(shè)備的不斷改進(jìn)以及對(duì)決定獨(dú)特表面特性的微觀機(jī)理逐漸認(rèn)識(shí)，使得該技術(shù)逐漸在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[9-10]。例如，田茜等[11]利用激光仿生技術(shù)研制的仿生非光滑挖掘機(jī)推土板與光滑平板相比，最大降阻可達(dá)25.8%，減粘降耗效果明顯。李建橋等[12]在犁壁45鋼上利用堆焊白口合金鑄鐵方法成功研制了仿生犁壁。仿生犁壁可減小犁耕阻力 15%～18%，降低拖拉機(jī)油耗5.6%～12.6%。郭藴紋，董立春等[13-14]分別研究了凹坑狀仿生結(jié)構(gòu)對(duì)金屬材料的耐磨性的影響，前者采用電沉積的方法制備了仿生凹坑與納米碳化硅/鎳基復(fù)合鍍層耦合表面，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)耐磨損性能明顯高于單純復(fù)合鍍層；后者采用激光雕刻技術(shù)制備了多種凹坑狀仿生體并采用正交試驗(yàn)法探究了凹坑類型對(duì)耦合體磨損性能的影響，結(jié)果表明具有凹坑型的仿生表面形態(tài)的環(huán)塊樣件均比光滑表面的環(huán)塊樣件耐磨。孫娜，謝志斌等[15-16]利用激光雕刻技術(shù)分別在金屬基體上制備出點(diǎn)、線和網(wǎng)狀仿生耦合體，結(jié)果表明網(wǎng)狀仿生結(jié)構(gòu)耐磨性能最好，線狀次之，點(diǎn)狀最差。李晨輝，吳帥等[17-18]分別對(duì)Cr8型、25Cr3Mo2NiWVNb型模具鋼進(jìn)行了磨損試驗(yàn)，前者主要研究不同荷載下模具鋼表面的磨損行為，結(jié)果表明磨損質(zhì)量隨載荷增加而增大，摩擦因數(shù)隨載荷增加先增大后減??；后者主要研究不同溫度對(duì)模具鋼磨損性能的影響，結(jié)果表明新型熱作模具鋼的摩擦因數(shù)隨溫度升高先降低后升高。本文主要利用激光熔凝技術(shù)模仿鯊魚的鰓以及蜻蜓的翅膀，進(jìn)而開展了H13鋼表面仿生處理及耐磨性能的相關(guān)研究。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

以淬火回火態(tài)H13鋼為基體材料，化學(xué)成分(%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))為：0.32～0.45C，0.8～1.2Si，0.2～0.5Mn，4.75～5.50Cr，1.10～1.75Mo，0.8～1.2V，P，S≤0.03，F(xiàn)e 余量，試樣尺寸為30 mm×20 mm×6 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

采用JJM-1GXY-800B型多功能Nd∶YAG激光器對(duì)H13鋼試樣表面進(jìn)行激光仿生耦合處理，得到具有不同外觀形貌(線狀、網(wǎng)狀)的仿生單元體試樣，如圖1所示。激光熔凝工藝參數(shù)：電流180 A，脈寬6 ms，頻率8 Hz，掃描速度120 mm/min，光斑直徑2 mm，保護(hù)氣體為氬氣，氣體流量5 L/min，線條間隔2 mm。

將激光仿生耦合處理的試樣沿垂直于激光熔凝方向切開，采用JSM-6460LV 型掃描電鏡觀察截面微觀組織形貌；利用HVS-1000 顯微硬度計(jì)沿表面垂直方向測(cè)試熔凝層硬度梯度分布；試樣磨損性能采用HSR-2M型高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)儀。對(duì)磨球?yàn)橹睆? mm 的GCr15鋼球，載荷為20 N，轉(zhuǎn)速400 r/min，加載時(shí)間為20 min，滑動(dòng)距離為10 mm。并用掃描電子顯微鏡觀察磨痕形貌，分析磨損機(jī)理。

圖1 激光仿生處理后樣品的宏觀形貌

2 結(jié)果和分析

2.1 激光仿生單元體微觀組織

圖2(a)為H13鋼經(jīng)過激光仿生熱處理后的熔凝區(qū)微觀組織，為典型的樹枝晶，且組織非常細(xì)小。在晶界附近彌散分布著細(xì)小的碳化物顆粒，這是由于激光快速加熱、冷卻導(dǎo)致材料內(nèi)部晶粒難以長(zhǎng)大并引起碳化物的析出。同時(shí)，圖2(a)顯示出在熔凝區(qū)內(nèi)部不同區(qū)域其晶粒大小、晶粒生長(zhǎng)取向也不相同。在熔凝區(qū)表面30 μm以內(nèi)，該區(qū)域主要形成等軸晶粒，晶粒尺寸平均約為5 μm，而在30 μm以下區(qū)域主要形成了柱狀晶，其長(zhǎng)度約為15 μm、寬5 μm。熔凝區(qū)組織結(jié)構(gòu)分布不同是由于激光能量的快速注入以及基體材料的良好導(dǎo)熱性能導(dǎo)致在熔池邊界分布的晶粒沿著垂直熔池邊界徑向快速生長(zhǎng)，而在熔池表面區(qū)域，該區(qū)域材料的導(dǎo)熱性、溫度基本相同使得晶粒等軸生長(zhǎng)。圖2(b)為激光熔凝處理后過渡區(qū)微觀組織結(jié)構(gòu)，在過渡區(qū)與熔凝區(qū)交界處形成20 μm厚的枝狀晶，并在附近分布著大量碳化物顆粒，而過渡區(qū)內(nèi)主要形成隱晶馬氏體并彌散分布著較大顆粒碳化物。該區(qū)域組織結(jié)構(gòu)的形成是由于上部熔池的熱效應(yīng)引發(fā)該部位材料的相變，由初始的回火馬氏體快速轉(zhuǎn)變?yōu)殡[晶馬氏體，同時(shí)伴隨較大顆粒的碳化物析出。

圖2 單元體微觀組織(SEM)

2.2 仿生單元體顯微硬度

圖3 仿生體橫截面顯微硬度

圖3為激光仿生體橫截面的顯微硬度分布曲線，其結(jié)果表明：熔凝區(qū)顯微硬度平均為650HV0.2，過渡區(qū)的硬度最高，可達(dá)720HV0.2，基體材料的平均顯微硬度只有550HV0.2。由于激光能量的注入使材料快速熔化和凝固，材料的晶粒得到極大細(xì)化，進(jìn)而導(dǎo)致熔凝區(qū)硬度明顯提高。過渡區(qū)顯微硬度值顯著高于其他部位，其原因可由圖1(b)的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋，該區(qū)域分布著大量碳化物顆粒，同時(shí)形成隱晶馬氏體，從而較大地提高該區(qū)域的顯微硬度。綜合激光仿生單元體硬度變化趨勢(shì)，過渡區(qū)硬度結(jié)果表明，熔凝區(qū)實(shí)現(xiàn)了與基體部位良好的冶金結(jié)合。

2.3 仿生單元體耐磨性

圖4 磨損質(zhì)量

圖4顯示了不同樣品的磨損質(zhì)量。由圖4可以看出：淬火回火態(tài)H13鋼樣品與激光仿生耦合處理樣品的磨損質(zhì)量差別較大。其中，原始H13鋼樣品磨損質(zhì)量達(dá)10.1 mg，線狀仿生處理樣品為6.6 mg，網(wǎng)狀仿生處理試樣約為0.5 mg。可見，不同仿生形貌對(duì)試樣的磨損質(zhì)量有較大影響，其中網(wǎng)格化仿生試樣抗磨損性能明顯高于線狀仿生試樣。相比基體的耐磨性，網(wǎng)格狀試樣的耐磨性提高了約20倍，線狀仿生試樣提高了約12倍。仿生單元體硬度分布結(jié)果表明，在熔凝區(qū)表面硬度得到明顯提高，而硬度的增加會(huì)提高材料的耐磨性，該結(jié)果導(dǎo)致仿生單元體能夠提高試樣的耐磨性。同時(shí)，在單位面積內(nèi)網(wǎng)格狀仿生單元體的覆蓋率較大，故其耐磨性高于線狀仿生單元體。

2.4 仿生試樣磨損機(jī)理

圖5為試樣基體和仿生單元體部位磨痕的微觀形貌。圖5(a)為對(duì)照試樣磨痕的微觀形貌，在磨痕表面分布著大量球狀顆粒并伴隨著明顯的犁溝現(xiàn)象即為典型的磨料磨損，同時(shí)磨痕表面有塊狀的粘附層(氧化層)，該粘附層不斷被細(xì)化，最終轉(zhuǎn)變成球狀磨料導(dǎo)致嚴(yán)重的磨損。圖5(b)為線狀仿生試樣基體部位的磨痕，其微觀形貌表明該磨損仍為磨料磨損，但與(a)圖中不同的是磨痕表面磨料明顯減少，沒有明顯的犁溝，并伴有少量的塑性變形，使得磨痕表面較為粗糙。其原因是磨球硬度明顯高于基體硬度，導(dǎo)致磨球表面硬凸體進(jìn)入基體并引起基體表面的劃痕或犁皺現(xiàn)象。

圖5(c)和(d)分別為不同仿生單元體形貌下表面的磨痕，其微觀形貌與圖5(a)、(b)完全不同，該區(qū)域主要為粘著磨損，同時(shí)磨痕表面粘附著大量的氧化層。其中圖5(c)和(d)的表面磨痕形態(tài)全然不同，(c)圖中主要發(fā)生輕微粘著磨損，在劃痕部位附著較大的片層氧化物，該區(qū)域形成的主要原因是摩擦副在對(duì)磨過程中出現(xiàn)溫度升高引起磨屑的快速氧化，而氧化層能夠減緩基體的磨損。而在(d)圖中，網(wǎng)格仿生試樣表面形成了完整的氧化層，這些氧化層相比線狀的氧化層更加致密，其結(jié)構(gòu)更能有效地減緩材料的磨損，進(jìn)而導(dǎo)致激光網(wǎng)格狀仿生試樣的磨損質(zhì)量只為基體試樣磨損質(zhì)量的1/20。

圖5(c)和(d)表明：仿生單元體對(duì)附近基體的磨損狀態(tài)產(chǎn)生了一定的影響，使得基體發(fā)生輕微的粘著磨損。分別對(duì)比圖5(c)、(d)，結(jié)果表明不同仿生形貌單元體對(duì)附近基體的磨損形貌影響不同，網(wǎng)格狀仿生單元體能夠較好地防止基體的磨損。

圖5 磨痕微觀形貌

3 結(jié)論

1) 利用激光熔凝技術(shù)在H13鋼表面制備出了線狀和網(wǎng)狀仿生形貌。其熔凝區(qū)為細(xì)小的樹枝晶，晶間有大量碳化物顆粒，過渡區(qū)中形成了隱晶馬氏體。

2) 熔凝區(qū)硬度為650HV0.2，過渡區(qū)硬度為720HV0.2，均高于基體硬度550HV0.2。

3) H13鋼表面激光仿生耦合處理能顯著提高耐磨性，其中網(wǎng)狀仿生處理比線狀仿生處理具有更好的耐磨性。

4) H13鋼表面的非光滑仿生形貌可改變?cè)嚰植康氖芰顟B(tài)和磨損狀態(tài)，使仿生單元體附近的基體由磨料磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p，從而顯著減小磨損質(zhì)量，同時(shí)這種仿生非光滑形態(tài)使得H13鋼表面整體的受力狀態(tài)發(fā)生改變。

[1] 宋雯雯,閔永安,吳曉春,等.H13鋼中的碳化物分析及其演變規(guī)律研究[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2009,30(5):122-126.

[2] DHOVHA Meloμli,NADE Haddar,ALIAN Koster.Hardness effect on the fatigμe damage of hot-working tool steel[J].Engineering Filure Analysis,2014(45):85-95.

[3] 周平安.磨損失效分析及耐磨材料的研究現(xiàn)狀和展望[J].鑄造,2010,49(1):23-25.

[4] 郭藴紋,任露泉,劉先黎,等.仿生凹坑與納米碳化硅/鎳基復(fù)合鍍層耦合表面的磨損性能[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2012,42(1)：74-78.

[5] 任露泉,梁云虹.耦合仿生學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2012.

[6] LU Y X.Significance and progress of bionics[J].Bionic Eng,2004,1(1):1-3.

[7] REN L Q.Progres is in the bionic study on anti-adhesion and resistance reduction of terrain machines[J].Sci China E-Tech Sci,2009,52(2):273-284.

[8] 馬向東,雷雨,劉睿.激光熔覆合金技術(shù)在模具修復(fù)中的應(yīng)用[J].潤(rùn)滑與密封,2010,35(11):98-101.

[9] 張宜哲,郭小川,何燕.表面活性劑在潤(rùn)滑油中的應(yīng)用[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2017,31(3):67-71.

[10] 任露泉,王再宙,韓志武.仿生非光滑表面滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2003,34(2):87-92.

[11] 叢茜,王連成,初日法,等.凸包形推土板減粘降阻的仿生研究[J].工程機(jī)械,1995(11):14-16.

[12] 李建橋,任露泉,劉朝宗,等.減粘降阻仿生犁壁的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),1996,27(2):56-60.

[13] 董立春,韓志武,呂尤,等.凹坑型仿生形態(tài)環(huán)塊樣件耐磨性能[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2012,41(6):1659-1663.

[14] 郭蘊(yùn)紋,任露泉,劉先黎,等.仿生凹坑與納米碳化硅/鎳基復(fù)合鍍層耦合表面的磨損性能[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2012,42(1):74-78.

[15] 孫娜,周宏,單宏宇,等.激光制備仿生非光滑表面蠕墨鑄鐵的耐磨性[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2009,39(5):1157-1161.

[16] 謝志斌,于愛兵,陳斌,等.高速鋼仿生表面的摩擦磨損特性[J].兵器材料科學(xué)與工程,2015,38(1):33-35.

[17] 吳帥,付航濤,連勇,等.一種新型熱模具鋼的高溫磨損性能[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2016,36(1):104-109.

[18] 李晨輝,吳曉春,謝塵,等.Cr8型模具鋼耐磨性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(1):36-43.

[19] 王雅靜,劉宗昌,段寶玉.H13鋼淬火-回火工藝及組織的研究[J].熱處理,2013,28(4):27-31.