H13鋼激光仿生強化單元工藝研究

曾明玉，劉建永

（湖北汽車工業(yè)學院，湖北 十堰442002）

熱鍛模具的失效形式有高溫磨損、龜裂、變形和斷裂。實際生產中，高溫磨損會造成模膛增大，鍛件尺寸超差，是熱鍛模具的主要失效形式。研究表明熱成形工藝中模具失效，70%的情況是由高溫磨損所致［1］，因而提高熱鍛模具的高溫磨損性能是延長模具壽命的關鍵?，F(xiàn)行的主流技術是對熱鍛模具進行氮化處理，在模具表面形成一層薄的氮化物層，其有效厚度可達0.1 mm，硬度可達1000HV以上［2］。該技術的弊端是：有污染物排放；模具需要整體處理，受設備尺寸限制，大型鍛模不宜進行實施；模具磨損失效大多僅發(fā)生在模膛區(qū)域，其他未發(fā)生磨損區(qū)域在模具下落翻新時，氮化層會造成較大的加工困難。鑒于上述情況，Zhou等［3］提出熱鍛模仿生強化技術，利用激光頭對模具表面進行掃描，按預先設計的圖案形成花紋。由于快速凝固效應使掃描路徑的內部晶粒組織更加細密，硬度和韌性相對于基體都會有顯著提高，在模具表面形成軟硬相間的紋理質地，對于抵抗磨損有顯著效果［4-6］。激光掃描路徑是形成仿生紋理的基本單元，其內部組織構成、截面形貌尺寸以及表面粗糙度等屬性直接影響抗磨損效果。激光特性（如脈沖式或連續(xù)式）、激光功率、掃描速度等參數(shù)的不同匹配會生成不同屬性的仿生單元，因而研究激光參數(shù)和仿生單元屬性之間的影響規(guī)律至關重要?，F(xiàn)有的相關研究大多采用YAG固態(tài)脈沖式激光器，功率一般在500W以內［7-10］，關注的仿生單元屬性僅限于深度、寬度、晶粒大小等方面，仿生單元屬性與工藝參數(shù)之間的規(guī)律大都是定性描述。若要精確預測和控制仿生單元屬性、系統(tǒng)理解仿生單元構成形貌特征規(guī)律還需進一步深入研究。文中在熱作模具鋼H13基體上預涂WC-Co合金涂層，采用大功率半導體連續(xù)式激光制備試樣。運用均勻設計和逐步回歸統(tǒng)計建模方法定量研究激光參數(shù)與仿生單元粗糙度、截面形貌、組織構成等屬性的規(guī)律。

1 試驗方法

試驗設備采用的是激光仿生強化系統(tǒng)。系統(tǒng)的激光器采用的是Laserline-LDF3000光纖耦合半導體激光器，激光頭為Fraunhofer IWS COAX8，光斑直徑為1.5 mm，運動機構為ABB IRB4600型工業(yè)機器人。

試驗所用基材是熱鍛模鋼H13板材，其成分見表1。在基板上預制Co和WC的合金涂層，成分比為5：5。把H13基板淬火后再進行2次回火，硬度為HRC45-48。將熱處理后的基板加工成10mm×40mm×100mm的板材，強化合金粉末用硅溶膠稀釋液調制成均勻的懸濁液，用毛刷均勻涂在基板表面，厚度為20μm左右，再用大功率熱風機將其吹干，待激光掃描。

表1 基板化學成分

按照均勻設計因素水平表（表2）安排實驗，均勻性偏差為0.1574，考察激光功率P和掃描速度S對仿生單元形貌及內部組織構成的影響。

表2 均勻設計因素水平表

用線切割沿激光掃描垂直方向切割獲取仿生單元截面。用體視顯微鏡測量截面形貌尺寸，用TIME?3234型號波紋度儀測量試樣表面粗糙度Ra。

2 試驗分析與應用

2.1 工藝因素對仿生單元形貌的影響

仿生單元截面主要由熔融區(qū)（melted zone,MZ）和熱影響區(qū)（heat affected zone,HAZ）組成，如圖1所示，面積A、熔深D、熔寬W等形貌特征尺寸對單元的磨損性能有重要影響。同時MZ面積還直接影響合金元素的稀釋率，進而影響材料組織和力學性能。圖2為試樣截面形貌體視顯微鏡觀察到的不同工藝參數(shù)形成的截面形貌。單元截面形貌尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3。用逐步回歸分析P、S與單元特征尺寸的規(guī)律，建立數(shù)學模型。為使模型描述更為精確，將P2、S2和P/S引入模型，其中P/S為單位時間仿生單元輸入的激光能量密度。

表3 單元截面特征尺寸

圖1 仿生單元截面組成及尺寸測量示意

圖2 仿生單元截面形貌

以D1分析為例，逐步回歸分析過程如表4所示，獲得了5個回歸模型，其中C為常數(shù)項，s為模型標準差，R-Sq為回歸平方和，表示模型對試驗數(shù)據(jù)信息解釋能力的量化。由表4可知，P/S對D1影響最為顯著，因為第1個回歸模型的R-Sq為89.76%，即僅用參數(shù)P/S可解釋試驗數(shù)據(jù)P、S與D1之間信息量的89.76%。第2個模型的R-Sq為91.68 %，表明S2項的加入可以增加1.92 %的解釋能力。同理，可推算出單個參數(shù)P、S對D1變化的貢獻。經計算可知，P/S、S2、P、S、P2對D1貢獻率分別為89.76 %、1.92 %、2.25 %、3.23 %。由于S、S2同為掃描速度項，合并貢獻率為5.15 %。同理P、P2合并貢獻率為3.36%。最終可知，工藝參數(shù)對D1影響的顯著程度可排序為P/S＞S＞P，最終獲得模型。同理可獲得工藝參數(shù)P、S與W1、A1、W2、D2等形貌尺寸之間的關系，結果見表5。綜合來看，P/S對形貌特征尺寸的影響起主導地位。但對于MZ，W1的模型精度不高，R-Sq僅為78.08%，這是由于熔寬除受工藝因素影響外，傳熱效應對其影響也較重要。其余數(shù)學模型的R-Sq都在90%以上，表明模型對回歸關系有較好的解釋力。尤其形貌特征A1、W2、D2、A2僅由P/S即可獲得較好的回歸結果，表明了能量密度對控制單元形貌參數(shù)影響的重要性。Ra與P、S的關系較為復雜。由表5來看，工藝因素影響Ra的顯著次序是S＞P＞P/S，即仿生單元Ra受S的影響最為顯著。還可發(fā)現(xiàn)Ra與S呈開口下的拋物線關系，即Ra先隨著S遞增隨后遞減；而Ra與P呈開口向上的拋物線關系，即Ra隨著P先遞減后遞增。圖3直觀呈現(xiàn)了P、S與Ra的關系。

表4 工藝參數(shù)與MLZ熔深的逐步回歸分析

表5 工藝參數(shù)與仿生單元形貌特征逐步回歸分析結果

圖3 Ra與P、S等值線圖

2.2 實例應用

熱鍛模具激光仿生強化如圖4所示，取激光功率為470W，掃描速度為9.8 mm·s?1，對模具進行激光仿生強化。激光仿生強化處理后的模具耐磨性能提高，壽命從3800模次提高到4300模次。

圖4 熱鍛模具激光仿生強化

3 結論

復合工藝參數(shù)激光功率密度對仿生單元MZ區(qū)和HAZ區(qū)的截面形貌參數(shù)產生顯著影響，是控制形貌參數(shù)的主要調控因素，與MZ區(qū)截面面積和MZ+HAZ區(qū)寬度、深度、截面面積是簡單線性遞增關系。粗糙度與掃描速度呈開口下的拋物線關系，粗糙度與激光功率呈開口向上的拋物線關系。對熱鍛模具實體進行激光仿生強化處理，在實際生產條件下取得了良好強化效果，仿生單元能夠有效提高模具耐磨性能。