H13鋼激光淬火與離子滲氮復(fù)合工藝研究

曹 馳，駱衛(wèi)東，李虎林，陳志林，羅麗萍，陳賢武

(1. 蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2. 蘭州理工大學(xué)溫州泵閥工程研究院，浙江 溫州 325105；3. 上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200000)

0 前 言

熱作模具通常應(yīng)用于急冷、急熱及高交變應(yīng)力等環(huán)境,在交變溫度和交變應(yīng)力的作用下,由于材料表面性能不足,熱作模具在使用過程中常常會(huì)出現(xiàn)開裂、擦傷、疲勞、腐蝕等早期失效形式[1,2]。表面改性是提高模具表面性能、防止模具出現(xiàn)早期失效的最為有效的措施。為了進(jìn)一步提高模具的性能,國內(nèi)外學(xué)者都在積極探索模具鋼的表面強(qiáng)化方式,目前的研究熱點(diǎn)主要是通過表面淬火、滲氮、滲碳、碳氮共滲、化學(xué)氣相沉積以及物理氣相沉積等方式提高模具的表面性能[3,4]。

滲氮作為典型的表面強(qiáng)化技術(shù),可以改善材料表面的硬度、耐磨性和耐蝕性[5-7]。但采用單一滲氮處理獲得的滲層較薄,滲層與基體之間存在較大的硬度梯度,導(dǎo)致對(duì)磨過程中材料很容易開裂和磨損[8]。除了滲氮處理外,激光淬火作為一種清潔方便的熱處理工藝,因其特殊的加熱和冷卻方式被廣泛應(yīng)用于材料表面改性處理[9,10]。Cottam等[10]采用激光表面改性技術(shù)對(duì)鎳-鋁青銅進(jìn)行表面加熱處理,激光加熱表面的腐蝕電位增加,耐腐蝕性顯著提高。Qin等[11]采用激光淬火技術(shù)對(duì)鑄態(tài)鎳鋁青銅進(jìn)行表面改性,改性層的晶粒度顯著減小,相分布更加均勻,耐蝕性顯著提升。Telasang等[12]采用激光淬火技術(shù)對(duì)H13鋼進(jìn)行了表面改性處理,測(cè)試發(fā)現(xiàn)激光淬火改性層厚度約為400 μm,硬度約為700 HV。激光淬火工藝可以顯著改善材料表面的耐蝕性,且比離子滲氮更容易獲得較大的硬化層深度,但和滲氮層相比激光淬火層的硬度相對(duì)較低。為了獲得硬度高、硬化層深度較大且耐蝕性好的表面改性層,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的探索工作。Yan等[8]采用離子滲氮/激光淬火復(fù)合處理工藝對(duì)30CrMnSiA鋼進(jìn)行表面改性,改性層的深度和表面硬度較單一滲氮處理膜層顯著增加,滲層與基體之間的硬度梯度顯著下降。復(fù)合處理可以顯著提升表面改性層的硬度和厚度,從而極大地提高材料的綜合性能,但大量的復(fù)合處理工藝研究主要集中在處理工藝對(duì)材料力學(xué)性能的影響方面[13-15]。材料的摩擦磨損性能和耐腐蝕性能對(duì)模具的使用壽命同樣有重要影響。但復(fù)合處理工藝對(duì)材料摩擦磨損性能和耐腐蝕性能影響過程和相應(yīng)的影響機(jī)理方面的研究相對(duì)較少。復(fù)合處理工藝對(duì)模具的影響機(jī)理不明,這嚴(yán)重影響了模具性能的提升。

H13鋼因具有較高的淬透性、韌性和熱疲勞性能,廣泛應(yīng)用于熱作模具行業(yè)[16,17]。本工作以H13鋼為研究對(duì)象,將激光淬火與離子滲氮表面改性技術(shù)相結(jié)合,探討了復(fù)合處理對(duì)H13鋼摩擦磨損性能和耐蝕性的影響過程;探討了激光淬火與離子滲氮技術(shù)對(duì)H13鋼改性層的耦合作用機(jī)制及強(qiáng)化機(jī)理,通過復(fù)合處理的方式改善H13鋼表面特性,進(jìn)而提升模具的性能。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為退火態(tài)AISI H13鋼板材,尺寸為50 mm×25 mm×10 mm,其化學(xué)成分見表1。首先對(duì)試樣進(jìn)行常規(guī)處理,然后對(duì)處理后的試樣進(jìn)行激光淬火處理,再對(duì)激光處理后的試樣進(jìn)行離子滲氮。相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)如下:常規(guī)處理(1 030 ℃油淬+560 ℃×2 h二次回火處理)。激光參數(shù):激光功率1 000 W,光斑尺寸4 mm×4 mm,掃描速度480 mm/min,搭接率為30%。滲氮參數(shù):滲氮溫度440 ℃,滲氮時(shí)間6 h,氣壓300～330 Pa,氮?dú)浔?∶3。滲氮之前將試樣打磨拋光至Ra=1.0 μm,并對(duì)試樣進(jìn)行超聲波清洗和烘干處理。本工作中將常規(guī)處理標(biāo)記為CP,激光淬火標(biāo)記為L(zhǎng)Q,離子滲氮標(biāo)記為PN,激光淬火/離子滲氮復(fù)合處理標(biāo)記為L(zhǎng)Q+PN。

表1 H13鋼化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of H13 steel

1.2 性能檢測(cè)及表征

采用TBT-5000型多功能摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試,采用CHI600E型電化學(xué)工作站檢測(cè)樣品的耐蝕性能。摩擦試驗(yàn)參數(shù)如下:試驗(yàn)頻率2 Hz,試驗(yàn)載荷分別為10 N和20 N,試驗(yàn)環(huán)境溫度為室溫,試驗(yàn)時(shí)間30 min,試驗(yàn)方式為球(d=6 mm,ZrO2球)盤直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)(如圖1所示)。為了盡量減小試驗(yàn)偏差的影響,每次試驗(yàn)結(jié)束后更換新的試樣和陶瓷球,且每種試驗(yàn)均重復(fù)5次。電化學(xué)測(cè)試參數(shù):介質(zhì)為3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液,測(cè)試時(shí)間400 s,電位范圍為-1.2～1.2 V,掃描速率1 mV/s。

圖1 高頻往復(fù)摩擦組件示意圖Fig. 1 Schematic diagram of high-frequency reciprocating friction assembly

對(duì)所有測(cè)試完的試樣均采用ZEISS Axio Imager型光學(xué)顯微鏡、Quanta 450 FEG型掃描電子顯微鏡(SEM)及附帶的能譜儀(EDS)對(duì)其微觀組織、表面形貌以及表面化學(xué)成分進(jìn)行分析。

采用Micro XAM-800型非接觸式光學(xué)輪廓儀對(duì)材料的磨損體積進(jìn)行測(cè)量,磨損率k采用公式(1)[18]計(jì)算:

(1)

式中:ΔV為磨損體積,mm3;L為磨損距離,m;FN為試驗(yàn)載荷,N。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微分析

不同熱處理工藝下H13鋼試樣表面顯微組織形貌和晶粒度分布如圖2所示。由圖2可知,激光淬火試樣表面主要為淬火馬氏體,試樣表面晶粒尺寸最小,晶界數(shù)量最多。滲氮處理試樣和激光淬火-滲氮復(fù)合處理試樣表面顯微組織分布一致,主要以晶粒尺寸大小不同的氮化組織為主。由霍爾-配奇公式(σs=σ0+Kd-1/2,σs為屈服強(qiáng)度,σ0和K為常數(shù),d為晶粒尺寸)可知,多晶體的塑形變形能力和屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸和位錯(cuò)數(shù)目密切相關(guān)。晶粒越細(xì)屈服強(qiáng)度越高,位錯(cuò)越多抗塑性變形能力越好[19,20]。晶粒尺寸對(duì)金屬耐蝕性能也有顯著的影響,隨著晶粒尺寸的變細(xì),鋼表面的耐蝕性會(huì)顯著增強(qiáng)[21,22]。經(jīng)激光淬火處理后再進(jìn)行滲氮,由于激光淬火特殊的加熱方式,導(dǎo)致淬硬層中形成了大量空位、位錯(cuò)和孿晶等晶體缺陷,這些晶體缺陷能夠抑制滲氮過程中晶粒的長(zhǎng)大,從而使復(fù)合處理后試樣表面的組織明顯細(xì)化,晶粒分布也更加均勻致密。

圖2 不同工藝熱處理試樣表面金相組織和晶粒度分布Fig. 2 Metallographic structure and grain degree distribution of samples’ surfaces under different heat treatment processes

圖3為不同熱處理工藝下H13鋼試樣橫截面SEM形貌和EDS面掃描結(jié)果,圖3中矩形區(qū)域?yàn)镋DS掃描區(qū)域。從圖3中可以明顯觀察到,滲氮處理和激光淬火-滲氮復(fù)合處理試樣表層均出現(xiàn)了N濃度富集區(qū)域(圖3中箭頭所示),表明經(jīng)單一滲氮處理和復(fù)合處理后試樣表層均形成了薄厚不一的氮化層,滲氮處理和激光淬火-滲氮復(fù)合處理試樣表面氮化層厚度分別為75 μm和140 μm,這表明經(jīng)復(fù)合處理后滲層明顯變厚,N濃度分布更加均勻致密。復(fù)合處理工藝滲氮層變厚的原因主要有以下2個(gè)方面,一是激光淬火后在試樣表面形成了大量的晶體缺陷,這些晶體缺陷加快了N原子的動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散過程,降低了氮化物形核氮?jiǎng)莸拈T檻值,促進(jìn)了材料表面的化學(xué)反應(yīng);二是激光淬火導(dǎo)致試樣表層晶粒細(xì)化,形成了高體積分?jǐn)?shù)的晶面,為氮原子擴(kuò)散提供了理想的通道。

圖3 不同熱處理工藝下H13鋼試樣橫截面SEM形貌和EDS面掃描結(jié)果Fig. 3 SEM morphology and EDS plane scan results of cross section of H13 steel sample under different heat treatment processes

2.2 摩擦學(xué)性能測(cè)試

圖4為不同工藝熱處理試樣在載荷為10 N下的磨損形貌及EDS分析結(jié)果,圖4中矩形區(qū)域中心為EDS測(cè)試區(qū)域。由圖4a可知,常規(guī)處理試樣磨痕寬度和深度最大,磨痕表面磨損最為嚴(yán)重,耐磨性最差。激光淬火-滲氮復(fù)合處理試樣的磨痕寬度和深度最小,磨痕表面更加平整光滑,耐磨性最好。對(duì)不同試樣的磨痕進(jìn)行放大觀察可以看出,常規(guī)處理試樣磨痕表面產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑形變形,試樣表面O元素的含量為11.76%,明顯高于其它3種處理試樣,表明常規(guī)處理試樣在摩擦過程中發(fā)生了較為嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象, 磨損機(jī)理以黏著磨損和氧化磨損為主。由圖4b可知,激光淬火試樣的磨痕表面出現(xiàn)了明顯的磨粒,試樣表面O元素的含量為10.14%,僅小于常規(guī)處理試樣,表明激光淬火試樣在載荷為10 N條件下的磨損機(jī)理同樣以磨粒磨損和氧化磨損為主。圖4c、4d分別為滲氮處理和激光淬火-滲氮復(fù)合處理試樣的表面形貌和EDS分析結(jié)果,可以看出2種試樣的磨痕表面均沒有出現(xiàn)明顯的磨損現(xiàn)象,試樣表面N元素的含量分別為4.11%和4.79%,且未檢測(cè)到氧元素,這表明在載荷為10 N條件下滲氮處理和激光淬火-滲氮復(fù)合處理試樣均表現(xiàn)出良好的耐磨性。

圖4 不同工藝熱處理試樣在載荷為10 N下的磨損形貌及EDS分析結(jié)果Fig. 4 Wear morphology and EDS analysis results of samples under different heat treatment processes and 10 N load

圖5為不同工藝熱處理試樣在載荷為20 N下的磨損形貌及EDS分析結(jié)果。由圖5可知,常規(guī)處理試樣表面磨損最為嚴(yán)重,耐磨性最差,激光淬火-滲氮復(fù)合處理試樣表面磨損最小,耐磨性最好。對(duì)不同試樣的磨痕進(jìn)行放大觀察發(fā)現(xiàn),常規(guī)處理試樣的磨痕表面產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑形變形,試樣表面O元素的含量也明顯高于10 N載荷試樣,達(dá)到了18.03%,這表明隨著載荷的增加,試樣表面黏著磨損和摩擦發(fā)熱加劇,大量的摩擦熱使得摩擦表面發(fā)生了嚴(yán)重的氧化磨損現(xiàn)象。圖5b為激光淬火試樣的磨損形貌及EDS分析結(jié)果,可以看出,激光淬火試樣表面發(fā)生了明顯的材料剝離現(xiàn)象,部分剝離的材料黏附在試樣表面形成磨顆,分析原因主要是由于激光淬火特殊的加熱和冷卻方式,使硬化層內(nèi)部殘余了大量熱應(yīng)力,在較大的接觸應(yīng)力下,導(dǎo)致表面發(fā)生脫落[23],試樣表面O元素的含量為19.06%,分析原因主要是由于表面材料剝離后導(dǎo)致黏著磨損和摩擦熱加劇,導(dǎo)致試樣表面發(fā)生了嚴(yán)重的氧化磨損現(xiàn)象。激光淬火試樣在載荷為20 N下的磨損機(jī)理同樣以黏著磨損和氧化磨損為主。圖5c為滲氮處理試樣的磨損形貌及EDS分析結(jié)果,可以看出試樣的磨痕表面出現(xiàn)了平行于劃痕方向的犁溝,這是由于試樣表面附著了大量細(xì)微顆粒,導(dǎo)致對(duì)磨過程中產(chǎn)生了較大的接觸應(yīng)力。試樣表面O元素的含量為8.40%,表明PN試樣在載荷為20 N下的磨損機(jī)理以輕微的磨粒磨損和氧化磨損為主。圖5d為激光淬火-滲氮復(fù)合處理試樣的磨損形貌及EDS分析結(jié)果,可以看出復(fù)合處理試樣表面犁溝較單一滲氮試樣顯著改善,且沒有檢測(cè)到氧元素,表明復(fù)合處理試樣在20 N下的磨損機(jī)理仍然以輕微的磨粒磨損為主。從以上結(jié)果可以看出,無論在輕載(10 N)還是在較大載荷(20 N)下,復(fù)合處理后試樣均表現(xiàn)出了非常好的摩擦磨損性能。這是由于復(fù)合處理后試樣表面晶粒更細(xì),滲層位錯(cuò)密更高,抗塑性變形能力更好,在滑動(dòng)摩擦過程中阻礙滑移系運(yùn)動(dòng)的能力更好。此外,經(jīng)復(fù)合處理后的試樣滲層更厚,有研究[24,25]發(fā)現(xiàn)增加涂層厚度可以顯著降低界面剪切應(yīng)力,提高涂層的疲勞強(qiáng)度和耐磨性。

圖5 不同工藝熱處理試樣在載荷為20 N下的磨損形貌及EDS分析結(jié)果Fig. 5 Wear morphology and EDS analysis results of samples under different heat treatment processes and 20 N load

圖6和表2分別為不同工藝熱處理試樣在不同載荷下的磨痕三維輪廓、磨痕截面曲線和磨痕寬度。結(jié)合圖6和表2可知,在載荷為10 N時(shí),單一滲氮處理和復(fù)合處理均能顯著改善試樣表面的耐磨性。當(dāng)載荷為20 N時(shí),復(fù)合處理后的試樣相比單一滲氮處理試樣的磨痕深度和寬度更小,減磨效果更好,表明在較大載荷載下復(fù)合處理能顯著改善試樣表面的耐磨性。

圖6 不同工藝熱處理試樣在不同載荷下的磨痕三維輪廓和磨痕截面曲線Fig. 6 Three-dimensional profile and section curve of wear marks of samples under different heat treatment processes and different loads

表2 不同工藝熱處理試樣在不同載荷下的磨痕寬度 μmTable 2 Wear width of samples under different heat treatment processes and different loads μm

圖7分別為不同工藝熱處理試樣在不同載荷下的平均摩擦系數(shù)和磨損率。由圖7可知,當(dāng)載荷為10 N時(shí),CP、LQ、PN和LQ+PN試樣在穩(wěn)定磨損階段的平均摩擦系數(shù)分別為0.60、0.63、0.37、0.34,磨損率分別為1.06×10-7、0.66×10-7、0.04×10-7、0.02×10-7mm3/(N·m)。與CP以及單一激光淬火處理相比,經(jīng)單一滲氮處理和復(fù)合處理后試樣的摩擦系數(shù)更小,磨損率更低,耐磨性更好。當(dāng)載荷為20 N時(shí),CP、LQ、PN和LQ+PN試樣在穩(wěn)定磨損階段的平均摩擦系數(shù)分別為0.65,0.53、0.45和0.36,磨損率分別為1.31×10-7、0.98×10-7、0.26×10-7和0.08×10-7mm3/(N·m)。與單一滲氮處理相比,經(jīng)復(fù)合處理后試樣的摩擦系數(shù)和磨損率更小,表明在較大載荷下復(fù)合處理工藝具有更好的減磨效果。

圖7 不同工藝熱處理試樣在不同載荷下的平均摩擦系數(shù)和磨損率Fig. 7 Average friction coefficients and wear rates of samples under different heat treatment processes and different loads

2.3 耐蝕性檢測(cè)

圖8為不同工藝熱處理試樣動(dòng)電位極化曲線和PN、LQ+PN試樣表面未磨損區(qū)域的EDS分析結(jié)果。表3為不同工藝熱處理試樣的極化曲線擬合參數(shù)。在通常情況下,自腐蝕電位越高,耐蝕性越好,腐蝕電流密度越小,腐蝕速率越小[26]。結(jié)合圖8和表3可知,CP試樣的自腐蝕電位最低,LQ+PN試樣的自腐蝕電位最高,這表明復(fù)合處理后的試樣的耐蝕性最好。和常規(guī)處理相比,激光淬火后試樣表面電極電位明顯升高。電極電位升高的原因主要有以下2個(gè)方面,一是由于激光淬火后試樣表面形成了致密的氧化膜;二是激光淬火導(dǎo)致晶粒尺寸細(xì)化,從而使試樣表面的耐蝕性增加。不同工藝熱處理試樣的自腐蝕電流密度相差很小,表明試樣的腐蝕速率基本相同。通過計(jì)算鋼的PREN指數(shù)[PREN指數(shù)=w(Cr)+3.3w(Mo)+16.0w(N),其中w(Cr)、w(Mo)、w(N)分別表示Cr、Mo、N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)],可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鋼的抗點(diǎn)蝕能力[27]。PREN值越高說明鋼的點(diǎn)蝕電位越高,耐蝕性能越好。H13鋼中Cr和Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.4%和1.23%,因此可以計(jì)算出CP和LQ試樣的PREN指數(shù)均為9.46。PN和LQ+PN試樣表面N元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.5%和5.3%(圖8b、8c)。由此得出,PN和LQ+PN試樣的PREN指數(shù)分別為81.5和94.3,表明N原子的滲入可以大幅度提高點(diǎn)蝕電位。與單一激光淬火和單一滲氮處理相比,復(fù)合處理后樣品的PREN值更大,晶粒尺寸更小,抗點(diǎn)蝕能力更好。

圖8 不同工藝熱處理試樣的動(dòng)電位極化曲線和PN、LQ+PN試樣表面未磨損區(qū)域的EDS分析結(jié)果Fig. 8 Potentiodynamic polarization curves of samples under different heat treatment processes and EDS analysis results of the non-worn area on the surface of PN and LQ+PN samples

表3 不同工藝熱處理試樣的極化曲線擬合參數(shù)Table 3 Polarization curve fitting parameters of samples under different heat treatment processes

圖9顯示了不同工藝熱處理試樣表面腐蝕形貌及微區(qū)EDS分析結(jié)果,圖9中矩形區(qū)域?yàn)镋DS測(cè)試區(qū)域。從圖9中可以看出,CP試樣表面出現(xiàn)了大量的蝕坑,腐蝕最為嚴(yán)重,耐蝕性最差。LQ+PN試樣表面的腐蝕區(qū)域最小,蝕坑最淺,耐蝕性最好。對(duì)試樣表面的腐蝕區(qū)域進(jìn)行放大觀察。如圖9a所示,CP試樣表面腐蝕區(qū)域出現(xiàn)了嚴(yán)重的開裂和脫落現(xiàn)象,腐蝕區(qū)域O元素的含量為16.79%,C元素含量為10.76%,這表明CP試樣表面發(fā)生了較為嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象和碳的偏析現(xiàn)象,碳的偏析會(huì)導(dǎo)致材料表面的耐蝕性和硬度降低,從而使材料的綜合性能降低[28,29]。如圖9b所示,LQ試樣表面腐蝕區(qū)域氧元素的含量為28.76%,C元素含量為7.07%。LQ試樣表面腐蝕區(qū)域氧元素的增加是由于激光淬火過程中試樣表面形成了較為致密的氧化膜,氧化膜的形成會(huì)延緩腐蝕過程中電解液的侵蝕,降低腐蝕速率,提高耐蝕性。如圖9c、9d所示,PN和LQ+PN試樣表面腐蝕區(qū)域O元素的含量分別為8.43%和7.40%,N元素的含量分別為2.16%和4.50%,這表明滲氮處理并沒有降低H13鋼的耐蝕性,反而使其表面的抗氧化性能提高。復(fù)合處理后試樣表面腐蝕區(qū)域的N元素含量相比單一滲氮處理試樣更多,PREN指數(shù)更高,抗點(diǎn)蝕能力更好。

圖9 不同工藝熱處理試樣表面腐蝕形貌及微區(qū)EDS分析結(jié)果Fig. 9 Surface corrosion morphology and micro-area EDS analysis results of samples under different heat treatment processes

圖10為不同工藝熱處理試樣表面腐蝕形貌及EDS面掃描結(jié)果。由圖10可知,CP試樣表面氧化和碳偏析最為嚴(yán)重,LQ+PN試樣表面元素分布最為均勻,這表明復(fù)合處理后試樣在腐蝕過程中表面元素沒有發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。此外,CP和LQ試樣表面腐蝕區(qū)域出現(xiàn)了明顯的貧Cr現(xiàn)象,而Cr含量的降低將會(huì)導(dǎo)致材料的耐蝕性降低。從上述試驗(yàn)結(jié)果可以得出,復(fù)合處理能夠明顯改善H13鋼表面的耐蝕和抗氧化性能。

圖10 不同工藝熱處理試樣表面腐蝕形貌及EDS面掃描結(jié)果Fig. 10 Surface corrosion morphology and EDS plane scan results of samples under different heat treatment processes

3 結(jié) 論

(1)復(fù)合處理可以顯著改善材料的耐磨性,與單一激光淬火處理和單一滲氮處理相比,在較大載荷條件下(20 N),復(fù)合處理改性層的摩擦系數(shù)以及磨損率分別從0.53、0.98×10-7mm3/(N·m)和0.45、0.26×10-7降低至0.36、0.08×10-7mm3/(N·m)。

(2)復(fù)合處理工藝可以顯著改善材料的耐腐蝕性能,和常規(guī)處理、單一激光淬火處理以及單一滲氮處理相比,復(fù)合處理后試樣表面的自腐蝕電位分別從-0.902、-0.573、-0.511 V提高至-0.483 V。