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热锻模表面宽带激光熔覆超细碳化钨试验研究

点击数:   录入时间:2017-10-12 【打印此页】 【关闭

1 引言

为了适应热作模具恶劣的环境,提高使用寿命,除了要求热作模具钢本身应具有高的韧性和塑性、小的热膨胀系数和好的导热性等优异的力学性能和使用性能外,特别对于与工件直接接触的模具表面更应具有高的热强度、良好的抗回火性,因此,传统的采用各种(氮、碳、硫等)溶渗以及PVD工艺来提高模具的使用寿命,有较好的效果,但在热作模的工况条件下,改性层表面较薄,而且容易发生氧化、剥落而导致失效,最好的解决办法就是在模具材料表面涂覆硬膜,采用激光熔覆技术可以有效的引人诸如WC等高温硬质合金熔覆层,并且与基体形成冶金结合,同时获得良好耐磨性。

H13 ( 4Cr5MoSiV1)钢是国际广泛应用的一种空冷硬化热作模具钢。本文在H13表面通过宽带激光熔覆工艺制备超细的碳化钨(如图1所示碳化钨粉末平均粒径约为200nm)合金熔覆层,并分析了熔覆层的微观组织结构、硬度、耐磨性和残余应力。

图1 超细WC粉末SEM照片

2 试验材料及工艺方法

基体材料为回火态的H13钢,试样尺寸为100mm* 50mm * 20mm,其化学成分如表1,实验前对试样表面打磨,然后用无水乙醇清洗。

将超细WC与一定量自行配制的含Cr, Fe, Si等元素的粉末一起加人到吸光涂料中,用超声波对溶液进行一个小时的均匀化处理后,涂覆约0. 2mm厚的薄层在试样的表面上,然后吹干。

用氢气作为保护气体,并将气体保护装置固定在激光聚焦镜上,随镜头移动,实时对熔池进行气体保护,采用最大功率为7 kW的连续CO。激光器,在光斑尺寸为9*2mm2,扫描速度为0.25~0.40m/min,功率为2~3kW的激光工艺参数条件下对试块表面进行激光处理。

制备好试样,用HXD-1000型显微硬度计、WM-2002型摩擦磨损实验仪、Hitachi S-4700(II)型场发射扫描电子显微镜、Thermo NORAN VAN-TAGS EIS能谱仪、Thermoarl-SCINTAGX TRAX型X射线衍射仪和Sartorius-BS21S型电子天平(精确到0.Olmg)分别对硬度、耐磨性、表面形貌、元素分布、微观结构、物相以及失重等进行检测和分析。采用X-350A型X射线应力测定仪进行熔覆层残余应力分析。

3 试验结果及分析

3. 1宏观形貌及残余应力

如图2所示为采用光斑尺寸为9*2mm,激光熔覆工艺制备的超细WC熔覆层表面和截面的试样扫描照片。从图2A处为金相砂纸打磨以及B处为激光处理后的原始表面形貌,可以看出熔覆层表面平整光滑,且没有裂纹气孔出现,熔覆层截面可以分为四个区:熔覆层、过渡区(熔覆层与热影响区的交界)、热影响区和基体;熔覆层的厚度约为0. 4mm.

图2 激光熔覆层WC的宏观形貌

为了获得较大面积熔覆层,试验过程我们采用了搭接的办法,从图2中也可看出搭接地方熔覆层过渡自然,这对于需要大面积强化的模具表面具有重要意义。

用X-350A型X射线应力测定仪来测定其表面残余应力。应力测量方法为侧倾固定动法,定峰方法为交相关法,Cr靶Kα特征辐射,时间常数1. 5s,阶梯扫描步进角0. 1 ,扫描起始角及终止角分别为162 和146 ,侧倾角Ψ分别取0 、20 、35 和45 ,应力常数K=-318MPa/度。

如图3所示,基体残余压应力值X向为118MPa,Y向为127MPa,超细WC熔覆层残余压应力X向为468MPa, Y向为566MPa,说明H13表面经激光熔覆超细WC处理后表面残余压应力得到了显著的提高。表面存在较大残余压应力有利于提高热作模具的抗疲劳寿命。这是由于在激光熔池作用下,外界WC以及其他元素的介人,以固溶体或化合物的形式进人到熔覆层,物相发生变化,迅速冷却的熔池没法使加人的WC完全与基体元素熔合均匀,使得晶体内部位错大量增加,因而表面表现残余压应力,另外从“圆弧形”熔覆层也可以看出,激光扫描过程中,激光扫描方向(Y向) 的截面熔覆层尺寸(Z向)为熔覆层最大厚度,而X向熔覆厚度以弧形递减,所以Y向较X向的残余应力要大得多。