H13模具钢激光熔凝层的组织和性能

H13 模具钢相当于国产 4Cr5MoSiV1 钢 具有较高的淬火性和淬火性，主要用于制造压铸模具、轻金属挤压模具、锻造模具和塑料模具 、蜗杆 、渗碳顶杆和热剪刀片。热模具在使用过程中具有热疲劳、冲蚀、应力腐蚀 、表面热焊等物理化学作用，使用寿命较低 。目前，我国铝压铸模具的一般使用寿命为 2~10万次，仅为工业先进** 1/3 ~ 1/5。众所周知，模具的故障始于表面，尽管常规化学热处理、堆焊和电火花表面强化 PVD、CVD 等方法可以在一定程度上延长模具的使用寿命，但上述方法工艺复杂，处理周期长，或模具变形大，或涂层薄脆，磨损快，容易出现早期裂纹 ，在实际应用中存在一定的问题，探索改进 H13钢表面性能的实用新工艺 将具有重要的现实意义。理想的表面改性涂层应与基体保持良好的结合，激光表面工程具有足够的厚度、无缺陷 、适当的物理化学性能，能有效提高材料的表面性能，对模具表面的强化、修复和提高使用寿命具有显著的效果。本文采用高能束激光熔化处理H13 钢表面获得激光熔凝层。在不改变模具钢表面成分的情况下，实现钢基表面的自强化，并结合铝合

金压铸模具的实际使用，对熔凝层的组织结构、硬度、耐磨性和耐腐蚀性进行综合评价H13 钢压铸模具的使用寿命提出了有效途径。

1.1

经淬火和回火处理的 试验基材H13 热作模具钢的化学成分(质量分数，%)为:0.32 ～ 0.45C 、0.8～ 1.2Si 、0.2～ 0.5Mn、4.75 ～ 5.5Cr、0.8 ～ 1.2Mo、1.1～1.75V 。样品表面经砂纸打磨、喷砂 、清洗 、干燥后黑化。TJ-HL-2000 型 CO2 激光器熔凝，更佳工艺参数为：输出功率为1200W,光斑直径为3mm ，焦距为 300mm ，激光束的扫描率为 4000mm/min,大面积激光扫描搭接率为 30%。

1.二、测试方法

金相样品的制备取自垂直于激光束扫描方向的横截面。Olympus BX60 光学图像分析系统分析熔凝层的组织形状； D/max2500PC 型 X 射线衍射仪测定基材和熔凝层的相结构 ，CuK α 衍射 ，衍射束石墨滤光器单色 ，电压 40kV,电流为 40mA,扫描速度为1.5(°)/min, 30扫描范围(°)～ 85(°)。采用 HVS-1000 数显微硬度计测量熔凝层的硬度 ，载荷重量为2000g ，加载时间 15s;用MS-38型往复磨损试验机对磨损性能进行评样品尺寸为 30mm×25mm×10mm 30mm ×25mm ，样品表面粗糙度R a =0.2μm,摩擦副为油石(粒度 0.063mm),润滑油为N32号机油 滴量为10 ~ 12 滴/h,磨损试验参数： 200mm, 磨损线速度4000mm/s,载荷为25N,每 10min 用感量为 0.01mg 分析天平测定样品磨损损失重并添加润滑油 。

10mm ×10mm ×10mm,熔凝面磨成金相样品， 1μm 钻石膏研磨。EG&G Parc 273恒电位计测量基底和激光熔凝层的电化学极化曲线，以确定熔凝层的电化学腐蚀性能。为了接近实际工作条件 ，腐蚀介质是工业压铸铝合金工件的脱模剂，23℃用饱和甘汞电极恒温 (SEC)作为参考电极，铂电极作为辅助电极 ，提前测量介质中样品的自腐蚀电位 ，系统稳定后测量电化学极化曲线 ，初始电位小于自腐蚀电位 200mV,电位扫描速度为1mV/s。

测试结果

2.1　 激光熔凝层的组织结构

图1 为 H13 热作模具钢基材的组织形态 ，其组织为回火索氏体；图 2 是激光熔凝处理后熔凝层的组织形状，熔凝层厚度约为 0.5mm 组织致密、无孔洞、裂纹等缺陷 。从图片 2 可以看出，H13 钢经激光熔化处理后，其组织发生了显著变化，包括熔化区、过渡区、相变硬化区和热影响区，其中过渡区和热影响区分布狭窄，分布区边界不明显。激光熔化扫描时，熔池金属熔体凝固是一个动态过程 ，随着激光束的连续扫描 ，熔池金属熔化凝固 ，熔池底部与加热到微熔状态的固态母晶粒接触，表面形状核附着不均匀晶体核，形状核率显著提高，使熔化层的晶体组织显著细化。H13钢激光熔凝层的结晶形态取决于熔池的形状控制因子 ,即熔池结晶方向上的温度梯度 G冷凝速度 R 之比 G/R 。在熔池底部 R 趋于0，这里的温度梯度更大，所以 G/R 值很大，因此熔池底部的凝固组织沿晶界或相界呈外延式生长，生长速度极低；而熔凝层的中部，随 R 和 的增加G/R 逐渐减少，沿热流方向形成常规柱状和树枝状混合晶体生长形式 ；在熔池顶部 ，形成极其细的树枝晶体。图3 H13 钢基材(Ⅰ)激光熔凝层(Ⅱ)的X射线衍射谱，从图 3可以看出，与基材相比，激光熔凝层增加了Cr7C3 、Cr23C6和MoC碳化物。

2.激光熔凝层的磨损性能

图4 为H13钢激光熔凝层硬度分布曲线 ，图5 为磨损曲线。图4显示，H激光熔化处理后，13钢的表面硬度显著提高 。试验还发现，随着激光束扫描率的提高 ，冷凝层硬度呈上升趋势 。考虑到冷凝处理的影响因素，本试验为 400mm/min扫描速率。从熔凝层X根据射线结构的分析，熔凝层含有许多新的碳化物强化相，在传统的热处理状态下难以获得。因此，碳化物扩散强化和快速熔凝固溶强化将有利于提高熔凝层的耐磨性。从金相观察可以看出，激光熔凝处理后，其组织明显细化，由 Hall-Petch公式:σs =σ0 Kyd^(-1/2) 可以看出，细熔层组织产生的细晶强化 有利于提高熔层的屈服强度 ，减少磨损过程中的物料转移 ，抵抗摩擦副磨粒的磨削。.3.化学腐蚀金属材料在结晶过程中由于成分分布不均匀、边界、晶体边界等原因导致微结构不均匀，同时晶体固有缺陷的存在，导致表面自由能波动较大，导致表面自由能不均匀，导致电位差大，形成局部腐蚀原电池。从腐蚀原电池的基本原理可以看出，对于相同的材料 ，其在腐蚀介质中的腐蚀速率随表面局部电位差的增加而增加。在铝合金压力铸件的实际使用过程中，为了提高压力铸件的表面质量，同时提高模具的冷却效果，通常不能避免喷涂腐蚀。H脱模剂介质中13 钢基材和激光熔凝层的电化学阳极曲线 。从图6 可以看出，与基材相比， 熔凝层的自腐蚀电位明显向前移动，由-427mV 上升为-281mV,腐蚀电流为H维钝电流密度为13 钢基材的40

%^(-2) A·cm^(-2)下降至10^(-5) A·cm^(-2) 。H13 钢激光表面熔凝处理 ，利用激光快速加热和快速冷却的特点，可使材料表面结构和成分均匀 ，减少局部表面自由能的差异，显著提高其电化学腐蚀性能。

3 　 结论

(1) 在 采用激光熔凝强化处理H13 钢表面获得无缺陷熔凝层 ，熔凝层组织呈定向生长形式。X射线分析表明熔凝层分析了分散的 Cr7C3 、Cr23C6 和MoC碳化物 。

(2) H激光熔凝处理后，13钢的微硬度有所提高。磨粒磨损试验表明，激光熔凝层的耐磨性为H13钢基体的1.8 倍，其强化机制主要是过饱和固溶强化、细晶强化和碳化物弥散强化。

(3) H经激光熔凝处理后，13钢的耐腐蚀性有所提高，自腐蚀电位正移 ，维钝电流明显降低 。