工藝參數對激光熔敷高溫鍛壓模具鋼性能的影響

呂海珠

（遼寧機電職業技術學院，丹東 118009）

0 引言

因其工作環境惡劣，長期服役于高溫、高頻率鍛打工作條件，高溫鍛壓模具需要極佳的耐磨損性能，耐高溫性能和疲勞性能[1,2]。表面改性是提高高溫鍛壓模具綜合性能的有效途徑之一，目前常用的表面改性技術有火焰噴涂、電弧噴涂、超音速噴涂和激光熔敷等方法[3]。由于結合強度高、硬度高、耐磨損性能和耐腐蝕性好等優點，激光熔敷在模具表面改性方面具有極大的市場大規模推廣應用前景[4]。在實際的激光熔敷過程中，激光功率和掃描速度是影響熔敷層組織和性能的主要工藝參數，對表面改性模具的綜合性能產生重要影響。為了進一步促進激光熔敷在高溫鍛壓模具表面改性上的應用，本文采用不同的工藝參數（激光功率和掃描速度），對4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼進行了激光熔敷處理，并進行了顯微組織、耐磨損性能、耐高溫腐蝕性能和熱疲勞性能的測試與分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣材料

選用4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼作為基材，基材的尺寸為100mm×50mm×8mm，基材的化學成分采用SEA-1000A型X射線熒光光譜儀進行分析，分析結果如表1所示。激光熔敷采用的鎳基多元合金，采用SEA-1000A型X射線熒光光譜儀分析對上述鎳基多元合金的化學成分進行分析，分析結果如表2所示。

表1 4Cr5W2SiV模具鋼基材化學成分（質量分數，%）

表2 熔敷合金的化學成分（質量分數，%）

1.2 試驗方法

采用HUST-JKR5170型激光加工系統進行4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼的激光熔敷處理，激光器為CO2激光器（最大功率5kW）。激光熔敷的工藝過程如圖1所示。各高溫鍛壓模具鋼試樣的激光熔敷工藝參數如表3所示。

圖1 激光熔敷工藝過程

表3 激光熔敷工藝參數

4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼熔覆層的顯微組織采用PX15型光學顯微鏡進行觀察。采用THT型高溫摩擦磨損測試儀進行試樣的耐磨損性能測試，測試溫度600℃，測試載荷90N、相對滑動速度為90mm/min、磨輪轉速200r/min、摩擦磨損總轉數2000r，并采用GX15型金相顯微鏡對磨損表面進行觀察。采用HG19型恒溫箱式電阻爐進行試樣的耐高溫腐蝕性測試，測試條件為600℃×100h。采用WH-VI-16型高頻感應加熱設備進行試樣的熱疲勞性能測試，測試前試樣需進行細磨和拋光，并確保試樣表面無機械溝痕和不規則狀態，試樣經過1000次600℃～25℃的冷熱循環，一次加熱和一次冷卻作為一個循環，采用80倍PX15型光學顯微鏡觀察試樣的裂紋形貌，并根據國標GB/T 15284-2008進行熱裂紋級別評定。

2 試驗結果及討論

2.1 工藝參數對熔覆層顯微組織的影響

圖2和圖3是不同工藝參數下，4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼試樣熔覆層的平均晶粒尺寸測試結果。從圖2可以看出，激光功率不同，模具鋼熔覆層的平均晶粒尺寸發生明顯變化；隨著激光功率的增大，熔覆層平均晶粒尺寸先減小后增大。這主要是因為：在其他參數相同時，激光功率決定熔敷合金與基材的受熱情況；若激光功率較小，熔敷合金難以在基材表面均勻鋪展，難以獲得連續而均勻的熔覆層顯微組織；若激光功率過大，能量過大，勢必引起熔敷層晶粒長大，從而使其平均晶粒尺寸增大。從圖3可以看出，隨掃描速度的增大，模具鋼熔覆層的平均晶粒尺寸逐漸減小。這主要是因為：當掃描速度較小時，熔池液態保留時間較長，冷卻速率較慢，凝固時間較長，獲得的熔覆層顯微組織較粗大；當掃描速度增大時，凝固時間變短，晶核來不及長大從而使得熔覆層顯微組織得到細化[5]。圖4是激光功率為3kW、掃描速度為6mm/s的試樣3熔覆層顯微組織照片。從圖4可以看出，熔覆層顯微組織連續、均勻，組織較為細小。

圖2 激光功率對熔覆層平均晶粒尺寸的影響

圖3 掃描速度對熔覆層平均晶粒尺寸的影響

圖4 試樣3的顯微組織

2.2 工藝參數對耐磨損性能的影響

圖5和圖6是不同激光熔敷工藝參數下，4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼試樣的耐磨損性能測試結果。由圖5和圖6觀察可知，隨著激光功率從2kW增大至4kW時，激光熔敷模具鋼試樣的磨損體積先減小后增加，試樣的耐磨損性能先提高后下降；隨著掃描速度從4mm/s增大至8mm/s時，激光熔敷模具鋼試樣的磨損體積逐漸減小，試樣的耐磨損性能逐漸提高。圖7是試樣1、試樣3和試樣9在磨損試驗后的表面形貌照片。從圖9可觀察到，隨著不同的工藝參數的變化激光熔敷4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼試樣獲得的的磨損情況明顯不同。為了獲得良好的耐磨損性能，必須選擇適當的結果熔敷工藝參數。

圖5 激光功率對耐磨損性能的影響

圖6 掃描速度對耐磨損性能的影響

圖7 試樣的磨損表面形貌

2.3 工藝參數對耐高溫腐蝕性能的影響

圖8所示在不同工藝參數下，激光熔敷4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼試樣的600℃×100h高溫腐蝕試驗結果。從圖8腐蝕狀況分布，在其他工藝參數不變的情況下，隨著激光功率從2kW增大至4kW時，經過100h高溫腐蝕后激光熔敷模具鋼試樣的單位面積質量增重先減小后增加，試樣的耐高溫腐蝕性能先提高后下降；隨著掃描速度從4mm/s增大至8mm/s時，試樣的單位面積質量增重逐漸減小，試樣的耐高溫腐蝕性能逐漸提高。這與試樣的耐磨損性能變化規律一致。

圖8 不同工藝參數下，激光熔敷模具鋼試樣的600℃×100h高溫腐蝕試驗結果統計

2.4 工藝參數對熱疲勞性能的影響

經過1000次600℃～25℃的冷熱循環后，根據國標GB/T 15284-2008，不同工藝參數下激光熔敷4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼試樣的表面裂紋評定結果如表4所示。由表4可知，在其他工藝參數不變的情況下，隨著激光功率從2kW增大至4kW時，激光熔敷模具鋼試樣的熱裂紋級別先減小后增大，試樣的熱疲勞性能先提高后下降；隨著掃描速度從4mm/s增大至8mm/s時，試樣的熱裂紋級別逐漸減小，試樣的熱疲勞性能逐漸提高。圖9是激光熔敷4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼試樣9的熱疲勞裂紋照片。從圖9可明顯看出，采用激光功率為3kW、掃描速度為8mm/s時，激光熔敷4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼的主裂紋和網狀裂紋均達到1級，試樣的熱疲勞性能較佳。

表3 激光熔敷工藝參數

圖9 試樣9的熱疲勞裂紋形貌

3 結論

本文采用選用不同的工藝參數，對4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼進行了激光熔敷鎳基多元合金的表面處理，并對熔覆層顯微組織，模具鋼試樣的耐磨損性能、耐高溫腐蝕性能和熱疲勞性能進行了測試與分析，獲得的主要試驗結論如下：

1）在其他工藝參數不變的情況下，隨激光功率從2kW增大至4kW時，熔覆層平均晶粒尺寸先減小后增大；隨掃描速度掃描速度從4mm/s增大至8mm/s，熔覆層平均晶粒尺寸逐漸減小。

2）保持其他工藝參數不變，隨激光功率從2kW增大至4kW時，激光熔敷4Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼的耐磨損性能、耐高溫腐蝕性能和熱疲勞性能均呈現出先提高后降低的變化趨勢；隨掃描速度從4mm/s增大至8mm/s，模具鋼的耐磨損性能、耐高溫腐蝕性能和熱疲勞性能均逐漸提高。

3）4 Cr5W2SiV高溫鍛壓模具鋼激光熔敷鎳基多元合金時的較佳工藝參數：激光功率3kW、掃描速度8mm/s。

[1]汪新衡,秦小平,朱航生.提高精鑄熱鍛模具性能的研究[J].熱加工工藝,2010,39(19):208-210.

[2]丁陽喜,王炳.Cr12MoV模具鋼表面激光熔覆Ni_WC合金工藝研究[J].現代制造工程,2011,4(5):97-100.

[3]楊寧,楊帆.激光熔覆技術的發展現狀及應用[J].熱加工工藝,2011,40(8):110-112.

[4]錢星月,童和強,張丹莉,等.H13模具鋼表面激光熔覆Co基合金涂層的組織和性能[J].熱加工工藝冶金叢刊,2011,195(5):1-3.

[5]Y.BI ROL.Inconel 617 and Stellite 6 alloys for tooling in thixoforming of steels[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2010,(20):1656-1662.