H13鋁材擠壓模具工作帶激光相變強化工業化應用研究

張官軍，李貴倫

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

H13（4Cr5MoSiV1）鋼是應用極為廣泛的熱作模具鋼，具有較高的紅硬性、熱強度和熱疲勞抗力，廣泛用于制造鍛模、壓鑄模和擠壓模等[1-2]。這類模具服役環境惡劣，工作中與高溫材料反復接觸，在交變應力作用下，常因模具表面熱磨損、熱疲勞和腐蝕而失效[3]。利用表面工程技術提高H13鋼的表面硬度、耐磨性和抗腐蝕性已成為國內外的研究熱點。傳統的表面強化方式有滲碳、滲氮、氮碳共滲、噴丸與硬化膜沉淀等，這些強化方式能有效提高H13鋼表面性能，但存在處理周期長、技術要求高、表面結合差及涂層較薄等缺點[4-6]。隨著激光技術的發展，金屬表面激光相變強化技術因晶粒細小、高位錯密度、工件變形小、功率可控和無污染等優勢倍受國內外學者關注[2-4]。

本研究以H13鋼模具為研究對象，結合激光相變強化機理，利用激光技術對鋁材擠壓模具工作帶進行相變強化處理，分析激光相變強化對鋁材擠壓模具工作帶的表面硬度、硬化層深以及表面粗糙度的影響。

1 激光表面硬化機理

與傳統淬火后馬氏體形成的機理類似，激光相變強化也是通過迅速加熱和快速冷卻實現金屬材料表面硬化的，但激光相變強化的熱循環過程有所不同。常規淬火后的組織是通過冷卻介質（水或油）快速冷卻，而激光相變強化是鐵基合金在激光停止照射后，利用金屬基材本身的熱傳導使受熱部位不借助其它介質實現急速冷卻，從而得到“自淬火”馬氏體組織[7]。

激光相變強化技術是通過高能激光束作用于需要改性部位的金屬表面，使其吸收光能后溫度以104~105℃/s的速度瞬間升高到奧氏體相變溫度以上，熔點溫度以下。快速的升溫過程有益于奧氏體形核，得到細小的奧氏體晶粒，隨后通過金屬基材自身的熱傳遞以大于104℃/s的冷卻速度急速冷卻。由于加熱時間短，冷卻速度過快，使得奧氏體來不及均勻化，導致碳和合金元素分布不均，相變形核臨界半徑較小，形核可在原晶界、亞晶界和晶體缺陷處發生，使奧氏體形核得到細小的奧氏體晶粒。而奧氏體快速向馬氏體轉變時，板條狀馬氏體和孿晶馬氏體是常見的組織，具有很高的位錯密度，一般可達1012㎝-2。研究表明，晶粒細小、極大的位錯密度是獲得超高硬度馬氏體的重要條件[8-9]。再者，激光相變強化的這種加工方式使金屬表面產生極大的壓應力，一般可達750 MPa以上，很大程度上可改善材料的疲勞強度[10]。

2 激光相變區不同深度的組織類型

激光束照射在金屬表面會形成較高的溫度梯度，從而引起材料中的原子遷移現象。在一定深度范圍內，不同結構的組織層的形成與溫度有關，主要表現為隨溫度梯度分布的變化，組織的耐磨性、硬度以及其他性能也會發生相應的變化。激光相變強化后，金屬材料可按其組織層的不同可以分成三層，如圖1所示。

圖1 模具工作帶激光相變強化組織示意圖

第一層：硬化層。該層直接受到激光束的照射，溫度升高和降低最快，過熱度和過冷度最大。在非平衡狀態下，基體組織以瞬間切變的形式轉為奧氏體組織，并伴隨著碳及各種合金元素進行擴散和遷移。盡管有元素擴散和遷移，但是與常規的淬火相比，其擴散時間非常有限，使元素分布很不均勻，最終冷卻后得到的組織非常細小，位錯密度極高，而且在該層中的組織也不盡相同。

第二層：過渡層。該層處于硬化層的邊沿，通常也稱為熱影響區，其溫度的升高是通過熱傳遞實現的，一般在Ac1~Ac3之間。溫度梯度相對較小，原子遷移和擴散的驅動力變弱，而且鐵素體向奧氏體轉變和碳化物的溶解都不徹底，即基體未能完成奧氏體化的全過程。因此該層冷卻后的組織由馬氏體和未轉變的原始組織組成。

第三層：基體層。該層溫度最低，通常在奧氏體相變溫度Ac1以下，原子遷移和擴散現象幾乎不會發生。激光相變強化處理對該層組織的影響不是很大，其熱處理效果類似于金屬材料經過傳統回火處理的效果。

3 實驗材料、工藝參數及實驗數據

3.1 實驗材料

實驗基體采用H13鋼模具，試樣模具為同尺寸、同規格H13鋁材擠壓模具。試樣模具工作帶表面用砂紙磨平→丙酮除油→乙醇清洗→烘干后備用。激光相變強化設備采用半導體光纖激光器，最大輸出功率為3 kW，激光波長為1 070 nm,光束直徑為4 mm。激光束通過光纖傳導與6軸機器人相連，通過機械手臂和激光器調整掃描軌跡、掃描速率和激光功率。

3.2 工藝參數

H13鋼模具表面的硬度、耐磨性與材料的合金成分、晶格結構、晶粒大小、表面狀態等因素有關，這些因素直接受到激光相變強化工藝參數的影響，吸收激光能量的程度最終決定H13鋼模具表面的組織性能。影響H13鋼模具吸收激光能量的主要有激光功率P、掃描速度V和加工焦距F等工藝參數。研究發現，激光加工焦距和掃描速度恒定，激光功率高于一定范圍時，H13鋼模具表面溫度高于熔點溫度會在表面形成熔池，影響模具表面的幾何形狀；激光功率低于一定范圍時，激光相變強化效果會減弱。同樣，激光功率和激光加工焦距恒定時，掃描速度也要在適合范圍。掃描速度超過一定范圍時，由于加熱時間過短不能起到激光相變強化的作用；而掃描速度低于一定范圍時，由于加熱時間過長也會在模具表面形成熔池，影響模具的強化效果。激光功率和掃描速度恒定，激光加工焦距也應在適合范圍：加工焦距大于一定范圍時，不僅不能形成相變強化還會出現退火軟化的作用；若小于一定范圍時，也會影響模具的強化效果。H13鋼模具激光相變強化后的表面效果如圖2所示。

圖2 模具工作帶激光相變強化表面效果圖

激光相變強化工藝參數的確定需根據H13鋼模具的合金成分、尺寸和形狀，通過調整影響模具表面強化性能的各項因素來確定激光相變強化工藝參數。激光相變強化的有效工藝參數如表1所示。

表1 激光相變強化的有效工藝參數表

3.3 實驗數據

在同材質模具表面試光以確定優化的工藝參數，再對試樣模具工作帶表面進行激光相變強化，然后對強化后的試樣模具進行金相觀察，分析試樣模具強化層的幾何參量、微觀組織及顯微硬度壓痕形貌等參數。用數碼相機拍攝試樣模具表面形貌，再用線切割法將試樣沿橫截面分開，將截面磨平、拋光、吹干后，用體積分數為0.04的硝酸乙醇溶液浸蝕。采用數顯顯微硬度計檢測相變強化層由表及里的硬度，加載1.96 N，保荷時間10 s，每隔50 μm打一個壓痕。為減小讀數誤差，每個壓痕檢測3次，取其算術平均值。試樣模具實驗數據如表2所示：

表2 激光相變強化模具實驗數據表

實驗數據表明，激光相變強化技術通過改變H13鋼模具工作帶淺層晶格排列達到了硬化效果。硬度達到60~65 HRC，硬化層深度可達200~1 000 μm，工作帶無變形、無開裂，耐磨損、耐疲勞性能顯著增強；工作帶表面形成高密度位錯晶體結構，粗糙度達到0.1~0.5，工作帶細化顯著。H13鋼模具工作帶激光相變強化前、后的金相圖如圖3所示：

圖3 模具工作帶激光相變強化前、后的金相圖

4 分析及討論

激光具有功率高、能量密度集中、加熱時間短、可進行局部淬火、淬火過程柔性可控、材料變形小以及節能環保、無污染等優點。H13鋁材擠壓模具工作帶經激光相變強化后，其相變硬化層組織主要由細板條馬氏體、彌散碳化物和少量孿晶馬氏體組成，過渡層由馬氏體、未轉變的原始組織和少量殘余奧氏體組成。細晶強化、高密度位錯強化、彌散碳化物等能有效提高鋁材擠壓模具工作帶的表面硬度和熱疲勞抗力，足夠的硬化層深度提高了工作帶的耐磨性，不再需要對模具進行反復硬化處理。

5 結論

（1）激光相變強化的H13鋁材擠壓模具工作帶表面硬度明顯提高,且硬化層深度足夠，對提升模具強度、延長模具使用壽命、降低模具使用成本有較大影響。

（2）強化后的H13鋁材擠壓模具工作帶表面具有高密度位錯晶體結構，對提高模具耐磨性和熱疲勞抗力有較大影響。

（3）強化后的H13鋁材擠壓模具工作帶表面細化顯著，有利于提高鋁材產品的表面光潔度、減少表面劃傷、提高成品率。

（4）激光相變強化技術成功解決了傳統模具處理工藝污染環境、浪費能源的環保問題。