3Cr2W 8V模具钢激光表面相变硬化层性能的研究

况 敏,苏玉长,邓春明,马文有,陈兴驰

1.中南大学,湖南长沙 410083;2.广东省工业技术研究院(广州有色金属研究院),广东广州510650

3Cr2W 8V模具钢激光表面相变硬化层性能的研究

况 敏1,2,苏玉长1,邓春明2,马文有2,陈兴驰2

1.中南大学,湖南长沙 410083;2.广东省工业技术研究院(广州有色金属研究院),广东广州510650

采用优化的工艺参数,对3Cr2W 8V模具钢表面进行激光相变淬火硬化.通过对淬火层显微组织分析及X射线衍射分析发现,淬火层横截面显微组织为淬火马氏体及少量残余奥氏体,并且呈极细的针状.对淬火层进行维氏显微硬度测试,结果表明,淬硬层有均匀硬化的特征.通过激光淬火层与普通淬火层磨损失重的对比发现,激光淬火层的耐磨性较普通淬火层的耐磨性提高近一倍.

激光;相变硬化;淬火;性能

激光表面相变淬火硬化是近年来表面工程技术中一种新兴的表面改性技术,它是通过高能激光束扫描工件表面,工件表层材料将吸收的激光辐射能转化为热能,热能通过传导使周围材料急速升温至奥氏体相变点以上、熔点以下的温度,停止加热后因材料基体的自冷作用,使被加热的表层材料以超过马氏体相变临界冷却速度急速冷却,从而完成相变硬化.激光淬火过程中存在很大的过热度和过冷度,使得淬硬层的晶粒超细、位错密度极高且在表层形成压应力,从而提高了工件的耐磨性、抗疲劳、耐腐蚀及抗氧化等性能,延长了工件的使用寿命.在服役过程中,模具的表面需承受磨擦、冲击及挤压等各种复杂应力,模具的失效大都由表面开始.在我国,模具钢因表面磨损而引起的模具精度改变及模具早期失效,占各模具使用量的50%以上,特别是热作模具钢.

本文中采用国外新兴的激光处理技术,对目前最常用的3Cr2W 8V模具钢的表面进行处理,并对改性后模具钢表层的性能进行了研究.

1 试验部分

1.1 原料及设备

试验材料为3Cr2W 8V模具钢,其表面涂覆有吸光涂料,涂层厚度为40～70μm.试验设备为国产10000 W横流CO2激光加工成套设备,其激光功率为3500 W、激光扫描速度为3 m/min,选用30 mm×1 mm的光斑积分镜,激光扫描搭接尺寸为1.5 mm.

1.2 方 法

用Leica DM IRM型金相显微镜,观察激光相变淬火硬化层的显微组织;用JSM-5910型扫描电子显微镜,观察淬火层横截面微观组织;用 X射线衍射仪,分析激光硬化层组织及结构;用M H-5D型数字显微维氏硬度计测量淬火层硬度梯度分布,其中载荷为1.96 N,保载时间为15 s;在 MUS-ISO3磨耗试验机上测试淬火层抗磨损性,其中载荷为29.42 N,摩擦次数为8000次.

2 实验结果

2.1 组织形貌

试样经激光相变淬火硬化后,沿着垂直激光扫描方向截取试样,经镶嵌研磨抛光后,用金相显微镜对横截面形貌进行观察(图1).从图1可见,白色弧形月牙状区为激光淬火作用区,而颜色略深的部分为后一道激光扫描与前一道激光扫描的搭接部分.

图1 激光相变硬化横截面形貌图Fig.1 Topography of laser transformation hardening cross-section

图2 激光相变硬化淬火区X射线衍射图Fig.2 X-ray diffraction pattern of laser transformation hardening quenched zone

对白色月牙区进行X射线衍射分析发现,该区未见碳化物衍射峰,仅见马氏体和少量残余奥氏体的衍射峰(图2).结合金相不易浸蚀的特点,确认该区域显微组织为淬火马氏体和残余奥氏体.通过电镜观察淬火层横截面微观组织发现,淬火马氏体极细且呈针状,平均针长为1.28μm(图3).

图3 激光相变硬化淬火区微观形貌图Fig.3 M icro-topography of laser transformation hardening quenched zone

图4为激光相变硬化回火区的X射线衍射图.从图4可见:在回火区即颜色略深的搭接区出现少量碳化物衍射峰,说明回火后有碳化物析出;可见马氏体和少量残余奥氏体的衍射峰,但残余奥氏体衍射峰的强度较白色淬火区的弱,表明有一部分残余奥氏体转变为了马氏体.通过电镜观察发现,回火区马氏体较淬火区马氏体略微长大,其平均针长为1.40μm(图 5).

图4 激光相变硬化回火区X射线衍射图Fig.4 X-ray diffraction pattern of laser transformation hardening tempered zone

图5 激光相变硬化回火区微观形貌图Fig.5 M icro-topography of laser transfo rmation hardening tempered zone

2.2 硬 度

分别对淬火区和回火区进行维氏显微硬度梯度测试,图6为淬火区和回火区的维氏显微硬度曲线.从图6可以看出:激光相变硬化层淬火区的平均硬度比回火区的高出8.5%;无论是淬火区还是回火区域,激光相变硬化层的硬度随相变硬化深度的衰减变化不大,仅在小范围内窄幅波动,比较稳定;在激光作用区外侧即热影响区域内,硬度则迅速衰减.

图6 淬火区和回火区维氏显微硬度曲线Fig.6 Vickers microhardness curves of quenched zone and tempered zone

2.3 磨 损

图7为表面经激光相变淬火及常规调质表面未经处理的试样的磨损失重量曲线.从图7可以看出,较常规淬火处理的试样相比,激光相变硬化处理后试样的磨损失重减少了50.12%.由材料的磨损失重与抗磨损关系可知,激光相变处理后试样的表面抗磨损性能提高了近50.12%.

图7 不同处理工艺试样磨损失重曲线Fig.7 Wear weight loss curves of samples by different treatment p rocesses

图8为常规热处理和激光相变硬化处理后试样的磨损表面形貌图.从图8可见,试样经8000次摩擦后,经激光相变硬化处理的试样表面仅出现犁沟,而经常规热处理的试样表面存在大量划痕和粘着脱落坑.这是由于在表层及亚表层内产生剪切,发生强烈的粘着磨损所造成的结果.

图8 试样表面磨损形貌图(a)激光相变硬化处理;(b)常规热处理Fig.8 Wearmorphology of the surfaceof the sample(a)laser transfo rmation hardening;(b)conventional heat treatment

3 结果分析

激光淬火的特点:加热能量密度高,可达1×104～1×105W/cm2;被处理表面升温速度快,可达1×105～1×106℃/s[1];加热薄层(厚度小于 1000 μm)的瞬间温度梯度大,可达1×103～1×104K/cm;激光停止作用后,表面加热薄层与冷态基体的温度梯度高,可达到1×104～1×105K/cm;借助冷却速度约为1×105℃/s的基体的自冷,可进行自冷淬火.

经激光热处理后材料的组织与经常规热处理的相比,有很多不同点[2]:(1)因激光对金属表面有超快速加热的作用,激光作用区的晶粒具有超细化的特征,从而使高温奥氏体组织超细化;(2)因快速冷却,激光淬火形成的马氏体组织仍保持超细化,而且位错马氏体和孪晶马氏体混合共存,经激光淬火后的马氏体相位错密度高,位错形态为网络化的应变量小的胞状,孪晶极细,属于显微孪晶,应力梯度比较小;(3)因超快速加热,原始组织中的碳化物溶解不充分,碳的分布也不均匀,这造成高温奥氏体中固溶的碳分布差异较大,存在大量弥散分布的碳过饱和微观区域,因而在随后的冷却过程中,淬火组织中存在包含较多过饱和碳的残余奥氏体,残余奥氏体数量较常规淬火的多,这类奥氏体是因位错强化和固溶强化而被强化了的奥氏体[3].

因细晶强化、位错强化及固溶强化多重效应,故激光相变硬化淬火层的硬度较常规淬火的高;对于激光相变硬化淬火的搭接区域,因回火的作用,致使含有过饱和碳的残余奥氏体进一步向马氏体转化,而且碳化物由基体弥散析出,轻微降低了原组织的维氏显微硬度;因激光相变硬化淬火层是硬度均匀的硬化层,在激光相变硬化层内,其抗磨损能力不随深度变化而减弱.

4 结 论

3Cr2W 8V模具钢激光相变强化机理为细晶强化、位错强化及固溶强化的多重强化,使激光作用区的晶粒具有超细化的特征,从而使高温奥氏体组织超细化;在激光相变硬化层内硬度是均匀的,不随淬火深度的变化而减小,抗磨损能力不随淬火深度的变化而降低.

[1]徐滨士.材料表面工程[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2005.

[2]刘江龙﹒激光表面淬火强化技术的工艺基础[J].表面技术,1994(5):213-219.

[3]孙承伟.激光辐照效应[M].北京:国防工业出版社,2002.

Study on properties of laser surface transformation hardened layer of 3Cr2W 8V die steel

KUANGM in1,2,SU Yuchang1,DENG Chunming2,MA Wenyou2,CHEN Xinchi2
1.Central South University,Changsha 410083,China;2.Guangdong General Research Institute of Non-ferrous M etals(Guangzhou Research Institute of N on-ferrous M etals),Guangzhou 510650,China

Op timized p rocess parameters were used for the laser transformation hardening on the surface of 3Cr2W 8V die steel.Through microstructure analysis and X-ray diffraction analysisof the quenched layer,it was found that the microstructure of the layer w as composed of ultrafine needle-like martensite and a small amount of residual austenite.The results of Vickers microhardness tests on hardened layer show ed that the layer was uniform ly hardened.By comparing wear w eight loss between laser hardened layer and o rdinary hardened layer,it turned out that the w ear resistance of laser hardened layer increased about one time than that of the ordinary quenching layer.

laser;transfo rmation hardening;quenching;perfo rmance

TB321

A第5卷 第2期 材 料 研 究 与 应 用 Vo1.5,No.2 2 0 1 1年5月 MA TERIALSRESEARCH AND APPL ICA TION Jun.2 0 1 1

1673-9981(2011)02-0105-04

2010-12-15

况敏(1963—),女,湖南长沙人,高级工程师,大学本科.