SKD61模具钢激光仿生强化后的组织和性能

史华亮，李继强，贾志欣，刘立君，郑雅宏（.太原科技大学机械工程学院，太原 03004；.浙江大学宁波理工学院机电与能源工程学院，宁波 3500）

0 引 言

在各类模具中，压铸模具的工况条件非常恶劣，其直接与高温、高压、高速的金属液接触，一方面需承受金属液的直接冲刷、磨损、高温氧化及各种腐蚀作用，另一方面又反复受到炽热金属加热和冷却介质（水、油、空气）冷却的冷热循环交替作用，主要失效形式为整体开裂、热蚀、变形、热磨损及热疲劳龟裂等。统计数据显示，60%以上的压铸模是因热疲劳裂纹扩展而失效的［1－3］。常规的化学热处理、堆焊、电火花表面强化、PVD（物理气相沉积）、CVD（化学气相沉积）等方法均可在一定程度上延长模具的使用寿命［4－7］，但上述处理方法存在成本高、工艺复杂、处理周期长等缺点，或者处理后的模具存在较大畸变、镀层薄而脆、磨损极快、容易出现早期裂纹等缺点，在实际应用中存在一定问题。

植物叶片由平行状、网络状或放射状分布的叶脉和叶肉构成，质地强韧的叶脉起支撑作用，叶肉在叶脉之间有缓冲外界应力的作用。如果将植物叶片沿垂直于叶脉方向撕裂，裂纹扩展的方向往往会在叶脉与叶肉的结合处发生偏转，如图1（a）所示。昆虫的翅膀一般由质地坚韧的翅脉和翅膜构成，蜻蜓翅膀撕裂后，裂纹在扩展过程中存在频繁偏转的现象，如图1（b）所示。这两种生物原型具有共同的特征，即：一方面它们都具有软硬交替的结构，另一方面该结构中硬质单元呈现不同的分布形态，这使得上述生物体的柔性和刚性完美结合，并具有优异的力学性能。

图1 典型的生物模型Fig.1 Typical biological model：（a）cracked plant leaf and（b）cracked dragonfly wing

研究发现，经激光仿生强化后，模具钢的表面耐磨损性能提高了1.8倍［8］，蠕墨铸铁的耐磨性提高了81.4%［9］，45钢模具表面的强化单元体对疲劳裂纹扩展具有阻碍作用，从而使得抗疲劳性能显著提高［10］。贾志欣［11］等发现，仿生处理后的压铸模具寿命提高了1.5倍以上；Lee［12］等对H13模具钢进行激光处理后发现，熔凝区的硬度提高了2倍以上。为此，作者以SKD61钢顶盖压铸模具为考察对象，根据上述生物模型中叶脉或翅脉形状，利用激光快速熔凝工艺在其表面制备出了仿生强化单元体，在不改变模具钢表面成分的条件下，实现钢基表面的自强化，并对熔凝单元的组织、硬度及模具使用寿命等进行了综合评价。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验用SKD61模具钢的化学成分如表1所示，其热处理规范为1 020℃油淬＋580℃×2h空冷＋560℃×2h空冷。钢表面经砂纸打磨、喷砂、清洗、干燥后置于WF300型脉冲YAG激光器的三轴数控工作台上，按照设定的激光参数模拟叶脉和翅脉的特征在试样表面加工出仿生强化单元体。工艺参数：聚焦透镜焦距为100mm，激光焊接电流为150A，频率5Hz，脉宽时间8ms，激光扫描速度40.0mm·min－1，氩气流量10.0mL·min－1。

表1 SKD61模具钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of SKD61die steel（mass）%

1.2 试验方法

金相试样取自垂直于激光束扫描方向的横截面，按常规金相试样制备方法制备，经4%（体积分数）硝酸酒精溶液腐蚀后，采用Nikon MA100型光学显微镜和S-4800型扫描电镜分析熔凝层的组织形貌，并用扫描电镜附带的能谱仪分析熔凝区及过渡区的成分变化；按图2所示的测试点，在MH-60型显微硬度计上测显微硬度。

图2 显微硬度测试点Fig.2 Microhardness test points

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图3可见，SKD61热作模具钢基体的组织为回火马氏体和M4C3及M6C型碳化物［13］。

图3 SKD61模具钢基体的SEM形貌Fig.3 SEMmorphology of SKD61die steel matrix

由图4可见，在试验条件下，SKD61钢经激光熔凝处理后组织分为三个区，由表及里依次为熔凝区、热影响区和基体，其中熔凝区和热影响区的界限不明显。熔凝区深约1.2mm，宽约1.3mm，组织致密、无孔洞及裂纹等缺陷，大致可以分为三个部分，表面为细小的等轴晶区，中间为柱状树枝晶区，底部为胞状晶区，如图5所示。这种组织的形成由熔凝区上的温度梯度G、冷却速率N和凝固速率R共同控制［14－15］。

图4 激光熔凝处理后SKD61模具钢OM形貌Fig.4 OMmorphology of SKD61die steel after laser remelting

激光处理时的冷却速率为

式中：T为温度；x为熔凝层的深度；A为被处理材料对激光的吸收率；q0为激光辐照功率密度；k为导热系数；α为热扩散系数；τ为激光辐照加热时间；r为冷却时间；P，d，υ分别为激光输出功率、束斑直径和扫描速率。

材料表面发生熔化时的温度梯度为

凝固速率R与G、N的关系为

结晶开始时，G/R很大，熔池底部具有极大的成分过冷，结晶极为迅速，形成激冷等轴晶，如图5（a）所示。激冷等轴晶是基体晶粒的外延生长，在一个基体晶粒上可以外延生长很多个激冷等轴晶，这主要是快冷增大了形核率的缘故［16］。在激冷等轴晶的前沿仍存在很大的成分过冷和很高的成核率，沿结晶方向上G/R下降，使晶核突出一旦出现在结晶前沿，便迅速沿温度梯度负方向生长为柱状树枝晶；随着结晶过程向表面推进，G/R变小，但熔池顶部因此受试样本体和表面空气的双重冷却作用，也形成了极其细密的树枝晶，如图5（b），（c）所示。另外，在局部区域还观察到了柱状树枝晶直接生长至表面的情况。

热影响区大致可分为两部分，与熔凝区相接的部分组织较为粗大，这是由于较大的过热度使得奥氏体晶粒长大造成的；与基体相接的部分基本保持了基体组织的特征，此部分相当于高温回火组织。

2.2 微区成分

从图6可以看出，SKD61钢激光熔凝区中的铁、碳、硅、钒、铬、钼的分布比较均匀，没有产生明显的偏析。这是因为高能激光使熔凝层中的夹杂物重新熔化，因而净化了合金组织，熔凝区中没有形成大颗粒碳化物。

图5 熔凝区的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of melted zone near matrix（a）and near surface at low （b）and high（c）magnifications

图6 SKD61钢熔凝区线扫描结果Fig.6 Linear scanning result of melted zone of SKD61steel

2.3 显微硬度

由图7可以看出，激光熔凝区的硬度明显高于基体的，最大硬度位于次表层。可以通过去除最表层获得光滑的模具表面和最好的强化效果。热影响区硬度的变化比较平缓，在热影响区和基体交界处由于进一步回火，硬度略有降低。

图7 仿生强化单元显微硬度沿x轴和y轴方向分布Fig.7 Microhardness distributions of biomimetic strengthened unit：（a）along xaxis and（b）along yaxis

在激光强化过程中，当强激光能量集中照射至小的单元体区域时，会导致照射区域材料发生相变或熔化，在随后的液相金属凝固过程中，由于外界空气和母体的双重冷却作用，熔凝区形成超细化组织，碳及合金元素来不及析出而几乎全部均匀固溶于基体过程中，使得熔凝区的硬度、强度有较大程度的提高。

晶粒细化不仅能有效地提高材料的硬度和强度，还能明显提高其塑性和韧性［17－18］。晶粒大小是晶界多少的反映，而晶界是位错运动的最大障碍之一，减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数量，晶粒愈细、晶界愈多，对位错运动的阻碍作用就愈大，从而使材料的屈服强度升高。激光熔凝处理后，熔凝区内的晶粒尺寸非常细小，因此熔凝区的强度和硬度较基体的都会有较大程度的提高。

激光加热会导致碳元素、合金元素等迅速溶进基体组织，在随后的冷却过程中极高的冷却速率使溶质原子来不及析出而几乎全部固溶于基体，导致熔凝区的固溶强化。激光熔凝工艺的凝固过程具有比其它工艺更高的过冷度和更快的冷却速率，因此熔凝区组织的固溶能力大大增强，宏观上反映为熔凝区的强度和硬度较基体有较大程度的提高。

2.4 模具的使用寿命

由图8可见，SKD61钢顶盖压铸模具在使用到12 000模次左右时，模具深腔小圆弧过渡角处和内浇口位置出现了热疲劳裂纹，导致铸件不合格。其中，压铸件材料为ZL102合金，浇注温度660℃。在模具表面易产生裂纹处进行激光熔凝处理，熔凝处理后去除外表层（约0.08mm），处理后模具在使用达到18 000模次时，表面状态依然完好，如图8（b）所示，当达到28 000模次以上时，型腔才出现了明显的疲劳裂纹，其使用寿命提高1倍以上。

材料的热疲劳寿命取决于热疲劳裂纹的萌生和扩展两个方面。一方面，熔凝区的细晶强化、固溶强化等提高了材料的强度，降低了裂纹在表面萌生的概率；另一方面，强化单元可以有效抵御热疲劳裂纹的扩展，使裂纹在强化单元面前产生不同程度的阻滞行为，大大降低了热疲劳裂纹的扩展速率，从而提高了热疲劳裂纹的扩展抗力，延长了模具的使用寿命。

3 结 论

（1）SKD61模具钢经激光熔凝处理后的横截面从里及内依次为熔凝区、热影响区和基体，熔凝区组织由极细的等轴晶和柱状晶组成，合金元素分布均匀，消除了夹杂物。

（2）与常规热处理相比，熔凝区的显微硬度显著提高，对热疲劳裂纹的萌生和扩展有明显的抑制作用。

图8 强化前后SKD61钢顶盖压铸模具经长时使用后表面的宏观形貌Fig.8 Macrograph of the surface of SKD61steel head cover die used for a long time：（a）before strengthening and（b）after strengthening

（3）经激光熔凝处理后的SKD61钢顶盖压铸模具的使用寿命提高了1倍以上。

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