工艺参数对激光熔敷高温锻压模具钢性能的影响

吕海珠

（辽宁机电职业技术学院，丹东 118009）

0 引言

因其工作环境恶劣，长期服役于高温、高频率锻打工作条件，高温锻压模具需要极佳的耐磨损性能，耐高温性能和疲劳性能[1,2]。表面改性是提高高温锻压模具综合性能的有效途径之一，目前常用的表面改性技术有火焰喷涂、电弧喷涂、超音速喷涂和激光熔敷等方法[3]。由于结合强度高、硬度高、耐磨损性能和耐腐蚀性好等优点，激光熔敷在模具表面改性方面具有极大的市场大规模推广应用前景[4]。在实际的激光熔敷过程中，激光功率和扫描速度是影响熔敷层组织和性能的主要工艺参数，对表面改性模具的综合性能产生重要影响。为了进一步促进激光熔敷在高温锻压模具表面改性上的应用，本文采用不同的工艺参数（激光功率和扫描速度），对4Cr5W2SiV高温锻压模具钢进行了激光熔敷处理，并进行了显微组织、耐磨损性能、耐高温腐蚀性能和热疲劳性能的测试与分析。

1 试验材料与方法

1.1 试样材料

选用4Cr5W2SiV高温锻压模具钢作为基材，基材的尺寸为100mm×50mm×8mm，基材的化学成分采用SEA-1000A型X射线荧光光谱仪进行分析，分析结果如表1所示。激光熔敷采用的镍基多元合金，采用SEA-1000A型X射线荧光光谱仪分析对上述镍基多元合金的化学成分进行分析，分析结果如表2所示。

表1 4Cr5W2SiV模具钢基材化学成分（质量分数，%）

表2 熔敷合金的化学成分（质量分数，%）

1.2 试验方法

采用HUST-JKR5170型激光加工系统进行4Cr5W2SiV高温锻压模具钢的激光熔敷处理，激光器为CO2激光器（最大功率5kW）。激光熔敷的工艺过程如图1所示。各高温锻压模具钢试样的激光熔敷工艺参数如表3所示。

图1 激光熔敷工艺过程

表3 激光熔敷工艺参数

4Cr5W2SiV高温锻压模具钢熔覆层的显微组织采用PX15型光学显微镜进行观察。采用THT型高温摩擦磨损测试仪进行试样的耐磨损性能测试，测试温度600℃，测试载荷90N、相对滑动速度为90mm/min、磨轮转速200r/min、摩擦磨损总转数2000r，并采用GX15型金相显微镜对磨损表面进行观察。采用HG19型恒温箱式电阻炉进行试样的耐高温腐蚀性测试，测试条件为600℃×100h。采用WH-VI-16型高频感应加热设备进行试样的热疲劳性能测试，测试前试样需进行细磨和抛光，并确保试样表面无机械沟痕和不规则状态，试样经过1000次600℃～25℃的冷热循环，一次加热和一次冷却作为一个循环，采用80倍PX15型光学显微镜观察试样的裂纹形貌，并根据国标GB/T 15284-2008进行热裂纹级别评定。

2 试验结果及讨论

2.1 工艺参数对熔覆层显微组织的影响

图2和图3是不同工艺参数下，4Cr5W2SiV高温锻压模具钢试样熔覆层的平均晶粒尺寸测试结果。从图2可以看出，激光功率不同，模具钢熔覆层的平均晶粒尺寸发生明显变化；随着激光功率的增大，熔覆层平均晶粒尺寸先减小后增大。这主要是因为：在其他参数相同时，激光功率决定熔敷合金与基材的受热情况；若激光功率较小，熔敷合金难以在基材表面均匀铺展，难以获得连续而均匀的熔覆层显微组织；若激光功率过大，能量过大，势必引起熔敷层晶粒长大，从而使其平均晶粒尺寸增大。从图3可以看出，随扫描速度的增大，模具钢熔覆层的平均晶粒尺寸逐渐减小。这主要是因为：当扫描速度较小时，熔池液态保留时间较长，冷却速率较慢，凝固时间较长，获得的熔覆层显微组织较粗大；当扫描速度增大时，凝固时间变短，晶核来不及长大从而使得熔覆层显微组织得到细化[5]。图4是激光功率为3kW、扫描速度为6mm/s的试样3熔覆层显微组织照片。从图4可以看出，熔覆层显微组织连续、均匀，组织较为细小。

图2 激光功率对熔覆层平均晶粒尺寸的影响

图3 扫描速度对熔覆层平均晶粒尺寸的影响

图4 试样3的显微组织

2.2 工艺参数对耐磨损性能的影响

图5和图6是不同激光熔敷工艺参数下，4Cr5W2SiV高温锻压模具钢试样的耐磨损性能测试结果。由图5和图6观察可知，随着激光功率从2kW增大至4kW时，激光熔敷模具钢试样的磨损体积先减小后增加，试样的耐磨损性能先提高后下降；随着扫描速度从4mm/s增大至8mm/s时，激光熔敷模具钢试样的磨损体积逐渐减小，试样的耐磨损性能逐渐提高。图7是试样1、试样3和试样9在磨损试验后的表面形貌照片。从图9可观察到，随着不同的工艺参数的变化激光熔敷4Cr5W2SiV高温锻压模具钢试样获得的的磨损情况明显不同。为了获得良好的耐磨损性能，必须选择适当的结果熔敷工艺参数。

图5 激光功率对耐磨损性能的影响

图6 扫描速度对耐磨损性能的影响

图7 试样的磨损表面形貌

2.3 工艺参数对耐高温腐蚀性能的影响

图8所示在不同工艺参数下，激光熔敷4Cr5W2SiV高温锻压模具钢试样的600℃×100h高温腐蚀试验结果。从图8腐蚀状况分布，在其他工艺参数不变的情况下，随着激光功率从2kW增大至4kW时，经过100h高温腐蚀后激光熔敷模具钢试样的单位面积质量增重先减小后增加，试样的耐高温腐蚀性能先提高后下降；随着扫描速度从4mm/s增大至8mm/s时，试样的单位面积质量增重逐渐减小，试样的耐高温腐蚀性能逐渐提高。这与试样的耐磨损性能变化规律一致。

图8 不同工艺参数下，激光熔敷模具钢试样的600℃×100h高温腐蚀试验结果统计

2.4 工艺参数对热疲劳性能的影响

经过1000次600℃～25℃的冷热循环后，根据国标GB/T 15284-2008，不同工艺参数下激光熔敷4Cr5W2SiV高温锻压模具钢试样的表面裂纹评定结果如表4所示。由表4可知，在其他工艺参数不变的情况下，随着激光功率从2kW增大至4kW时，激光熔敷模具钢试样的热裂纹级别先减小后增大，试样的热疲劳性能先提高后下降；随着扫描速度从4mm/s增大至8mm/s时，试样的热裂纹级别逐渐减小，试样的热疲劳性能逐渐提高。图9是激光熔敷4Cr5W2SiV高温锻压模具钢试样9的热疲劳裂纹照片。从图9可明显看出，采用激光功率为3kW、扫描速度为8mm/s时，激光熔敷4Cr5W2SiV高温锻压模具钢的主裂纹和网状裂纹均达到1级，试样的热疲劳性能较佳。

表3 激光熔敷工艺参数

图9 试样9的热疲劳裂纹形貌

3 结论

本文采用选用不同的工艺参数，对4Cr5W2SiV高温锻压模具钢进行了激光熔敷镍基多元合金的表面处理，并对熔覆层显微组织，模具钢试样的耐磨损性能、耐高温腐蚀性能和热疲劳性能进行了测试与分析，获得的主要试验结论如下：

1）在其他工艺参数不变的情况下，随激光功率从2kW增大至4kW时，熔覆层平均晶粒尺寸先减小后增大；随扫描速度扫描速度从4mm/s增大至8mm/s，熔覆层平均晶粒尺寸逐渐减小。

2）保持其他工艺参数不变，随激光功率从2kW增大至4kW时，激光熔敷4Cr5W2SiV高温锻压模具钢的耐磨损性能、耐高温腐蚀性能和热疲劳性能均呈现出先提高后降低的变化趋势；随扫描速度从4mm/s增大至8mm/s，模具钢的耐磨损性能、耐高温腐蚀性能和热疲劳性能均逐渐提高。

3）4 Cr5W2SiV高温锻压模具钢激光熔敷镍基多元合金时的较佳工艺参数：激光功率3kW、扫描速度8mm/s。

[1]汪新衡,秦小平,朱航生.提高精铸热锻模具性能的研究[J].热加工工艺,2010,39(19):208-210.

[2]丁阳喜,王炳.Cr12MoV模具钢表面激光熔覆Ni_WC合金工艺研究[J].现代制造工程,2011,4(5):97-100.

[3]杨宁,杨帆.激光熔覆技术的发展现状及应用[J].热加工工艺,2011,40(8):110-112.

[4]钱星月,童和强,张丹莉,等.H13模具钢表面激光熔覆Co基合金涂层的组织和性能[J].热加工工艺冶金丛刊,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.