激光淬火对Cr12MoV钢碳化物不均匀度与耐磨性的影响

吴一弘，曲迎东，苏建灏，姜珂，尤俊华，李荣德

（沈阳工业大学，辽宁沈阳 1100 23）

激光淬火对Cr12MoV钢碳化物不均匀度与耐磨性的影响

吴一弘，曲迎东，苏建灏，姜珂，尤俊华，李荣德

（沈阳工业大学，辽宁沈阳 1100 23）

随着模具制造业的快速发展，降低C r 12M o V钢表面共晶碳化物不均匀度和提高表面耐磨性可以有效降低使用过程中发生的开裂与磨损两种主要失效形式，延长C r 12M o V钢使用寿命。本研究采用激光淬火对C r 12M o V钢进行表面强化，激光输出功率140 0 W，扫描速度5 m m/s，离焦量47 m m，表面硬度达到58.9 H R C。激光淬火后C r 12M o V钢共晶碳化物不均匀度降低至3级，磨损量降低了92.0%，平均摩擦系数降低了42.8%，磨损率下降了9.2%，耐磨性显著提升。

C r 12M o V钢；激光淬火；共晶碳化物；不均匀度；耐磨性

D O I：10.39 69/j.i s s n.100 6-96 58.2017.05.00 4

0 引言

Cr12MoV钢属于冷作模具钢的一种，在模具制造业中应用极为广泛，其消耗量在冷作模具钢中居于首位[1,2]。Cr12MoV钢淬透性好，具有较高的硬度以及较好的耐磨性， 但其在使用过程中容易出现表面开裂及磨损两种失效形式， 降低其使用寿命[3,4]。Cr12MoV钢属于高碳高铬钢，在最初的铸造Cr12MoV钢锭冷凝过程中，由于实际冷却速度有限，当温度继续下降时，钢液发生共晶反应易形成大量网状共晶碳化物[5]。有研究表明，共晶碳化物的大量偏析是Cr12MoV钢表面产生裂纹的原因之一[6]，因此改善Cr12MoV钢中共晶碳化物的不均匀分布可有效提高其使用寿命。同时，有必要寻求一种快速、有效的表面强化技术对Cr12MoV钢表面进行强化，提高其耐磨性。

近年来随着激光设备与技术的快速发展，激光淬火逐渐成为一种应用广泛的表面强化技术。激光淬火技术利用高能激光束对材料表面进行相变硬化，短时高效、适应性强、形变小、表面质量高，可实现生产自动化[7,8]。本研究对Cr12MoV钢表面进行激光淬火，分析了激光淬火对Cr12MoV钢共晶碳化物不均匀度与耐磨性的影响。

1 实验材料与方法

在FL-Dlight-1500半导体激光表面处理系统中对Cr12MoV钢进行激光表面淬火，实验所用Cr12MoV钢化学成分如表1所示，供货状态为球化退火。为实现激光表面淬火的基体自冷淬火，选取尺寸较大Cr12MoV钢厚块状试样，试样尺寸为200×100×50（mm）。激光淬火前对试样表面进行磨抛，使表面光洁没有机械加工痕迹，防止产生应力集中现象。用酒精对试样表面进行清洗，之后对表面进行石墨黑化预处理，降低试样表面反射率，提高对激光能量的吸收。激光输出功率为1400 W，激光扫描速度为10 mm/s，离焦量为47 mm，搭接率为5%。

表1 C r 12M o V钢化学成分 w %

共晶碳化物不均匀度根据GB/T 1299－2014《工模具钢》规定[9]，与GB/T 14979－1994《钢的共晶碳化物不均匀度评定法》标准第四评级图对比[10]，采用4%硝酸酒精溶液对磨抛后的Cr12MoV钢进行浸蚀，在OLYMPUS BX60F5型光学显微镜100倍下取圆形视野进行对比评定。采用Hitachi TM3030台式扫描电镜对激光淬火前后Cr12MoV钢进行共晶碳化物形态及组织观察，利用Wilson UH250万能硬度计进行洛氏硬度测量。

激光淬火前后Cr12MoV钢分别与DP780双相钢组成摩擦副进行销盘磨损实验，设定试验力为100 N、转速为100 r/min，摩擦磨损后的磨损形貌在Hitachi S-3400N扫描电子显微镜下进行观察与分析。

图1 Cr12MoV钢原始组织共晶碳化物不均匀度评级对比

图2 激光淬火Cr12MoV钢共晶碳化物不均匀度评级对比

2 实验结果与分析

2.1 共晶碳化物不均匀度评定

Cr12MoV钢中共晶碳化物的不均匀分布对其工艺性能和使用寿命危害极大，一直是冶金质量的重要指标，是必检项目之一。

如图1所示为Cr12MoV钢激光淬火前后共晶碳化物不均匀度与标准评级图的对比。图1.a为本研究选用Cr12MoV钢放大100倍下的原始组织，图1.b为GB/T 14979－1994国家标准碳化物不均匀度6级的评级图，通过对比可知，激光淬火前Cr12MoV原始试样碳化物不均匀等级接近6级。共晶碳化物偏析严重，呈网状偏析于晶界处，使用过程中易发生开裂而失效，需要进一步热处理来降低碳化物不均匀度。

图2为激光淬火后Cr12MoV钢共晶碳化物不均匀度与标准评级图的对比。图2.a为Cr12MoV钢放大100倍视野下激光淬火组织，图2.b为GB/T 14979－1994标准共晶碳化物不均匀度3级的评级图，对比发现激光淬火后Cr12MoV钢共晶碳化物不均匀等级小于3级，满足使用要求。共晶碳化物尺寸变小，偏析程度降低，呈带状分布，一定程度上提高了模具的使用寿命。

综上所述，激光淬火工艺能够有效降低Cr12MoV钢共晶碳化物的不均匀度，从而降低模具使用过程中的表面开裂现象。

2.2 微观组织与硬度

如图3所示为Cr12MoV钢激光淬火前后扫描电镜下微观组织对比。图3.a为激光淬火前Cr12MoV钢微观组织，球化退火形成的球粒状珠光体基体上分布着大量聚集偏析的共晶碳化物，最大尺寸超过50 μm。图3.b为激光淬火后Cr12MoV钢微观组织，基体组织为马氏体组织，聚集偏析的共晶碳化物尺寸明显减小，最大尺寸不超过40 μm。随着激光热源的快速加热，共晶碳化物部分溶解，使共晶碳化物偏析现象有所降低。当试样表面激光扫描区域达到奥氏体化温度，奥氏体大量形核，在快速冷却过程中奥氏体来不及长大直接转变为马氏体。马氏体提高了Cr12MoV钢表面硬度，由激光淬火前的22.8 HRC提高到激光淬火后的58.9 HRC，满足GB/T 1299－2014《工模具钢》规定的洛氏硬度≥58 HRC的使用要求。

图3 Cr12MoV钢激光淬火前后扫描电镜组织

2.3 摩擦磨损性能

摩擦磨损实验结果如表2所示，相比于激光淬火前，激光淬火后Cr12MoV钢磨损量降低了92.0%，磨损率下降了9.19%，平均摩擦系数降低了42.8%，耐磨性能得到显著提升。

表2 摩擦磨损性能

磨损过程中出现如图4所示的共晶碳化物剥落现象，这是由于大量聚集偏析的共晶碳化物降低了晶界的强度，导致应力集中形成裂纹，发生了脱落。

图4 共晶碳化物剥落现象

激光淬火前后Cr12MoV钢表面磨损形貌对比如图5所示。

图5 激光淬火前后Cr12MoV钢表面磨损形貌

图5.a为激光淬火前Cr12MoV钢表面磨损形貌，可以观察到试样表面大面积河流状的塑性流动。共晶碳化物发生剥落，形成磨粒，磨损过程中形成犁沟。共晶碳化物剥落形成的凹坑与磨损形成的犁沟均造成了试样表面的凹凸不平，由于激光淬火前整体硬度较低，在法向压力作用下，凹陷与犁沟两侧凸出微峰均发生塑性变形。图5.b为激光淬火后Cr12MoV钢表面磨损形貌，随着摩擦磨损性能的提升，磨损表面没有发生大面积塑性流动现象，但滑动方向前端由于剧烈磨损产生的较大应力，发生了局部的剥落现象。马氏体相变导致基体强度大大提高，提高耐磨性的同时对共晶碳化物起到了支撑、保护的作用。

3 结语

（1）激光淬火能有效降低Cr12MoV钢表面共晶碳化物不均匀度，由6级降低为3级，达到使用要求。

（2）相对于激光淬火前，激光淬火后Cr12MoV钢磨损量降低了92.0%，平均摩擦系数降低了42.8%，磨损率下降了9.19%，摩擦磨损性能得到显著提升。

（3）Cr12MoV钢激光淬火后共晶碳化物不均匀度的降低以及马氏体的形成，克制了磨损表面的大量塑性流动现象。

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[9] 全国钢标准化技术委员会．GB/T 1299—2014工模具钢[S]．北京：中国标准出版社，2015．

[10] 全国钢铁标准化技术委员会．GB/T 149 79—199 4 钢的共晶碳化物不均匀度评定法[S]．北京：中国标准出版社，199 5．

Inf l uence of laser quenching on carbide nonuniformity and wear resistance of Cr12MoV steel

WU YiHong, QU YingDong , SU JianHao, JIANG Ke, YOU JunHua, LI RongDe
(Shenyang University of Technology, Shenyang 110023，Liaoning, China)

With rapidly development of mold manufacturing industry, decreasing nonuniformity of eutectic carbide and increasing wear resistance can effectively reduce probability of cracking and abrasion to prolong service life of Cr12MoV during applications. Laser quenching was used for strengthening the surface of Cr12MoV steel. The laser power was 1400 W. The laser scanning speed was 5 mm/s. The defocusing amount was 47 mm.The surface hardness is improved to 58.9 HRC. The carbide nonuniformity of Cr12MoV is reduced to level 3. The abrasion loss is reduced by 92.0%. The average friction coefficient is reduced by 42.8%. The wear rate is reduced by 9.2%. The wear resistance of Cr12MoV is signif i cantly enhanced by laser quenching.

Cr12MoV steel; laser quenching; eutectic carbide; nonuniformity; wear resistance

T G 156.99；

A；

100 6-96 58（2017）05-00 11-04

绿色铸造工艺及新材料制备技术，辽宁省创新团队项目．（项目编号：5127 414 2）

2017-04-25

稿件编号:170 4-176 2

吴一弘（199 2—），硕士在读，主要从事铸造材料的研究与开发工作.