H13 模具鋼相當(dāng)于國產(chǎn) 4Cr5MoSiV1 鋼 ,淬透性和淬硬性高，主要用于制造壓鑄模具、輕金屬擠壓模具、鍛造模具和塑料模具 、蝸桿 、滲碳頂桿和熱剪刀片。熱作模具在使用過程中承受熱疲勞、沖蝕和應(yīng)力腐蝕 、物理化學(xué)作用，如表面熱焊合，使用壽命較低 。目前，我國鋁壓鑄模具的一般使用壽命為 2～10萬次,工業(yè)先進(jìn)國家 1/3 ～ 1/5。眾所周知，模具的故障始于表面，盡管常規(guī)化學(xué)熱處理、堆焊和電火花表面強(qiáng)化 、PVD、CVD 模具的使用壽命可以在一定程度上延長，但上述方法工藝復(fù)雜 ,處理周期長 ,或模具處理后變形較大，或鍍層薄脆，磨損快 ,早期裂紋等缺點(diǎn)容易出現(xiàn) ,在實(shí)際應(yīng)用中存在一些問題，因此探索了一種改進(jìn) H13鋼表面性能的實(shí)用新工藝 ,它將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。理想的表面改性涂層應(yīng)與基體結(jié)合良好，厚度足夠，無缺陷 ,激光表面工程具有適當(dāng)?shù)奈锢砘瘜W(xué)性能，能有效提高材料的表面性能，對模具表面的強(qiáng)化、修復(fù)和提高使用壽命有顯著作用。本文采用高能束激光熔化處理，在 H13 在不改變模具鋼表面成分的情況下，在鋼表面獲得激光熔凝層 ,結(jié)合鋁合金壓鑄模自強(qiáng)化 ,熔凝層的組織結(jié)構(gòu) ,硬度 、耐磨 、綜合評價(jià)耐腐蝕性，以提高耐腐蝕性 H13 鋼壓鑄模的使用壽命提出了有效途徑。

1 試驗(yàn)材料 、工藝及方法

1.1 試驗(yàn)材料及激光熔處理工藝

試驗(yàn)基材經(jīng)淬火回火處理 H13 熱作模具鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為:0.32 ～ 0.45C 、0.8～ 1.2Si 、0.2～ 0.5Mn、4.75 ～ 5.5Cr、0.8 ～ 1.2Mo、1.1～1.75V 。樣品表面用砂紙打磨，噴砂 、清洗 、干燥后進(jìn)行黑化處理 TJ-HL-2000 型 CO2 最佳工藝參數(shù)為：輸出功率為1200W,光斑直徑為3mm ,焦距為 300mm ,激光束掃描速率為 400mm/min,大面積激光掃描搭接率 30%。

1.2 試驗(yàn)方法

從垂直于激光束掃描方向的橫截面制備金相樣品。 Olympus BX60 型光學(xué)圖像分析系統(tǒng)分析熔凝層的組織形狀； D/max2500PC 型 X 射線衍射儀測定基材和熔凝層的相結(jié)構(gòu) ,CuK α 衍射 ,衍射束石墨濾光器單色化化 ,電壓為 40kV,電流為 40mA,掃描速度為1.5(°)/min,掃描范圍在 30(°)～ 85(°)。采用 HVS-1000 數(shù)顯微硬度計(jì)測量熔凝層的硬度 ,載荷砝碼為200g ,加載時(shí)間 15s;用MS-評估38型往復(fù)磨損試驗(yàn)機(jī)的磨損性能 ,樣品尺寸為 30mm×25mm×10mm ,激光處理面為 30mm ×25mm ,樣品表面粗糙度R a =0.2μm,摩擦副為油石(粒度) 0.063mm),潤滑油為N32號機(jī)油 ,滴量為10 ～ 12 滴/h,磨損試驗(yàn)參數(shù)：行程 200mm,磨損線速度為 400mm/s,載荷為25N,每 10min 用感量為 0.01mg 樣品磨損損失重分析天平測定 ,加潤滑油 。

電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)樣品的尺寸為 10mm ×10mm ×10mm,熔凝面磨成金相樣品，用 1μm 研磨鉆石膏 EG&G Parc 273型恒電位儀測定基材及激光熔凝層的電化學(xué)極化曲線,從而確定熔凝層的電化學(xué)腐蝕性能。為接近實(shí)際工況 ,腐蝕介質(zhì)是工業(yè)壓鑄鋁合金工件中使用的脫模劑，23℃恒溫 ,飽和甘汞電極(SEC)作為參考電極，鉑電極作為輔助電極 ,介質(zhì)中樣品的自腐蝕電位預(yù)先測定 ,電化學(xué)極化曲線在系統(tǒng)穩(wěn)定后測定 ,初始電位小于自腐蝕電位 200mV,電位掃描速度為1mV/s。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 激光熔凝層的組織結(jié)構(gòu)

圖1 為 H13 熱作模具鋼基材的組織形態(tài) ,其組織為回火索氏體；圖 2 為經(jīng)激光熔凝處理后熔凝層的組織形貌,熔凝層厚度約為 0.5mm ,組織致密、無孔、裂紋等缺陷 。由圖 2 可以看出,H13 激光熔凝處理后，鋼的組織發(fā)生明顯變化，包括熔凝區(qū)、過渡區(qū)、相變硬化區(qū)和熱影響區(qū)，其中過渡區(qū)和熱影響區(qū)分布狹窄，分布區(qū)邊界不明顯。激光熔凝掃描，熔池中金屬熔體的凝固是一個(gè)動態(tài)過程 ,隨著激光束的連續(xù)掃描 ,熔池中金屬的熔化和凝固同時(shí)進(jìn)行 ,熔池底部接觸加熱到微熔狀態(tài)的固態(tài)母晶粒，不均勻晶核附著在表面形核上，形核率顯著提高，使熔凝層的結(jié)晶組織明顯細(xì)化。H13鋼激光熔凝層的結(jié)晶形態(tài)取決于熔池的形狀控制因子 ,即熔池結(jié)晶方向上的溫度梯度 G和凝固速度 R 之比 G/R 。在熔池的底部 R 趨于0,這里的溫度梯度最大，所以 G/R 值很大，因此熔池底部的凝固組織沿晶界或相界以極低的生長，生長速度極低；熔凝層的中間隨之而來 R 的增大和 G/R 逐漸減少，沿?zé)崃鞣较蛐纬梢?guī)則柱和樹枝混合的晶體生長形式 ;熔池頂部 ,形成極細(xì)的枝晶。 為 H13 鋼基材(Ⅰ)激光熔凝層(Ⅱ)的X射線衍射譜,由圖 與基材相比，3可知 ,激光熔凝層增加Cr7C3 、Cr23C6和MoC碳化物。

2.2 激光熔凝層的磨損性能

圖4 為H13鋼激光熔凝層硬度分布曲線 ,圖5 磨損曲線 4可見,H激光熔化后13鋼表面硬度明顯提高 。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，隨著激光束掃描率的提高 ,熔凝層硬度呈上升趨勢 ,本試驗(yàn)綜合考慮了熔凝處理的影響因素 400mm/min掃描速率。從熔凝層X射線結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果可以看出，熔凝層中含有許多新的碳化物強(qiáng)化相，在傳統(tǒng)的熱處理狀態(tài)下難以獲得。因此，碳化物擴(kuò)散強(qiáng)化和快速熔凝固溶強(qiáng)化將有利于提高熔凝層的耐磨性。從金相觀察可以看出，激光熔凝處理后，其組織明顯細(xì)化，由 Hall-Petch公式:σs =σ0 Kyd^(-1/2) 可以看出，細(xì)熔凝層組織產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化 ,有利于提高熔覆層的屈服強(qiáng)度 ,減少磨損過程中的物料轉(zhuǎn)移 ,并抵抗摩擦副磨粒的磨削。.3 激光熔凝層的電化學(xué)腐蝕性金屬材料由于結(jié)晶過程中成分分布不均勻、相界、晶界存在等原因?qū)е挛⒔Y(jié)構(gòu)不均勻，同時(shí)，晶體中固有缺陷的存在會導(dǎo)致表面自由能波動較大，導(dǎo)致表面自由能不均勻，導(dǎo)致電位差大，形成局部腐蝕原電池。腐蝕原電池的基本原理 ,對于同一種材料 ,腐蝕介質(zhì)中的腐蝕率隨著局部表面電勢差的增加而增加。在實(shí)際使用過程中，為了提高壓鑄件的表面質(zhì)量 ,同時(shí)增加模具的冷卻效果，經(jīng)常在模具上噴灑脫模劑，不可避免地造成模具表面的電化學(xué)腐蝕。 為H13 脫模劑介質(zhì)中鋼基材和激光熔凝層的電化學(xué)陽極極化曲線 。由圖6 可以看出，與基材相比， ,熔凝層的自腐蝕電位由-427明顯正移mV 上升為-281mV,腐蝕電流為H13 維鈍電流密度為鋼基材的40%^(-2) A·cm^(-2)下降至10^(-5) A·cm^(-2) 。H13 鋼激光表面熔凝處理 ,利用激光快速加熱和快速冷卻的特點(diǎn)，可以均勻化材料的表面結(jié)構(gòu)和成分 ,減少局部表面自由能的差異，從而顯著提高其電化學(xué)腐蝕性能。

3 結(jié)論

(1) 激光熔凝強(qiáng)化處理 H13 鋼表面獲得無缺陷熔凝層 ,熔凝層組織呈定向生長形式。X射線分析表明熔凝層分析了彌散 Cr7C3 、Cr23C6 和MoC碳化物 。

(2) H激光熔凝處理后，13鋼，其微硬度有所提高。磨粒磨損試驗(yàn)表明，激光熔凝層的耐磨性為H13鋼基體的1.8 其強(qiáng)化機(jī)制主要是過飽和固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和碳化物彌散強(qiáng)化。

(3) H13鋼經(jīng)激光熔化處理后 ,其耐腐蝕性提高，自腐蝕電位正移 ,顯著降低了維鈍電流 。