cr12合金激光熔覆層組織與性能研究

有很多模型，工作條件復雜多樣，所使用的材料和加工方法也不同，導致各種模型的失敗形式。模具作為加工其他制品的工具,其材料選擇、設計、加工、處理等一般都有較高的要求,這也就造成了模具的價格一般較高,尤其是大型復雜精密模具。模具一旦失效,如果重新制造則很可能費時費力,嚴重影響生產,造成大量損失和浪費。所以,對模具進行表面處理提高其使用壽命和對失效模具進行高效可靠的修復是很有經濟價值和社會價值的。目前在模具修復中常用的表面技術有堆焊修復技術、熱噴涂和熱噴焊修復技術、電刷鍍修復技術、激光熔覆修復技術和電火花修復技術。采用激光熔覆技術修復模具,根據熔覆的金屬材料的不同,可使修復后的模具具有比原來模具更優異的表面硬度、耐磨性、紅硬性、抗冷熱疲勞等性能。激光熔覆修復模具的主要特點有:加熱和冷卻速度快,畸變較小,熱影響區小,修復層與基體結合強度高等。本研究作者以Cr12鋼為基體進行試驗研究。鋼的硬度主要由含碳量決定,含碳量越高硬度越高,鋼中析出的碳化物顆粒越多。Cr12鋼在凝固過程中,由于成分偏析,使含有較高碳和合金元素的鋼內出現共晶碳化物,Cr12鋼鑄態的共晶碳化物呈樹枝狀分布于鋼的基體中,它在熱加工過程中隨著變形延伸成為帶狀分布,在模具加工和使用時容易出現開裂,普通電弧堆焊修復難度很大。1試驗材料和方法1.1熔覆層的復合熔覆材料選用合金粉末Ni45、Fe310和Fe901,粒度為140~320目,主要成分如表1所示。本研究作者主要目的是為了將試驗結果應用于生產實際,用來修復一些冷沖裁的失效模具,Cr12原始材料(熱軋退火)硬度約為HRC20。首先對試驗用基材Cr12模具鋼進行熱處理,980℃淬火,400℃回火6h,硬度為HRC58,達到一般模具使用要求。然后對基體用砂紙去銹,用丙酮清洗干凈,對熔覆面進行噴沙處理。如果不嚴格對基體試樣材料表面進行預處理,將極易導致預置層或熔覆層產生裂紋、起泡或剝落等。進行噴砂處理還可以明顯提高預置涂層和熔覆層與基體的結合,提高熔覆質量。使用自配黏結劑5%的乙酸纖維素和丙酮,將合金粉末涂敷于待熔覆面。試驗使用5kW級CO2激光機、多維數控操作臺,氬氣保護。經過多次試驗,確定單層熔覆厚度不超過1.5mm,光斑3.5mm×5mm,搭接率40%。鎳基合金粉末熔覆層采用功率1800W、掃描速度240mm/min;鐵基合金粉末熔覆層采用功率2000W、掃描速度200mm/min。必須待有黏結劑的預置涂層完全干燥后方可進行熔覆,否則會出現氣孔等缺陷,影響熔覆質量。由于大功率一次性熔覆會使熔覆層各道熔池所含合金量有較明顯差異,造成凝固后熔覆層表面粗糙度較大(尤其是預置涂層較厚時)。為進一步改善熔覆層表面質量,在正式熔覆前進行了小功率預熱掃描。經試驗,較佳的預熱掃描參數為:功率800W,掃描速度300mm/min。經預熱的涂層在熔覆后表面質量明顯優于未經預熱的熔覆層,并可減少模具熔覆修復后的磨削加工量。上述工藝可得到較好質量的熔覆層,并保證其與基體的冶金結合良好。當熔覆層較薄時可適當降低功率或加快掃描速度。1.2洛粗糙度測試采用HBRVU-187.5型布洛維光學硬度計,對激光熔覆涂層進行了洛氏硬度測試,用金剛石圓錐體壓頭,加載1471N,保荷時間10s,每個試樣上測量5個點,去掉最大值和最小值,對剩下的3個數取平均值。1.3耐磨環材料的測試在磨損實驗中為了使各試樣的磨損接觸面面積一致,先將各熔覆面用磨床磨平。耐磨性測試使用M-200環塊式摩擦磨損試驗機進行,干摩擦,載荷為400N,轉速為200r/min,對磨環材料為淬火GCr15,硬度為HRC62,試驗時間為1.5h。試樣為每組5個,測得每組內試樣失重數據較為集中和穩定的3個取平均值。2試驗結果及分析2.1金相組織圖1是激光熔覆層與基體結合區的典型金相組織,可見熔覆層與基體有很好的冶金結合。2.2鐵基熔覆層硬度耐磨性試驗得到的熔覆層材料的磨損量如圖2所示。可以看出,Ni45熔覆層與Cr12淬火基體的硬度較接近,耐磨性提高一倍多。2種鐵基熔覆層硬度均為HRC54,低于淬火基體,但是磨損量差別非常明顯。Fe310熔覆層磨損量僅比Cr12基體低一些,Fe901熔覆層磨損量最小,僅為20.68mg,比Cr12基體磨損量降低70%以上。表2給出了基體與熔覆層硬度,所有的合金熔覆層的硬度與基體相比變化不大。Ni45合金熔覆層與基體硬度相當。2種的鐵基合金熔覆層硬度相對略低,且一致。2.3材料的耐磨性和磨損量一般說來多相組織中強化相數量越多,粒度越小,分布越均勻,組織的耐磨性就越好。使用掃描電子顯微鏡觀察磨損表面微觀形貌,結果如圖3所示,可直觀地看出Ni基熔覆層的磨痕明顯較輕,Ni基熔覆層中細小彌散分布的硬質強化相起到了很好的抗磨效果。而Cr12粗大且聚集的碳化物一旦脫落成為磨粒則會形成許多較重的磨痕。Fe310熔覆層雖沒有像Cr12那樣嚴重的單道磨痕,但熔覆層整體硬度相對較低,磨損量較大,磨損類型上既有磨粒磨損也有黏著磨損。Fe901熔覆層的磨損量最小,通過金相分析和X-射線相分析得到,Cr7C3、Cr23C6、Fe3B、Fe2B等強化相彌散分布在具有一定強度和良好韌性的基體中,使得熔覆層的耐磨性比較好。一般來講,材料的硬度越高,耐磨性越好,磨損量越低。從前面的硬度試驗結果和磨損量試驗結果來看,本研究中的樣本并不完全符合上述規律。以Cr12淬火基體為比照標準,Ni45熔覆層的硬度比Cr12稍低,磨損量反而還要小,從圖3(b)的磨損形貌可以看出Ni45熔覆層的硬質相細小,而且分布均勻,不容易從韌性基底中脫落成為磨粒,磨粒磨損的磨痕明顯輕微。Cr12模具鋼的磨損量較大主要是由于基體中的硬質共晶碳化物相粗大,且分布不均勻所致。鐵基熔覆層中,硬度均為HRC54左右,但磨損量相差很大。從圖3(c)中可以看到,Fe310熔覆層有非常明顯的黏著磨損、微裂紋和層狀剝落痕跡,這說明材料的韌性比較差。從圖3(d)中可以看到,Fe901熔覆層的磨痕非常輕微,僅有少量剝落,說明其整個熔覆層硬度較高而且均勻,抗黏著性能好,無明顯硬質顆粒聚集。表2給出的僅是各熔覆層的平均硬度,在原始的硬度測量中也發現Fe901熔覆層各測試點的硬度是最均勻穩定的。另外,通過對Fe310和Fe901熔覆層的金相組織及X-射線相分析得到,這2種材料相組成基本一致,但由于Fe901碳含量較低,形成碳化物的量及尺寸都要低于Fe310熔覆層,這可能是Fe901熔覆層組織分布均勻和具有良好韌性的主要原因。從試驗結果還能看到,雖然Ni45熔覆層也具有均勻的組織和更高的硬度,但耐磨性卻低于Fe901熔覆層。原因可能有2個:一是材質不同,由于相結構和材料的韌性不同,可能造成耐磨性的差異;二是Ni45的熔點低于Fe901,而在長時間大載荷干摩擦磨損條件下,摩擦面的溫度很高,Ni45熔覆層受溫度的影響也可能會高于Fe901熔覆層。3激光熔覆工藝及設備的應用沖壓模具主要的性能要求是:具有較高硬度和高耐磨性、抗擦傷性、一定的韌性、疲勞強度和表面加工性。此次修復帶有試驗性質,模具的結構也非常簡單。修復對象為車用4mm厚Q235板材結構件的沖裁模具。刃口處硬度在HRC56左右。該模具失效主要是裂紋和刃口剝落,如圖4所示。選用Fe901合金粉末作為修復材料,其激光熔覆后具有較高的硬度和耐磨性,一定的韌塑性和抗沖擊性能。修復使用5kW橫流CO2激光器及多維數控工作臺,通過前述的試驗經驗,選用相應的熔覆工藝參數,氬氣保護。涂覆前用丙酮除去油污,將修復部位表面裂紋打磨干凈,防止在熔覆過程中裂紋向熔覆層貫穿。之后表面進行噴砂處理,去掉表面銹蝕層,提高預置涂層與基體的結合性。而且噴砂后更易清楚地觀察裂紋是否打磨干凈。由于熔融和表面張力作用,熔覆層邊緣將出現一定量的塌縮。修復操作要保證有一定量的磨削加工余量或采用輔助支撐方法防止塌縮。刃口剝落厚度為1~3mm。根據剝落厚度不同,修復采用一層或多層熔覆,每層厚度控制在1mm以內,以保證熔覆層冶金質量,并對刃口硬度不均處進行適當的激光強化。修復后測試Fe901熔覆層硬度在HRC54左右,刃口整體硬度較為均勻。熔覆層外觀平整光亮,放大鏡下觀察,未發現缺陷,如圖5所示。激光熔覆修復后,該模具返廠經少量打磨便投入生產。目前修復后的模具已經加工產品萬件以上,檢測表明,模具的磨損量小且磨損均勻,狀態良好。因此,修復后模具的壽命將達到或超過一般冷作模具鋼模具。激光熔覆技術不但在模具的修復方面大有作為,而且也為使用低成本材料制造高性能零件開辟了新的道路。4鐵基熔覆層硬度(1)激光熔覆層與基體有很好的冶金結合,可對失效模具