cr12合金激光熔覆层组织与性能研究

cr12合金激光熔覆层组织与性能研究

有很多模型，工作条件复杂多样，所使用的材料和加工方法也不同，导致各种模型的失败形式。模具作为加工其他制品的工具,其材料选择、设计、加工、处理等一般都有较高的要求,这也就造成了模具的价格一般较高,尤其是大型复杂精密模具。模具一旦失效,如果重新制造则很可能费时费力,严重影响生产,造成大量损失和浪费。所以,对模具进行表面处理提高其使用寿命和对失效模具进行高效可靠的修复是很有经济价值和社会价值的。目前在模具修复中常用的表面技术有堆焊修复技术、热喷涂和热喷焊修复技术、电刷镀修复技术、激光熔覆修复技术和电火花修复技术。采用激光熔覆技术修复模具,根据熔覆的金属材料的不同,可使修复后的模具具有比原来模具更优异的表面硬度、耐磨性、红硬性、抗冷热疲劳等性能。激光熔覆修复模具的主要特点有:加热和冷却速度快,畸变较小,热影响区小,修复层与基体结合强度高等。本研究作者以Cr12钢为基体进行试验研究。钢的硬度主要由含碳量决定,含碳量越高硬度越高,钢中析出的碳化物颗粒越多。Cr12钢在凝固过程中,由于成分偏析,使含有较高碳和合金元素的钢内出现共晶碳化物,Cr12钢铸态的共晶碳化物呈树枝状分布于钢的基体中,它在热加工过程中随着变形延伸成为带状分布,在模具加工和使用时容易出现开裂,普通电弧堆焊修复难度很大。1试验材料和方法1.1熔覆层的复合熔覆材料选用合金粉末Ni45、Fe310和Fe901,粒度为140~320目,主要成分如表1所示。本研究作者主要目的是为了将试验结果应用于生产实际,用来修复一些冷冲裁的失效模具,Cr12原始材料(热轧退火)硬度约为HRC20。首先对试验用基材Cr12模具钢进行热处理,980℃淬火,400℃回火6h,硬度为HRC58,达到一般模具使用要求。然后对基体用砂纸去锈,用丙酮清洗干净,对熔覆面进行喷沙处理。如果不严格对基体试样材料表面进行预处理,将极易导致预置层或熔覆层产生裂纹、起泡或剥落等。进行喷砂处理还可以明显提高预置涂层和熔覆层与基体的结合,提高熔覆质量。使用自配黏结剂5%的乙酸纤维素和丙酮,将合金粉末涂敷于待熔覆面。试验使用5kW级CO2激光机、多维数控操作台,氩气保护。经过多次试验,确定单层熔覆厚度不超过1.5mm,光斑3.5mm×5mm,搭接率40%。镍基合金粉末熔覆层采用功率1800W、扫描速度240mm/min;铁基合金粉末熔覆层采用功率2000W、扫描速度200mm/min。必须待有黏结剂的预置涂层完全干燥后方可进行熔覆,否则会出现气孔等缺陷,影响熔覆质量。由于大功率一次性熔覆会使熔覆层各道熔池所含合金量有较明显差异,造成凝固后熔覆层表面粗糙度较大(尤其是预置涂层较厚时)。为进一步改善熔覆层表面质量,在正式熔覆前进行了小功率预热扫描。经试验,较佳的预热扫描参数为:功率800W,扫描速度300mm/min。经预热的涂层在熔覆后表面质量明显优于未经预热的熔覆层,并可减少模具熔覆修复后的磨削加工量。上述工艺可得到较好质量的熔覆层,并保证其与基体的冶金结合良好。当熔覆层较薄时可适当降低功率或加快扫描速度。1.2洛粗糙度测试采用HBRVU-187.5型布洛维光学硬度计,对激光熔覆涂层进行了洛氏硬度测试,用金刚石圆锥体压头,加载1471N,保荷时间10s,每个试样上测量5个点,去掉最大值和最小值,对剩下的3个数取平均值。1.3耐磨环材料的测试在磨损实验中为了使各试样的磨损接触面面积一致,先将各熔覆面用磨床磨平。耐磨性测试使用M-200环块式摩擦磨损试验机进行,干摩擦,载荷为400N,转速为200r/min,对磨环材料为淬火GCr15,硬度为HRC62,试验时间为1.5h。试样为每组5个,测得每组内试样失重数据较为集中和稳定的3个取平均值。2试验结果及分析2.1金相组织图1是激光熔覆层与基体结合区的典型金相组织,可见熔覆层与基体有很好的冶金结合。2.2铁基熔覆层硬度耐磨性试验得到的熔覆层材料的磨损量如图2所示。可以看出,Ni45熔覆层与Cr12淬火基体的硬度较接近,耐磨性提高一倍多。2种铁基熔覆层硬度均为HRC54,低于淬火基体,但是磨损量差别非常明显。Fe310熔覆层磨损量仅比Cr12基体低一些,Fe901熔覆层磨损量最小,仅为20.68mg,比Cr12基体磨损量降低70%以上。表2给出了基体与熔覆层硬度,所有的合金熔覆层的硬度与基体相比变化不大。Ni45合金熔覆层与基体硬度相当。2种的铁基合金熔覆层硬度相对略低,且一致。2.3材料的耐磨性和磨损量一般说来多相组织中强化相数量越多,粒度越小,分布越均匀,组织的耐磨性就越好。使用扫描电子显微镜观察磨损表面微观形貌,结果如图3所示,可直观地看出Ni基熔覆层的磨痕明显较轻,Ni基熔覆层中细小弥散分布的硬质强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脱落成为磨粒则会形成许多较重的磨痕。Fe310熔覆层虽没有像Cr12那样严重的单道磨痕,但熔覆层整体硬度相对较低,磨损量较大,磨损类型上既有磨粒磨损也有黏着磨损。Fe901熔覆层的磨损量最小,通过金相分析和X-射线相分析得到,Cr7C3、Cr23C6、Fe3B、Fe2B等强化相弥散分布在具有一定强度和良好韧性的基体中,使得熔覆层的耐磨性比较好。一般来讲,材料的硬度越高,耐磨性越好,磨损量越低。从前面的硬度试验结果和磨损量试验结果来看,本研究中的样本并不完全符合上述规律。以Cr12淬火基体为比照标准,Ni45熔覆层的硬度比Cr12稍低,磨损量反而还要小,从图3(b)的磨损形貌可以看出Ni45熔覆层的硬质相细小,而且分布均匀,不容易从韧性基底中脱落成为磨粒,磨粒磨损的磨痕明显轻微。Cr12模具钢的磨损量较大主要是由于基体中的硬质共晶碳化物相粗大,且分布不均匀所致。铁基熔覆层中,硬度均为HRC54左右,但磨损量相差很大。从图3(c)中可以看到,Fe310熔覆层有非常明显的黏着磨损、微裂纹和层状剥落痕迹,这说明材料的韧性比较差。从图3(d)中可以看到,Fe901熔覆层的磨痕非常轻微,仅有少量剥落,说明其整个熔覆层硬度较高而且均匀,抗黏着性能好,无明显硬质颗粒聚集。表2给出的仅是各熔覆层的平均硬度,在原始的硬度测量中也发现Fe901熔覆层各测试点的硬度是最均匀稳定的。另外,通过对Fe310和Fe901熔覆层的金相组织及X-射线相分析得到,这2种材料相组成基本一致,但由于Fe901碳含量较低,形成碳化物的量及尺寸都要低于Fe310熔覆层,这可能是Fe901熔覆层组织分布均匀和具有良好韧性的主要原因。从试验结果还能看到,虽然Ni45熔覆层也具有均匀的组织和更高的硬度,但耐磨性却低于Fe901熔覆层。原因可能有2个:一是材质不同,由于相结构和材料的韧性不同,可能造成耐磨性的差异;二是Ni45的熔点低于Fe901,而在长时间大载荷干摩擦磨损条件下,摩擦面的温度很高,Ni45熔覆层受温度的影响也可能会高于Fe901熔覆层。3激光熔覆工艺及设备的应用冲压模具主要的性能要求是:具有较高硬度和高耐磨性、抗擦伤性、一定的韧性、疲劳强度和表面加工性。此次修复带有试验性质,模具的结构也非常简单。修复对象为车用4mm厚Q235板材结构件的冲裁模具。刃口处硬度在HRC56左右。该模具失效主要是裂纹和刃口剥落,如图4所示。选用Fe901合金粉末作为修复材料,其激光熔覆后具有较高的硬度和耐磨性,一定的韧塑性和抗冲击性能。修复使用5kW横流CO2激光器及多维数控工作台,通过前述的试验经验,选用相应的熔覆工艺参数,氩气保护。涂覆前用丙酮除去油污,将修复部位表面裂纹打磨干净,防止在熔覆过程中裂纹向熔覆层贯穿。之后表面进行喷砂处理,去掉表面锈蚀层,提高预置涂层与基体的结合性。而且喷砂后更易清楚地观察裂纹是否打磨干净。由于熔融和表面张力作用,熔覆层边缘将出现一定量的塌缩。修复操作要保证有一定量的磨削加工余量或采用辅助支撑方法防止塌缩。刃口剥落厚度为1~3mm。根据剥落厚度不同,修复采用一层或多层熔覆,每层厚度控制在1mm以内,以保证熔覆层冶金质量,并对刃口硬度不均处进行适当的激光强化。修复后测试Fe901熔覆层硬度在HRC54左右,刃口整体硬度较为均匀。熔覆层外观平整光亮,放大镜下观察,未发现缺陷,如图5所示。激光熔覆修复后,该模具返厂经少量打磨便投入生产。目前修复后的模具已经加工产品万件以上,检测表明,模具的磨损量小且磨损均匀,状态良好。因此,修复后模具的寿命将达到或超过一般冷作模具钢模具。激光熔覆技术不但在模具的修复方面大有作为,而且也为使用低成本材料制造高性能零件开辟了新的道路。4铁基熔覆层硬度(1)激光熔覆层与基体有很好的冶金结合,可对失效模具