40Cr模具鋼是機械制造業使用很廣泛的合金結構鋼，經調質處理后，其加工性能良好，可以制造各類模具零件。但在工況比較惡劣的情況下，模具零件的磨損會很嚴重，使用壽命大幅度縮短，通常需要對40Cr模具鋼表面進行強化處理，目前常用的方法如傳統的淬火、噴丸和滲氮等強化措施對此類模具零件有一定的局限性。

 

激光熔覆技術是一種先進的表面改性技術，是顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的表面強化方法，可以在金屬材料的基礎上制成具有高硬度、耐磨、耐腐蝕和高溫抗氧化性等特殊性能熔覆層。將激光熔覆技術應用于40Cr模具鋼上可在其表面制備具有特殊性能的合金熔覆層的同時，保留40Cr基體的強度和韌性，節省貴重的金屬材料，降低生產成本。現采用激光熔覆技術在40Cr模具鋼表面制備耐磨鐵基熔覆層并對熔覆層的組織和性能進行分析。

 

試驗材料和方法

 

實驗研究

 

試驗基體材料為40Cr，淬火后在550 ℃左右回火，表面硬度為32~38HRC，其合金元素成分（質量分數，%）如下：C：0.37~0.45，Si：0.17~0.37，Mn：0.5~0.8，Cr：0.8~1.1，Ni：≤0.030，P：≤0.035，S：≤0.035，Cu：≤0.030，其余為Fe。試驗前，所有試樣均除去表面的油、銹和氧化物，然后經不同粒度的金相砂紙打磨，拋光處理后，再用無水乙醇和丙酮各超聲清洗10min。熔覆的金屬粉末為YSU600，其化學成分（質量分數，%）為：C：1.00，Si：0.30，Mn：0.30，Cr：14.0，Co：1.7，其余為Fe，粉末粒度為150~200目。

 

激光熔覆采用4000W半導體激光器，光斑為矩形光斑，大小為2.5mm×11.5mm，波長為0.976μm。熔覆的工藝參數為：激光功率2500W、掃描速度350mm/min、搭接率為43.5%。

 

熔覆層的組織

 

圖1 不同倍數下熔覆層的顯微組織

 

圖1所示為熔覆層在金相顯微鏡下不同倍數的微觀組織，可以看出熔覆層質量較好，組織較為致密。

 

由圖1（a）可見，熔覆層分為3個部分：表面層、熔覆層中部和靠近結合區的熔覆層底部?？拷Y合區白亮帶區域主要為等軸胞狀晶，并且摻雜著少量的柱狀樹枝晶，白亮帶右邊區域為熱影響區，熔覆層的組織形態、排列方式主要與金屬液相的流動（對流）有關。

 

熔覆層和熱影響區的組織截然不同，熱影響區的組織比較粗大、單一，形狀大多為無規則的多邊形，主要為殘余奧氏體。在整個熔覆過程中，熱影響區發生淬火，在這個過程中由于冷卻速度過快，并且部分合金元素進入熱影響區，導致奧氏體來不及發生馬氏體轉變而殘留下來形成殘余奧氏體。熱影響區殘余奧氏體能提高組織的整體強度和韌性，緩解應力集中，防止裂紋源的產生和擴展，熔覆層的組織則小的多。

 

圖1（b）和圖1（c）分別為不同倍數下靠近白亮帶的組織，由圖1（b）和圖1（c）可見，越靠近白亮帶，胞狀晶越密集；熔覆層中部組織種類較多，包括柱狀樹枝晶和胞狀晶，其中以柱狀樹枝晶為主。圖1（d）為熔覆層中部組織，可以看出其組織形態比較復雜，排列整體上較雜亂，局部較為整齊。

 

熔覆層XRD物相分析

 

圖2 熔覆層的XRD圖譜

 

圖2所示為熔覆層的XRD圖譜，由圖2可見，熔覆層主要由Cr0.03Fe0.97、CoFe15.7、Cr-Fe和CrFe7C0.45等相組成。由于成分中C含量和Co含量增加，生成了CrFe7C0.45和CoFe15.7等硬質相，彌散分布于熔覆層中，明顯提高熔覆層的硬度和耐磨性。

 

熔覆層顯微硬度

 

圖3 熔覆層的顯微硬度

 

圖3所示為熔覆層從表面沿基材方向的硬度分布曲線，熔覆層厚約2mm，每2個點之間的間距為0.2mm。由圖3可見，熔覆層硬度可達值均出現在很靠外的某個點處（大約距離熔覆層表面0.1mm），隨著熔覆層越深，顯微硬度呈下降的趨勢，當顯微硬度值降到一定時，略微上升，隨后硬度值大幅度下降，很終降到一個穩定值，即基材的硬度值。熔覆層硬度值呈現上述分布趨勢是由于熔覆層表面與空氣接觸，在凝固過程中散熱快，過冷度大，因而形成的組織細小，致密度高，硬度也高；沿著熔覆層向里，過冷度相對較小，形成的組織晶粒較大，硬度也相對較低，當熔覆層靠近基材的時候，大量的熱量通過基材散失，使得硬度值增大。熱影響區的硬度值也不一樣，靠近熔覆層的硬度值大于靠近基材的硬度值，整個熱影響區的硬度值均大于基材，因為在熔覆過程中，基材吸收了大量的熱量，隨后又快速冷卻，起到了淬火的作用，且40Cr基材淬透性較好，故熱影響區的硬度值大于基材硬度值。熔覆層整體的硬度值波動不大，說明熔覆層的組織比較均勻，質量較好。

 

40Cr表面熔覆層的硬度很高，因為合金粉末中含有大量的Cr元素，Cr與其他合金元素形成固溶體產生固溶強化，加上熔覆層快速凝固產生的細晶強化效果，在一定程度上提高了熔覆層的硬度。基材維氏硬度約294HV，熔覆層顯微硬度平均值為733.47HV，硬度可達值為767.42HV，很小值為705.12HV，熔覆層硬度約為基材硬度的2.5倍。

 

熔覆層耐磨性

 

耐磨試驗對比測試采用高溫止推圈摩擦副試驗，試驗中摩擦副的材料為淬火后的Cr12MoV，硬度約為60HRC，試驗加載力為1000N，轉速300r/min，加載時間為40min，試驗試件分別為40Cr基材，熔覆YSU600粉末的熔覆試件。

 

40Cr基材的磨損量多，達到了0.0651g，相對摩擦因數為1.640，而熔覆試件的熔覆層磨損量少，為0.0283g，其磨損量為40Cr基材的43.47%，對應的摩擦副磨損量為0.0314g，相對摩擦因數為0.901。

 

圖4 摩擦因數——時間曲線圖

 

圖4所示為2種試件的摩擦因數——時間曲線圖，由圖4可見，在試驗的前1064s內，試件的摩擦因數波動范圍較大，且熔覆試件熔覆層的摩擦因數比40Cr基材的摩擦因數大；在隨后的1064~2400s內，摩擦因數逐漸平穩，因為試驗的前期屬于摩擦跑合階段，雖然試件表面用砂紙打磨過，但摩擦副和試件的表面粗糙度值仍較大，因而摩擦因數波動較大。隨著試驗的繼續進行，接觸表面粗糙度值降低，試件與摩擦副之間的接觸面積增大，摩擦因數趨于平穩。在摩擦因數的平穩期中，40Cr的摩擦因數約為0.37，熔覆試件熔覆層的摩擦因數約為0.31。（內容摘自模具工業）