激光送粉對fe基合金熔覆層組織性能的影響

激光送粉對fe基合金熔覆層組織性能的影響

0cr12mov模具鋼通過建模壓力加工，生產(chǎn)大量零件是機械設備的重要方法。建模加工具有效率高、質量好、人力省石、降低成本等優(yōu)點。因此，它被廣泛應用于機械工程行業(yè)的各個領域。Cr12MoV鋼是一種冷作模具鋼。它具有淬透性好、熱淬火變形小且具有很高的耐磨性。少量的Mo、V合金元素的加入,使材料具有良好的熱加工性能和高沖擊韌性,因此Cr12MoV鋼多用于制造高耐磨性及形狀復雜的冷作模具等工件,如冷切剪刀、切邊模、量規(guī)、拉絲模、螺紋滾模以及要求高耐磨的冷沖模及沖頭等模具。但模具在使用過程中,除了受到力與熱的沖擊外,模具工作表面還與坯料間存在劇烈的摩擦作用,因此Cr12MoV模具鋼在使用過程中仍然存在失效、耐磨性低等情況。特別是在工業(yè)高速發(fā)展的今天,對模具材料的性能要求也越來越高,使得Cr12MoV模具鋼的缺陷也日益突顯。鑒于模具使用過程中的特殊性,為了進一步提高Cr12MoV的耐磨性和硬度,近年來有許多學者采用激光熔覆技術在此方面做了大量研究。代大橋和梁工英等利用橫流CO2激光器在Cr12MoV表面熔覆Ni基、Co基合金,得出Ni60合金熔覆層比Stellie6合金熔覆層具有更高的硬度。丁陽喜和王炳采用橫流CO2激光器通過預置的方式在Cr12MoV表面熔覆Ni/WC合金,通過對工藝參數(shù)的研究分析得出最優(yōu)生產(chǎn)工藝參數(shù),使熔覆層的硬度和耐磨性得到較大提高。但是由于Cr12MoV是高碳高合金鋼,熔覆材料Ni60與Ni/WC合金在激光熔覆過程中極易導致基體出現(xiàn)微裂紋、熔覆層開裂等難題,難以在實際生產(chǎn)中獲得推廣應用;其次由于Fe基合金價格低廉,在工業(yè)生產(chǎn)中具有巨大的經(jīng)濟意義和社會價值,且對于在Cr12MoV表面激光熔覆Fe基合金的研究也較少。針對以上情況,本文采用激光熔覆技術在常用的模具鋼Cr12MoV基體材料表面熔覆自制Fe基合金涂層,研究復合涂層的顆粒形態(tài)及其微觀結構,并對涂層樣品進行硬度、磨損試驗,對其性能進行評價分析。1熔覆層的顯微硬度本實驗所用的基體材料為經(jīng)過鍛造加工的Cr12MoV,試樣尺寸為100mm×50mm×15mm,調質態(tài),硬度為35~40HRC,使用前對基體材料進行磨光,并用酒精清洗。所用的熔覆材料為自制的Fe基合金粉末,主要成分為Fe、Cr、V、C,粉末粒度為200~300目,120℃烘干2h待用。本實驗采用2kW大功率半導體激光器,采用同軸送粉,激光熔覆過程中用Ar保護以防止氧化。激光作用完畢,截取熔覆試樣的橫截面,經(jīng)預磨拋光后制成金相試樣,腐蝕劑為V(FeCl3)∶V(HCl)∶V(HNO3)=5∶20∶6的混合溶液。用4XC型金相顯微鏡作金相觀察;試驗用HDX-1000硬度計測試熔覆層的顯微硬度,載荷200g,加載時間為10s;用WTM-2E磨損試驗機進行耐磨試驗,對磨試樣材料為GCr15,磨損時間為180min,載荷250g,轉速為400r/min;用日立4700掃描電子顯微鏡分析熔覆層的組織結構和成分,采用X’PertPRO型X射線衍射儀測定熔覆層的物相組成。2試驗結果及分析2.1顯微組織及硬度激光熔覆過程中,激光功率、掃描速度、送粉量、粉末性能、粉末粒度、搭接率、送粉量、載氣量等均對熔覆層的質量有影響。本實驗選取影響因素較大的激光功率、掃描速度、送粉量3個參數(shù)為研究分析對象,在不同激光比能量下分析各熔覆層的綜合性能,選出最優(yōu)參數(shù)。測試試樣的硬度和耐磨性,觀察其顯微組織形貌,對比各不同參數(shù)下的熔覆層的硬度、耐磨性及顯微組織,選出較優(yōu)的工藝參數(shù)。從表1可以看出5#試樣的平均顯微硬度達到877HV0.2,相對耐磨量達到4.0,明顯優(yōu)于其它試樣。經(jīng)過綜合分析,5#試樣的激光工藝較為理想,下面將具體對5#試樣的熔覆層性能進行具體分析。2.2熔覆層組織的x射線衍射激光工藝參數(shù)對熔覆層的顯微組織有很大影響。圖1(a)為5#試樣熔覆層的橫截面顯微組織。其上部為基體,基體中白色小點塊為碳化物;中部淺色帶為熔合區(qū),其中靠近基體側有淺色組織嵌入其中,表明此處存有元素互滲現(xiàn)象,顯示出熔覆層與基體形成良好的冶金結合,且熔覆層組織內部無氣孔、裂紋和夾渣;圖片的下部為熔覆層組織,由于次道熔覆對前道熔覆的加熱與冷卻,因而搭接帶在圖片中可清晰區(qū)分。圖1(b)為5#試樣熔合區(qū)的高倍組織,左側為基體,由于靠近熔合線,此處在激光的熱作用下,呈現(xiàn)出細馬氏體與屈氏體;中部為細柱狀晶,組織基本沿著熱擴散方向生長,具有定向快速凝固特征,右側熔覆層組織均勻致密,只有在更高的放大倍數(shù)下才能分辯出其組織(見圖2(a))。圖2(a)為5#試樣更高倍數(shù)放大下熔覆層的光學顯微組織,圖2(b)為5#試樣熔覆層SEM微觀組織。從圖2(a)中可出看出熔覆層中存在大量針狀組織,結合圖3熔覆層X射線衍射圖譜分析可知這些針狀組織為馬氏體,表明了熔覆層合金粉末在該激光掃描速度下,呈現(xiàn)出良好的自淬硬性能。從圖2(b)中可以看出熔覆層組織得到細化,散布著細小的晶粒組織,如圖2(b)中的A區(qū)域;而且在細晶粒組織中有比較大的塊狀組織,如圖2(b)中的B區(qū)域。圖3為圖2(b)中B區(qū)域塊狀組織的能量譜分析圖,主要為Cr、Fe以及C、V的化合物,結合圖4(熔覆層X射線衍射圖譜)進行分析,推斷可能為Fe-Cr和Fe3C,圖2(b)中的白色細小晶粒推測為V4C3、Cr23C6、Cr7C3金屬化合物,這些物質在很大程度上決定著熔覆層的組織性能。2.3激光功率對涂層材料硬度的影響圖5是熔覆層的顯微硬度分布曲線,零點選為基體和涂層的結合線處。從硬度曲線圖可以看出,熔覆層至基體的硬度值呈現(xiàn)出下降的趨勢,熔覆層的硬度明顯高于基體的硬度,最高硬度可以達到921HV0.2,是基體平均硬度(320HV0.2)的3倍左右。從圖中可以看出,在激光功率為1.2kW時,熔覆層的硬度是最高的,分析原因可能為當激光功率過低時(720W),涂層材料沒有得到充分熔化,沒有充分熔化的材料在冷卻時凝結成不連續(xù)的熔滴,因而致使熔覆層硬度的降低;當激光功率過大時(1760W),熔覆材料吸熱過多,這不僅會加劇基體的稀釋作用,而且還會造成熔覆材料中的元素分解和蒸發(fā),進而產(chǎn)生氣孔,同時導致熔覆層的硬度降低。其次,熔覆層硬度的提高,在很大程度上與Fe基合金粉末中的Cr、C、V等合金元素有關。這些元素經(jīng)過激光加熱,會在熔池中迅速擴散,進而形成化合物并作為硬質點(如圖2(b)中的B區(qū)域)分布在熔覆層中,致使熔覆層的硬度提高。結合熔覆層SEM顯微組織(圖2(b))與熔覆層X射線衍射圖譜(圖4)分析可知,熔覆層硬度的提高除了合金元素細晶強化外,還與大量金屬間化合物的形成密切相關,如V4C3、Cr23C6、Cr7C3等化合物,在熔覆層中作為硬質相存在。2.4磨損形貌分析在加載250g,轉速為400r/min,磨損時間為180min的試驗條件下,激光熔覆層和基體的摩擦磨損質量損失分別為0.0004g和0.0016g,可看出,在相同摩擦磨損試驗條件下激光熔覆試樣的磨損質量損失僅為基體試樣磨損質量損失的25%,從磨損結果可以說明,通過在Cr12MoV表面激光熔覆Fe基合金涂層,Cr12MoV耐磨性得到大幅度提高。圖6(a)是基體的磨損形貌,圖6(b)是熔覆層的磨損形貌圖,從圖6(a)可以看出基體的磨損狀況較為嚴重,表面除了有層片脫落以外,還有大量的犁溝出現(xiàn),試樣表面大面積遭到破壞,說明基體的磨損形式主要為犁溝和粘著兩種形式。圖6(b)與圖6(a)相比雖然有粘著磨損出現(xiàn),但沒有出現(xiàn)像基體表面一樣的大面積脫落現(xiàn)象,磨損之后較為平整,沒有明顯的溝壑,只有局部表層脫落,磨損情況較基體輕。3顯微硬度和耐磨性(1)采用2kW半導體激光器,在Cr12MoV表面以同軸送粉的方式熔覆Fe基合金涂層,熔覆層的內部組織為富含Cr、V、C的細小樹枝晶和馬氏體組織,而且熔覆層的枝晶間分布著Fe-Cr、V4C3和Cr7C3等硬質相,從而使熔覆層的顯微硬度和耐磨性得到大幅提高。(2)熔覆層