40Cr模具钢激光熔覆层的组织和性能分析

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本文摘自2017年第7期模具行业

作者：任建华、杨晓良、黄浩、郑丽娟

(燕山大学)

40Cr模具钢是机械制造业应用更广泛的合金结构钢之一。经过质量调整处理后，具有良好的加工性能，可制造各种模具零件。但在工况恶劣的情况下，模具零件磨损严重，使用寿命大大缩短，通常需要40Cr传统的淬火、喷丸、渗氮等强化措施对模具零件有一定的局限性。

激光熔化技术是一种先进的表面改性技术，是一种表面强化方法，可以显著提高基体表面的耐磨性、耐腐蚀性、耐热性、耐氧化性和电气性能。激光熔化技术应用于40Cr具有特殊性能的合金熔覆层可在模具钢表面制备，同时保留40Cr基体的强度和韧性，节省了有价值的金属材料，降低了生产成本。目前40年采用激光熔化技术Cr模具钢表面制备耐磨铁基熔覆层并对熔覆层的组织和性能进行

试验研究

测试材料和方法

试验基材为40Cr，淬火后在550 ℃表面硬度为32~38HRC，其合金元素成分(质量分数，%)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，其余为Fe。试验前，所有样品去除表面的油、锈和氧化物，然后用不同粒度的金相砂纸抛光，然后用无水乙醇和丙酮超声波清洗10min。熔覆金属粉为YSU化学成分(质量分数，%)为600：C：1.00，Si：0.30，Mn：0.30，Cr：14.0，Co：1.7，其余为Fe，粉末粒度为150~200目。

激光熔覆40000W半导体激光器，光斑为矩形光斑，大小为2.5mm×11.5mm，波长为0.976μm。熔覆工艺参数为:激光功率2500W、扫描速度350mm/min、搭接率为43.5%。

熔覆层的组织

图1 不同倍数下熔化层的显微组织

图1显示了金相显微镜下熔覆层不同倍数的微观组织，说明熔覆层质量好，组织致密。

由图1（a）可见，熔覆层分为3个部分：表面层、熔覆层中部和靠近结合区的熔覆层底部。靠近结合区白亮带区域主要为等轴胞状晶，并且掺杂着少量的柱状树枝晶，白亮带右边区域为热影响区，熔覆层的组织形态、排列方式主要与金属液相的流动（对流）有关。

熔化层与热影响区的组织完全不同。热影响区的组织相对较厚、单一，大部分形状为不规则的多边形，主要是残留的奥氏体。在整个熔化过程中，热影响区淬火。在此过程中，由于冷却速度过快，部分合金元素进入热影响区，奥氏体没有时间发生马氏体变化，形成残留的奥氏体。热影响区的残留奥氏体可以提高组织的整体强度和韧性，缓解应力集中，防止裂纹源的产生和扩展，而熔化层的组织要小得多。

图1（b）和图1（c）在不同倍数下数下靠近白亮带的组织（

熔覆层XRD物相分析

图2 熔覆层XRD图谱

图2显示为熔覆层XRD图谱，由图2可见，熔覆层主要由Cr0.03Fe0.97、CoFe15.7、Cr-Fe和CrFe7C0.45等相组成。因为成分。C含量和Co含量增加，产生CrFe7C0.45和CoFe15.7等硬相，分散在熔覆层中，显著提高了熔覆层的硬度和耐磨性。

熔覆层显微硬度

图3 熔覆层的显微硬度

图3显示了熔覆层沿基材表面的硬度分布曲线，熔覆层厚度约为2mm，每两点之间的间距为0.2mm。从图3可以看出，熔覆层的更大硬度值出现在更外层的某个点(约距离熔覆层表面0.1mm），随着熔覆层越深，显微硬度呈下降趋势。当显微硬度值下降到一定程度时，会略有上升，然后硬度值会显著下降，更终会稳定值，即基底的硬度值。熔覆层的硬度值呈现上述分布趋势，是由于熔覆层表面与空气接触，在凝固过程中散热快，密度高，硬度高小，密度高，硬度高；沿熔覆层向内，过冷度相对较小，组织颗粒大，硬度相对较低。当熔覆层靠近基底时，大量的热量通过基底流失，从而增加硬度值。热影响区的硬度值也不同。熔覆层附近的硬度值大于基底附近的硬度值，整个热影响区的硬度值大于基底，因为在熔覆过程中，基底吸收了大量的热量，然后迅速冷却，发挥淬火作用，40Cr基材具有良好的淬透性，因此热影响区的硬度值大于基材的硬度值。熔覆层整体硬度值波动不大，说明熔覆层组织均匀，质量好。

40Cr由于合金粉末含有大量的合金粉末，表面熔覆层的硬度很高Cr元素，Cr与其他合金元素形成固素形成，再加上熔覆层快速凝固产生的细晶强化效果，在一定程度上提高了熔覆层的硬度。基材的维氏硬度约为294HV，熔化层的平均微硬度为733.47HV，更大硬度值为767.42HV，更小值为705.12HV，熔覆层的硬度约为基材硬度的2.5倍。

熔覆层的耐磨性

耐磨试验对比试验采用高温止推圈摩擦辅助试验，试验中摩擦辅助材料淬火Cr12MoV，硬度约为60HRC，试验加载力为10000N，转速300r/min，加载时间为40min，试件分别为40个Cr基材，熔覆YSU600粉末熔覆试件。

40Cr基材磨损量大，达到0.0651g，相对摩擦因数为1.640，熔覆试件熔覆层磨损少，为0.0283g，其磨损量为40Cr基材的43.47%的摩擦副磨损为0.0314g，相对摩擦因数为0.901。

图4 摩擦因数-时间曲线图

图4显示了测试前1064年两个试件的摩擦因数-时间曲线图s在内部，试件的摩擦因数波动范围较大，熔覆试件的摩擦因数比40Cr基材的摩擦因数大；在随后的1064~2400s内，摩擦因数逐渐平稳，因为试验的前期属于摩擦跑合阶段，虽然试件表面用砂纸打磨过，但摩擦副和试件的表面粗糙度值仍较大，因而摩擦因数波动较大。随着试验的继续进行，接触表面粗糙度值降低，试件与摩擦副之间的接触面积增大，摩擦因数趋于平稳。40Cr摩擦因数约为0.37，熔覆试件熔覆层摩擦因数约为0.31。

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