模具钢的激光熔覆组织和性能

模具钢的激光熔覆组织和性能
汤光平 黄文荣 杨家林

对产品加工常用模具材料进行激光熔覆试验，以研究熔覆层深度与工艺参数的关系、显微硬度在横截面上的变化、合金元素的存在形式与分布状态、试样耐磨性能的变化趋势等，探讨采用激光熔覆技术提高模具性能、延长模具寿命的可行性。

（1）熔覆层深度。随着激光功率的提高，单道熔覆层深度增加较快，但功率达到1.3kW后，深度增加较少，基本上达到了极限深度。数据回归处理得到曲线拟合方程为D=-0.0929P2+0.9091P+0.776，P?（700，1300），D为熔覆层深度，mm; P为激光功率，W。当搭接率为10%并以不同的激光参数进行多道熔覆时，熔覆深度为1.65~2.62mm，不经激光预热时深度最不均匀，且熔覆材料中加入WC后，熔覆层的不均匀性更加严重，即加剧了熔覆层深度的不均匀性。

（2）熔覆层硬度。无论哪种合金粉末和激光工艺，熔覆处理后表层硬度高，次表层的硬度最高，可以达到945HV0.2; 熔覆合金粉末中加入25%的后，硬度并没有明显的提高。激光熔覆后，熔覆层的组织形态不均匀，表层为铸造组织形态，而次表层及靠近基体的熔池底部则为淬火组织，基体仍然保持原来的回火组织。因此硬度峰值出现在次表层，而不是在表面。熔覆层主要通过固溶体强化、细晶强化、第二相的弥散强化提高硬度。

（3）耐磨性能。在相同的实验条件下，基体试样的磨损量最大，达到了39.4g，而激光熔覆表面的耐磨损性能大大提高，绝对磨损量最低只有9.3g，相对耐磨性最高可达到熔覆前的4.24倍，表明激光熔覆可以显著改善表面的耐磨损性能。熔覆合金中加入粉末前后表面的耐磨性能并没有明显变化。熔覆试样磨损表面上有许多小平面，还有与滑动方向一致的细长的划痕，说明在摩擦试验过程中，激光熔覆表面不仅受到了粘着磨损，还受到了磨粒磨损，试验测得的磨损量是这两种磨损综合作用的结果。

（4）组织结构。无论合金粉末中是否加入，熔覆层组织都十分相近，分为两种：一种靠近熔池底部为以镍铬硅固溶体和低熔点镍基共晶基体上分布粒状、短棒状的混合组织，是比较典型的平面外延生长组织；另一种是熔池中部和表面大致沿热流方向生长的枝晶组织，整个熔覆层组织为平面晶和枝晶的混合结构。在扫描电镜下，熔覆层的共晶组织形态更加明显，呈现出排列相当整齐的细小树枝晶。碳化钨的加入并没有使组织发生变化，没有观测到期望的碳化钨超硬质点。在熔覆冷却过程中，一部分钨与铬、硼等形成复合相，还有少部分固溶于共晶的基体中。对枝杆区和枝晶间进行波谱分析表明，枝杆区为镍基固溶体，并含有一定的铬，而含钨量较低，但在枝晶间含钨量较高，表明碳化钨在高温下被熔化并冷却后，碳化钨消失，并以其它第二相如W3.2Cr1.8B3的形式分布于枝晶间。