張官軍，李貴倫

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

H13（4Cr5MoSiV1）鋼是應(yīng)用極為廣泛的熱作模具鋼，具有較高的紅硬性、熱強(qiáng)度和熱疲勞抗力，廣泛用于制造鍛模、壓鑄模和擠壓模等[1-2]。這類(lèi)模具服役環(huán)境惡劣，工作中與高溫材料反復(fù)接觸，在交變應(yīng)力作用下，常因模具表面熱磨損、熱疲勞和腐蝕而失效[3]。利用表面工程技術(shù)提高H13鋼的表面硬度、耐磨性和抗腐蝕性已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化方式有滲碳、滲氮、氮碳共滲、噴丸與硬化膜沉淀等，這些強(qiáng)化方式能有效提高H13鋼表面性能，但存在處理周期長(zhǎng)、技術(shù)要求高、表面結(jié)合差及涂層較薄等缺點(diǎn)[4-6]。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，金屬表面激光相變強(qiáng)化技術(shù)因晶粒細(xì)小、高位錯(cuò)密度、工件變形小、功率可控和無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)倍受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[2-4]。

本研究以H13鋼模具為研究對(duì)象，結(jié)合激光相變強(qiáng)化機(jī)理，利用激光技術(shù)對(duì)鋁材擠壓模具工作帶進(jìn)行相變強(qiáng)化處理，分析激光相變強(qiáng)化對(duì)鋁材擠壓模具工作帶的表面硬度、硬化層深以及表面粗糙度的影響。

1 激光表面硬化機(jī)理

與傳統(tǒng)淬火后馬氏體形成的機(jī)理類(lèi)似，激光相變強(qiáng)化也是通過(guò)迅速加熱和快速冷卻實(shí)現(xiàn)金屬材料表面硬化的，但激光相變強(qiáng)化的熱循環(huán)過(guò)程有所不同。常規(guī)淬火后的組織是通過(guò)冷卻介質(zhì)（水或油）快速冷卻，而激光相變強(qiáng)化是鐵基合金在激光停止照射后，利用金屬基材本身的熱傳導(dǎo)使受熱部位不借助其它介質(zhì)實(shí)現(xiàn)急速冷卻，從而得到“自淬火”馬氏體組織[7]。

激光相變強(qiáng)化技術(shù)是通過(guò)高能激光束作用于需要改性部位的金屬表面，使其吸收光能后溫度以104~105℃/s的速度瞬間升高到奧氏體相變溫度以上，熔點(diǎn)溫度以下。快速的升溫過(guò)程有益于奧氏體形核，得到細(xì)小的奧氏體晶粒，隨后通過(guò)金屬基材自身的熱傳遞以大于104℃/s的冷卻速度急速冷卻。由于加熱時(shí)間短，冷卻速度過(guò)快，使得奧氏體來(lái)不及均勻化，導(dǎo)致碳和合金元素分布不均，相變形核臨界半徑較小，形核可在原晶界、亞晶界和晶體缺陷處發(fā)生，使奧氏體形核得到細(xì)小的奧氏體晶粒。而奧氏體快速向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，板條狀馬氏體和孿晶馬氏體是常見(jiàn)的組織，具有很高的位錯(cuò)密度，一般可達(dá)1012㎝-2。研究表明，晶粒細(xì)小、極大的位錯(cuò)密度是獲得超高硬度馬氏體的重要條件[8-9]。再者，激光相變強(qiáng)化的這種加工方式使金屬表面產(chǎn)生極大的壓應(yīng)力，一般可達(dá)750 MPa以上，很大程度上可改善材料的疲勞強(qiáng)度[10]。

2 激光相變區(qū)不同深度的組織類(lèi)型

激光束照射在金屬表面會(huì)形成較高的溫度梯度，從而引起材料中的原子遷移現(xiàn)象。在一定深度范圍內(nèi)，不同結(jié)構(gòu)的組織層的形成與溫度有關(guān)，主要表現(xiàn)為隨溫度梯度分布的變化，組織的耐磨性、硬度以及其他性能也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。激光相變強(qiáng)化后，金屬材料可按其組織層的不同可以分成三層，如圖1所示。

圖1 模具工作帶激光相變強(qiáng)化組織示意圖

第一層：硬化層。該層直接受到激光束的照射，溫度升高和降低最快，過(guò)熱度和過(guò)冷度最大。在非平衡狀態(tài)下，基體組織以瞬間切變的形式轉(zhuǎn)為奧氏體組織，并伴隨著碳及各種合金元素進(jìn)行擴(kuò)散和遷移。盡管有元素?cái)U(kuò)散和遷移，但是與常規(guī)的淬火相比，其擴(kuò)散時(shí)間非常有限，使元素分布很不均勻，最終冷卻后得到的組織非常細(xì)小，位錯(cuò)密度極高，而且在該層中的組織也不盡相同。

第二層：過(guò)渡層。該層處于硬化層的邊沿，通常也稱為熱影響區(qū)，其溫度的升高是通過(guò)熱傳遞實(shí)現(xiàn)的，一般在Ac1~Ac3之間。溫度梯度相對(duì)較小，原子遷移和擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力變?nèi)?，而且鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變和碳化物的溶解都不徹底，即基體未能完成奧氏體化的全過(guò)程。因此該層冷卻后的組織由馬氏體和未轉(zhuǎn)變的原始組織組成。

第三層：基體層。該層溫度最低，通常在奧氏體相變溫度Ac1以下，原子遷移和擴(kuò)散現(xiàn)象幾乎不會(huì)發(fā)生。激光相變強(qiáng)化處理對(duì)該層組織的影響不是很大，其熱處理效果類(lèi)似于金屬材料經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)回火處理的效果。

3 實(shí)驗(yàn)材料、工藝參數(shù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)基體采用H13鋼模具，試樣模具為同尺寸、同規(guī)格H13鋁材擠壓模具。試樣模具工作帶表面用砂紙磨平→丙酮除油→乙醇清洗→烘干后備用。激光相變強(qiáng)化設(shè)備采用半導(dǎo)體光纖激光器，最大輸出功率為3 kW，激光波長(zhǎng)為1 070 nm,光束直徑為4 mm。激光束通過(guò)光纖傳導(dǎo)與6軸機(jī)器人相連，通過(guò)機(jī)械手臂和激光器調(diào)整掃描軌跡、掃描速率和激光功率。

3.2 工藝參數(shù)

H13鋼模具表面的硬度、耐磨性與材料的合金成分、晶格結(jié)構(gòu)、晶粒大小、表面狀態(tài)等因素有關(guān)，這些因素直接受到激光相變強(qiáng)化工藝參數(shù)的影響，吸收激光能量的程度最終決定H13鋼模具表面的組織性能。影響H13鋼模具吸收激光能量的主要有激光功率P、掃描速度V和加工焦距F等工藝參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，激光加工焦距和掃描速度恒定，激光功率高于一定范圍時(shí)，H13鋼模具表面溫度高于熔點(diǎn)溫度會(huì)在表面形成熔池，影響模具表面的幾何形狀；激光功率低于一定范圍時(shí)，激光相變強(qiáng)化效果會(huì)減弱。同樣，激光功率和激光加工焦距恒定時(shí)，掃描速度也要在適合范圍。掃描速度超過(guò)一定范圍時(shí)，由于加熱時(shí)間過(guò)短不能起到激光相變強(qiáng)化的作用；而掃描速度低于一定范圍時(shí)，由于加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)在模具表面形成熔池，影響模具的強(qiáng)化效果。激光功率和掃描速度恒定，激光加工焦距也應(yīng)在適合范圍：加工焦距大于一定范圍時(shí)，不僅不能形成相變強(qiáng)化還會(huì)出現(xiàn)退火軟化的作用；若小于一定范圍時(shí)，也會(huì)影響模具的強(qiáng)化效果。H13鋼模具激光相變強(qiáng)化后的表面效果如圖2所示。

圖2 模具工作帶激光相變強(qiáng)化表面效果圖

激光相變強(qiáng)化工藝參數(shù)的確定需根據(jù)H13鋼模具的合金成分、尺寸和形狀，通過(guò)調(diào)整影響模具表面強(qiáng)化性能的各項(xiàng)因素來(lái)確定激光相變強(qiáng)化工藝參數(shù)。激光相變強(qiáng)化的有效工藝參數(shù)如表1所示。

表1 激光相變強(qiáng)化的有效工藝參數(shù)表

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在同材質(zhì)模具表面試光以確定優(yōu)化的工藝參數(shù)，再對(duì)試樣模具工作帶表面進(jìn)行激光相變強(qiáng)化，然后對(duì)強(qiáng)化后的試樣模具進(jìn)行金相觀察，分析試樣模具強(qiáng)化層的幾何參量、微觀組織及顯微硬度壓痕形貌等參數(shù)。用數(shù)碼相機(jī)拍攝試樣模具表面形貌，再用線切割法將試樣沿橫截面分開(kāi)，將截面磨平、拋光、吹干后，用體積分?jǐn)?shù)為0.04的硝酸乙醇溶液浸蝕。采用數(shù)顯顯微硬度計(jì)檢測(cè)相變強(qiáng)化層由表及里的硬度，加載1.96 N，保荷時(shí)間10 s，每隔50 μm打一個(gè)壓痕。為減小讀數(shù)誤差，每個(gè)壓痕檢測(cè)3次，取其算術(shù)平均值。試樣模具實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 激光相變強(qiáng)化模具實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，激光相變強(qiáng)化技術(shù)通過(guò)改變H13鋼模具工作帶淺層晶格排列達(dá)到了硬化效果。硬度達(dá)到60~65 HRC，硬化層深度可達(dá)200~1 000 μm，工作帶無(wú)變形、無(wú)開(kāi)裂，耐磨損、耐疲勞性能顯著增強(qiáng)；工作帶表面形成高密度位錯(cuò)晶體結(jié)構(gòu)，粗糙度達(dá)到0.1~0.5，工作帶細(xì)化顯著。H13鋼模具工作帶激光相變強(qiáng)化前、后的金相圖如圖3所示：

圖3 模具工作帶激光相變強(qiáng)化前、后的金相圖

4 分析及討論

激光具有功率高、能量密度集中、加熱時(shí)間短、可進(jìn)行局部淬火、淬火過(guò)程柔性可控、材料變形小以及節(jié)能環(huán)保、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。H13鋁材擠壓模具工作帶經(jīng)激光相變強(qiáng)化后，其相變硬化層組織主要由細(xì)板條馬氏體、彌散碳化物和少量孿晶馬氏體組成，過(guò)渡層由馬氏體、未轉(zhuǎn)變的原始組織和少量殘余奧氏體組成。細(xì)晶強(qiáng)化、高密度位錯(cuò)強(qiáng)化、彌散碳化物等能有效提高鋁材擠壓模具工作帶的表面硬度和熱疲勞抗力，足夠的硬化層深度提高了工作帶的耐磨性，不再需要對(duì)模具進(jìn)行反復(fù)硬化處理。

5 結(jié)論

（1）激光相變強(qiáng)化的H13鋁材擠壓模具工作帶表面硬度明顯提高,且硬化層深度足夠，對(duì)提升模具強(qiáng)度、延長(zhǎng)模具使用壽命、降低模具使用成本有較大影響。

（2）強(qiáng)化后的H13鋁材擠壓模具工作帶表面具有高密度位錯(cuò)晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)提高模具耐磨性和熱疲勞抗力有較大影響。

（3）強(qiáng)化后的H13鋁材擠壓模具工作帶表面細(xì)化顯著，有利于提高鋁材產(chǎn)品的表面光潔度、減少表面劃傷、提高成品率。

（4）激光相變強(qiáng)化技術(shù)成功解決了傳統(tǒng)模具處理工藝污染環(huán)境、浪費(fèi)能源的環(huán)保問(wèn)題。