SKD61模具鋼激光仿生強化后的組織和性能

史華亮，李繼強，賈志欣，劉立君，鄭雅宏（.太原科技大學機械工程學院，太原 03004；.浙江大學寧波理工學院機電與能源工程學院，寧波 3500）

0 引 言

在各類模具中，壓鑄模具的工況條件非常惡劣，其直接與高溫、高壓、高速的金屬液接觸，一方面需承受金屬液的直接沖刷、磨損、高溫氧化及各種腐蝕作用，另一方面又反復受到熾熱金屬加熱和冷卻介質（水、油、空氣）冷卻的冷熱循環交替作用，主要失效形式為整體開裂、熱蝕、變形、熱磨損及熱疲勞龜裂等。統計數據顯示，60%以上的壓鑄模是因熱疲勞裂紋擴展而失效的［1－3］。常規的化學熱處理、堆焊、電火花表面強化、PVD（物理氣相沉積）、CVD（化學氣相沉積）等方法均可在一定程度上延長模具的使用壽命［4－7］，但上述處理方法存在成本高、工藝復雜、處理周期長等缺點，或者處理后的模具存在較大畸變、鍍層薄而脆、磨損極快、容易出現早期裂紋等缺點，在實際應用中存在一定問題。

植物葉片由平行狀、網絡狀或放射狀分布的葉脈和葉肉構成，質地強韌的葉脈起支撐作用，葉肉在葉脈之間有緩沖外界應力的作用。如果將植物葉片沿垂直于葉脈方向撕裂，裂紋擴展的方向往往會在葉脈與葉肉的結合處發生偏轉，如圖1（a）所示。昆蟲的翅膀一般由質地堅韌的翅脈和翅膜構成，蜻蜓翅膀撕裂后，裂紋在擴展過程中存在頻繁偏轉的現象，如圖1（b）所示。這兩種生物原型具有共同的特征，即：一方面它們都具有軟硬交替的結構，另一方面該結構中硬質單元呈現不同的分布形態，這使得上述生物體的柔性和剛性完美結合，并具有優異的力學性能。

圖1 典型的生物模型Fig.1 Typical biological model：（a）cracked plant leaf and（b）cracked dragonfly wing

研究發現，經激光仿生強化后，模具鋼的表面耐磨損性能提高了1.8倍［8］，蠕墨鑄鐵的耐磨性提高了81.4%［9］，45鋼模具表面的強化單元體對疲勞裂紋擴展具有阻礙作用，從而使得抗疲勞性能顯著提高［10］。賈志欣［11］等發現，仿生處理后的壓鑄模具壽命提高了1.5倍以上；Lee［12］等對H13模具鋼進行激光處理后發現，熔凝區的硬度提高了2倍以上。為此，作者以SKD61鋼頂蓋壓鑄模具為考察對象，根據上述生物模型中葉脈或翅脈形狀，利用激光快速熔凝工藝在其表面制備出了仿生強化單元體，在不改變模具鋼表面成分的條件下，實現鋼基表面的自強化，并對熔凝單元的組織、硬度及模具使用壽命等進行了綜合評價。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用SKD61模具鋼的化學成分如表1所示，其熱處理規范為1 020℃油淬＋580℃×2h空冷＋560℃×2h空冷。鋼表面經砂紙打磨、噴砂、清洗、干燥后置于WF300型脈沖YAG激光器的三軸數控工作臺上，按照設定的激光參數模擬葉脈和翅脈的特征在試樣表面加工出仿生強化單元體。工藝參數：聚焦透鏡焦距為100mm，激光焊接電流為150A，頻率5Hz，脈寬時間8ms，激光掃描速度40.0mm·min－1，氬氣流量10.0mL·min－1。

表1 SKD61模具鋼的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of SKD61die steel（mass）%

1.2 試驗方法

金相試樣取自垂直于激光束掃描方向的橫截面，按常規金相試樣制備方法制備，經4%（體積分數）硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Nikon MA100型光學顯微鏡和S-4800型掃描電鏡分析熔凝層的組織形貌，并用掃描電鏡附帶的能譜儀分析熔凝區及過渡區的成分變化；按圖2所示的測試點，在MH-60型顯微硬度計上測顯微硬度。

圖2 顯微硬度測試點Fig.2 Microhardness test points

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖3可見，SKD61熱作模具鋼基體的組織為回火馬氏體和M4C3及M6C型碳化物［13］。

圖3 SKD61模具鋼基體的SEM形貌Fig.3 SEMmorphology of SKD61die steel matrix

由圖4可見，在試驗條件下，SKD61鋼經激光熔凝處理后組織分為三個區，由表及里依次為熔凝區、熱影響區和基體，其中熔凝區和熱影響區的界限不明顯。熔凝區深約1.2mm，寬約1.3mm，組織致密、無孔洞及裂紋等缺陷，大致可以分為三個部分，表面為細小的等軸晶區，中間為柱狀樹枝晶區，底部為胞狀晶區，如圖5所示。這種組織的形成由熔凝區上的溫度梯度G、冷卻速率N和凝固速率R共同控制［14－15］。

圖4 激光熔凝處理后SKD61模具鋼OM形貌Fig.4 OMmorphology of SKD61die steel after laser remelting

激光處理時的冷卻速率為

式中：T為溫度；x為熔凝層的深度；A為被處理材料對激光的吸收率；q0為激光輻照功率密度；k為導熱系數；α為熱擴散系數；τ為激光輻照加熱時間；r為冷卻時間；P，d，υ分別為激光輸出功率、束斑直徑和掃描速率。

材料表面發生熔化時的溫度梯度為

凝固速率R與G、N的關系為

結晶開始時，G/R很大，熔池底部具有極大的成分過冷，結晶極為迅速，形成激冷等軸晶，如圖5（a）所示。激冷等軸晶是基體晶粒的外延生長，在一個基體晶粒上可以外延生長很多個激冷等軸晶，這主要是快冷增大了形核率的緣故［16］。在激冷等軸晶的前沿仍存在很大的成分過冷和很高的成核率，沿結晶方向上G/R下降，使晶核突出一旦出現在結晶前沿，便迅速沿溫度梯度負方向生長為柱狀樹枝晶；隨著結晶過程向表面推進，G/R變小，但熔池頂部因此受試樣本體和表面空氣的雙重冷卻作用，也形成了極其細密的樹枝晶，如圖5（b），（c）所示。另外，在局部區域還觀察到了柱狀樹枝晶直接生長至表面的情況。

熱影響區大致可分為兩部分，與熔凝區相接的部分組織較為粗大，這是由于較大的過熱度使得奧氏體晶粒長大造成的；與基體相接的部分基本保持了基體組織的特征，此部分相當于高溫回火組織。

2.2 微區成分

從圖6可以看出，SKD61鋼激光熔凝區中的鐵、碳、硅、釩、鉻、鉬的分布比較均勻，沒有產生明顯的偏析。這是因為高能激光使熔凝層中的夾雜物重新熔化，因而凈化了合金組織，熔凝區中沒有形成大顆粒碳化物。

圖5 熔凝區的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of melted zone near matrix（a）and near surface at low （b）and high（c）magnifications

圖6 SKD61鋼熔凝區線掃描結果Fig.6 Linear scanning result of melted zone of SKD61steel

2.3 顯微硬度

由圖7可以看出，激光熔凝區的硬度明顯高于基體的，最大硬度位于次表層。可以通過去除最表層獲得光滑的模具表面和最好的強化效果。熱影響區硬度的變化比較平緩，在熱影響區和基體交界處由于進一步回火，硬度略有降低。

圖7 仿生強化單元顯微硬度沿x軸和y軸方向分布Fig.7 Microhardness distributions of biomimetic strengthened unit：（a）along xaxis and（b）along yaxis

在激光強化過程中，當強激光能量集中照射至小的單元體區域時，會導致照射區域材料發生相變或熔化，在隨后的液相金屬凝固過程中，由于外界空氣和母體的雙重冷卻作用，熔凝區形成超細化組織，碳及合金元素來不及析出而幾乎全部均勻固溶于基體過程中，使得熔凝區的硬度、強度有較大程度的提高。

晶粒細化不僅能有效地提高材料的硬度和強度，還能明顯提高其塑性和韌性［17－18］。晶粒大小是晶界多少的反映，而晶界是位錯運動的最大障礙之一，減小晶粒尺寸將增加位錯運動障礙的數量，晶粒愈細、晶界愈多，對位錯運動的阻礙作用就愈大，從而使材料的屈服強度升高。激光熔凝處理后，熔凝區內的晶粒尺寸非常細小，因此熔凝區的強度和硬度較基體的都會有較大程度的提高。

激光加熱會導致碳元素、合金元素等迅速溶進基體組織，在隨后的冷卻過程中極高的冷卻速率使溶質原子來不及析出而幾乎全部固溶于基體，導致熔凝區的固溶強化。激光熔凝工藝的凝固過程具有比其它工藝更高的過冷度和更快的冷卻速率，因此熔凝區組織的固溶能力大大增強，宏觀上反映為熔凝區的強度和硬度較基體有較大程度的提高。

2.4 模具的使用壽命

由圖8可見，SKD61鋼頂蓋壓鑄模具在使用到12 000模次左右時，模具深腔小圓弧過渡角處和內澆口位置出現了熱疲勞裂紋，導致鑄件不合格。其中，壓鑄件材料為ZL102合金，澆注溫度660℃。在模具表面易產生裂紋處進行激光熔凝處理，熔凝處理后去除外表層（約0.08mm），處理后模具在使用達到18 000模次時，表面狀態依然完好，如圖8（b）所示，當達到28 000模次以上時，型腔才出現了明顯的疲勞裂紋，其使用壽命提高1倍以上。

材料的熱疲勞壽命取決于熱疲勞裂紋的萌生和擴展兩個方面。一方面，熔凝區的細晶強化、固溶強化等提高了材料的強度，降低了裂紋在表面萌生的概率；另一方面，強化單元可以有效抵御熱疲勞裂紋的擴展，使裂紋在強化單元面前產生不同程度的阻滯行為，大大降低了熱疲勞裂紋的擴展速率，從而提高了熱疲勞裂紋的擴展抗力，延長了模具的使用壽命。

3 結 論

（1）SKD61模具鋼經激光熔凝處理后的橫截面從里及內依次為熔凝區、熱影響區和基體，熔凝區組織由極細的等軸晶和柱狀晶組成，合金元素分布均勻，消除了夾雜物。

（2）與常規熱處理相比，熔凝區的顯微硬度顯著提高，對熱疲勞裂紋的萌生和擴展有明顯的抑制作用。

圖8 強化前后SKD61鋼頂蓋壓鑄模具經長時使用后表面的宏觀形貌Fig.8 Macrograph of the surface of SKD61steel head cover die used for a long time：（a）before strengthening and（b）after strengthening

（3）經激光熔凝處理后的SKD61鋼頂蓋壓鑄模具的使用壽命提高了1倍以上。

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