40Cr模具钢激光熔覆层组织及性能分析

　　40Cr模具钢是机械制造业使用最广泛的合金结构钢之一，经调质处理后，其加工性能良好，可以制造各类模具零件。但在工况比较恶劣的情况下，模具零件的磨损会很严重，使用寿命大幅度缩短，通常需要对40Cr模具钢表面进行强化处理，目前常用的方法如传统的淬火、喷丸和渗氮等强化措施对此类模具零件有一定的局限性。

　　激光熔覆技术是一种先进的表面改性技术，是显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的表面强化方法，可以在金属材料的基础上制成具有高硬度、耐磨、耐腐蚀和高温抗氧化性等特殊性能熔覆层。将激光熔覆技术应用于40Cr模具钢上可在其表面制备具有特殊性能的合金熔覆层的同时，保留40Cr基体的强度和韧性，节省贵重的金属材料，降低生产成本。现采用激光熔覆技术在40Cr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分析。

试验研究

试验材料和方法

　　试验基体材料为40Cr，淬火后在550 ℃左右回火，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，所有试样均除去表面的油、锈和氧化物，然后经不同粒度的金相砂纸打磨，抛光处理后，再用无水乙醇和丙酮各超声清洗10min。熔覆的金属粉末为YSU600，其化学成分(质量分数，%)为：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。

　　激光熔覆采用4000W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。熔覆的工艺参数为：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 不同倍数下熔覆层的显微组织

　　图1所示为熔覆层在金相显微镜下不同倍数的微观组织，可以看出熔覆层质量较好，组织较为致密。

　　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。

　　熔覆层和热影响区的组织截然不同，热影响区的组织比较粗大、单一，形状大多为无规则的多边形，主要为残余奥氏体。在整个熔覆过程中，热影响区发生淬火，在这个过程中由于冷却速度过快，并且部分合金元素进入热影响区，导致奥氏体来不及发生马氏体转变而残留下来形成残余奥氏体。热影响区残余奥氏体能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，熔覆层的组织则小的多。

　　图1(b)和图1(c)分别为不同倍数下靠近白亮带的组织，由图1(b)和图1(c)可见，越靠近白亮带，胞状晶越密集;熔覆层中部组织种类较多，包括柱状树枝晶和胞状晶，其中以柱状树枝晶为主。图1(d)为熔覆层中部组织，可以看出其组织形态比较复杂，排列整体上较杂乱，局部较为整齐。

熔覆层XRD物相分析

图2 熔覆层的XRD图谱

　　图2所示为熔覆层的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。由于成分中C含量和Co含量增加，生成了CrFe7C0.45和CoFe15.7等硬质相，弥散分布于熔覆层中，明显提高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所示为熔覆层从表面沿基材方向的硬度分布曲线，熔覆层厚约2mm，每2个点之间的间距为0.2mm。由图3可见，熔覆层硬度最大值均出现在最靠外的某个点处(大约距离熔覆层表面0.1mm)，随着熔覆层越深，显微硬度呈下降的趋势，当显微硬度值降到一定时，略微上升，随后硬度值大幅度下降，最终降到一个稳定值，即基材的硬度值。熔覆层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，过冷度大，因而形成的组织细小，致密度高，硬度也高;沿着熔覆层向里，过冷度相对较小，形成的组织晶粒较大，硬度也相对较低，当熔覆层靠近基材的时候，大量的热量通过基材散失，使得硬度值增大。热影响区的硬度值也不一样，靠近熔覆层的硬度值大于靠近基材的硬度值，整个热影响区的硬度值均大于基材，因为在熔覆过程中，基材吸收了大量的热量，随后又快速冷却，起到了淬火的作用，且40Cr基材淬透性较好，故热影响区的硬度值大于基材硬度值。熔覆层整体的硬度值波动不大，说明熔覆层的组织比较均匀，质量较好。

　　40Cr表面熔覆层的硬度很高，因为合金粉末中含有大量的Cr元素，Cr与其他合金元素形成固溶体产生固溶强化，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。基材维氏硬度约294HV，熔覆层显微硬度平均值为733.47HV，硬度最大值为767.42HV，最小值为705.12HV，熔覆层硬度约为基材硬度的2.5倍。

熔覆层耐磨性

　　耐磨试验对比测试采用高温止推圈摩擦副试验，试验中摩擦副的材料为淬火后的Cr12MoV，硬度约为60HRC，试验加载力为1000N，转速300r/min，加载时间为40min，试验试件分别为40Cr基材，熔覆YSU600粉末的熔覆试件。

　　40Cr基材的磨损量多，达到了0.0651g，相对摩擦因数为1.640，而熔覆试件的熔覆层磨损量少，为0.0283g，其磨损量为40Cr基材的43.47%，对应的摩擦副磨损量为0.0314g，相对摩擦因数为0.901。

图4 摩擦因数——时间曲线图

　　图4所示为2种试件的摩擦因数——时间曲线图，由图4可见，在试验的前1064s内，试件的摩擦因数波动范围较大，且熔覆试件熔覆层的摩擦因数比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。在摩擦因数的平稳期中，40Cr的摩擦因数约为0.37，熔覆试件熔覆层的摩擦因数约为0.31。