40Cr模具鋼是機(jī)械制造業(yè)使用很廣泛的合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，其加工性能良好，可以制造各類模具零件。但在工況比較惡劣的情況下，模具零件的磨損會(huì)很嚴(yán)重，使用壽命大幅度縮短，通常需要對(duì)40Cr模具鋼表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，目前常用的方法如傳統(tǒng)的淬火、噴丸和滲氮等強(qiáng)化措施對(duì)此類模具零件有一定的局限性。
激光熔覆技術(shù)是一種先進(jìn)的表面改性技術(shù)，是顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的表面強(qiáng)化方法，可以在金屬材料的基礎(chǔ)上制成具有高硬度、耐磨、耐腐蝕和高溫抗氧化性等特殊性能熔覆層。將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于40Cr模具鋼上可在其表面制備具有特殊性能的合金熔覆層的同時(shí)，保留40Cr基體的強(qiáng)度和韌性，節(jié)省貴重的金屬材料，降低生產(chǎn)成本?，F(xiàn)采用激光熔覆技術(shù)在40Cr模具鋼表面制備耐磨鐵基熔覆層并對(duì)熔覆層的組織和性能進(jìn)行分析。
試驗(yàn)材料和方法
實(shí)驗(yàn)研究
試驗(yàn)基體材料為40Cr，淬火后在550 ℃左右回火，表面硬度為32~38HRC，其合金元素成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）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，其余為Fe。試驗(yàn)前，所有試樣均除去表面的油、銹和氧化物，然后經(jīng)不同粒度的金相砂紙打磨，拋光處理后，再用無(wú)水乙醇和丙酮各超聲清洗10min。熔覆的金屬粉末為YSU600，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：C：1.00，Si：0.30，Mn：0.30，Cr：14.0，Co：1.7，其余為Fe，粉末粒度為150~200目。
激光熔覆采用4000W半導(dǎo)體激光器，光斑為矩形光斑，大小為2.5mm×11.5mm，波長(zhǎng)為0.976μm。熔覆的工藝參數(shù)為：激光功率2500W、掃描速度350mm/min、搭接率為43.5%。
熔覆層的組織
圖1 不同倍數(shù)下熔覆層的顯微組織
圖1所示為熔覆層在金相顯微鏡下不同倍數(shù)的微觀組織，可以看出熔覆層質(zhì)量較好，組織較為致密。
由圖1（a）可見(jiàn)，熔覆層分為3個(gè)部分：表面層、熔覆層中部和靠近結(jié)合區(qū)的熔覆層底部?？拷Y(jié)合區(qū)白亮帶區(qū)域主要為等軸胞狀晶，并且摻雜著少量的柱狀樹(shù)枝晶，白亮帶右邊區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)，熔覆層的組織形態(tài)、排列方式主要與金屬液相的流動(dòng)（對(duì)流）有關(guān)。
熔覆層和熱影響區(qū)的組織截然不同，熱影響區(qū)的組織比較粗大、單一，形狀大多為無(wú)規(guī)則的多邊形，主要為殘余奧氏體。在整個(gè)熔覆過(guò)程中，熱影響區(qū)發(fā)生淬火，在這個(gè)過(guò)程中由于冷卻速度過(guò)快，并且部分合金元素進(jìn)入熱影響區(qū)，導(dǎo)致奧氏體來(lái)不及發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而殘留下來(lái)形成殘余奧氏體。熱影響區(qū)殘余奧氏體能提高組織的整體強(qiáng)度和韌性，緩解應(yīng)力集中，防止裂紋源的產(chǎn)生和擴(kuò)展，熔覆層的組織則小的多。
圖1（b）和圖1（c）分別為不同倍數(shù)下靠近白亮帶的組織，由圖1（b）和圖1（c）可見(jiàn)，越靠近白亮帶，胞狀晶越密集；熔覆層中部組織種類較多，包括柱狀樹(shù)枝晶和胞狀晶，其中以柱狀樹(shù)枝晶為主。圖1（d）為熔覆層中部組織，可以看出其組織形態(tài)比較復(fù)雜，排列整體上較雜亂，局部較為整齊。
熔覆層X(jué)RD物相分析
圖2 熔覆層的XRD圖譜
圖2所示為熔覆層的XRD圖譜，由圖2可見(jiàn)，熔覆層主要由Cr0.03Fe0.97、CoFe15.7、Cr-Fe和CrFe7C0.45等相組成。由于成分中C含量和Co含量增加，生成了CrFe7C0.45和CoFe15.7等硬質(zhì)相，彌散分布于熔覆層中，明顯提高熔覆層的硬度和耐磨性。
熔覆層顯微硬度
圖3 熔覆層的顯微硬度
圖3所示為熔覆層從表面沿基材方向的硬度分布曲線，熔覆層厚約2mm，每2個(gè)點(diǎn)之間的間距為0.2mm。由圖3可見(jiàn)，熔覆層硬度可達(dá)值均出現(xiàn)在很靠外的某個(gè)點(diǎn)處（大約距離熔覆層表面0.1mm），隨著熔覆層越深，顯微硬度呈下降的趨勢(shì)，當(dāng)顯微硬度值降到一定時(shí)，略微上升，隨后硬度值大幅度下降，很終降到一個(gè)穩(wěn)定值，即基材的硬度值。熔覆層硬度值呈現(xiàn)上述分布趨勢(shì)是由于熔覆層表面與空氣接觸，在凝固過(guò)程中散熱快，過(guò)冷度大，因而形成的組織細(xì)小，致密度高，硬度也高；沿著熔覆層向里，過(guò)冷度相對(duì)較小，形成的組織晶粒較大，硬度也相對(duì)較低，當(dāng)熔覆層靠近基材的時(shí)候，大量的熱量通過(guò)基材散失，使得硬度值增大。熱影響區(qū)的硬度值也不一樣，靠近熔覆層的硬度值大于靠近基材的硬度值，整個(gè)熱影響區(qū)的硬度值均大于基材，因?yàn)樵谌鄹策^(guò)程中，基材吸收了大量的熱量，隨后又快速冷卻，起到了淬火的作用，且40Cr基材淬透性較好，故熱影響區(qū)的硬度值大于基材硬度值。熔覆層整體的硬度值波動(dòng)不大，說(shuō)明熔覆層的組織比較均勻，質(zhì)量較好。
40Cr表面熔覆層的硬度很高，因?yàn)楹辖鸱勰┲泻写罅康腃r元素，Cr與其他合金元素形成固溶體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，加上熔覆層快速凝固產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化效果，在一定程度上提高了熔覆層的硬度?；木S氏硬度約294HV，熔覆層顯微硬度平均值為733.47HV，硬度可達(dá)值為767.42HV，很小值為705.12HV，熔覆層硬度約為基材硬度的2.5倍。
熔覆層耐磨性
耐磨試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試采用高溫止推圈摩擦副試驗(yàn)，試驗(yàn)中摩擦副的材料為淬火后的Cr12MoV，硬度約為60HRC，試驗(yàn)加載力為1000N，轉(zhuǎn)速300r/min，加載時(shí)間為40min，試驗(yàn)試件分別為40Cr基材，熔覆YSU600粉末的熔覆試件。
40Cr基材的磨損量多，達(dá)到了0.0651g，相對(duì)摩擦因數(shù)為1.640，而熔覆試件的熔覆層磨損量少，為0.0283g，其磨損量為40Cr基材的43.47%，對(duì)應(yīng)的摩擦副磨損量為0.0314g，相對(duì)摩擦因數(shù)為0.901。
圖4 摩擦因數(shù)——時(shí)間曲線圖
圖4所示為2種試件的摩擦因數(shù)——時(shí)間曲線圖，由圖4可見(jiàn)，在試驗(yàn)的前1064s內(nèi)，試件的摩擦因數(shù)波動(dòng)范圍較大，且熔覆試件熔覆層的摩擦因數(shù)比40Cr基材的摩擦因數(shù)大；在隨后的1064~2400s內(nèi)，摩擦因數(shù)逐漸平穩(wěn)，因?yàn)樵囼?yàn)的前期屬于摩擦跑合階段，雖然試件表面用砂紙打磨過(guò)，但摩擦副和試件的表面粗糙度值仍較大，因而摩擦因數(shù)波動(dòng)較大。隨著試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，接觸表面粗糙度值降低，試件與摩擦副之間的接觸面積增大，摩擦因數(shù)趨于平穩(wěn)。在摩擦因數(shù)的平穩(wěn)期中，40Cr的摩擦因數(shù)約為0.37，熔覆試件熔覆層的摩擦因數(shù)約為0.31。（內(nèi)容摘自模具工業(yè)）