压铸模具钢热疲劳性能影响范文

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压铸成形是一种高效的金属近净成形工艺，熔融金属在高速下充填模具型腔并在一定压力下凝固成型．压铸模具是压铸工艺中的关键部件，由于在工作过程中反复受到炽热金属和冷却介质（水、油、空气）冷热循环交替的作用，要求压铸模具有较高的耐热疲劳、冲击韧性、红硬性及良好的脱模性等［1－2］．表面处理是增强热作模具钢的抗热疲劳性能、提高模具使用寿命和降低生产成本的一个重要方法，传统的氮化处理、电火花表面强化、异种金属堆焊、物理和化学气相沉积等方法虽然可在一定程度上提高模具的使用寿命，但也存在成本高、处理工艺复杂及周期长等缺点，或者模具处理后过回火、镀层与基体硬度梯度大、强化处理痕迹易复制到压铸件表面等问题，在实际应用中仍存在一定的限制［3－6］．本研究采用Nb∶YAG激光器在淬火及回火后的Dievar压铸模具钢表面局部进行熔凝强化（为便于分析，激光熔凝强化区域简称强化单元体），在不改变模具钢表面原始化学成分的条件下，实现模具表面的自强化，并通过热疲劳试验对激光熔凝强化单元体的组织结构和阻裂性能等进行综合评价．

1试验材料与方法

1．1试验材料及激光加工制备工艺试验所用材料为Dievar钢，各元素的质量分数分别为w（C）＝0．38％，w（Si）＝0．24％，w（Cr）＝5．12％，w（Mo）＝2．40％，w（V）＝0．62％，余量为Fe．材料为淬火＋回火态，硬度（HRC）为45～47．热疲劳试样尺寸为30mm×20mm×4mm，在试样长边中间位置切60°角V型口，并在V型口底部预制宽200μm、长1．5mm的裂纹．试样表面经机械抛光、超声清洗，干燥后在WF－300脉冲YAG激光器上按设定的工艺参数加工出强化条纹．具体工艺参数如下：聚焦透镜焦距f为100mm，电流为130A，频率为5Hz，脉宽为8ms，离焦量为6．5mm，激光扫描速度为0．5mm／s．

1．2热疲劳试验及分析方法热疲劳试验在自约束高频感应加热疲劳试验机上进行，加热时间为3．0s，温度为（550±5）℃，然后喷水冷却，冷却时间为4．5s，冷却后温度为（220±5）℃．从工程实际出发，本次试验以激光强化处理后试样和未处理试样的疲劳裂纹走向以及裂纹总长度作为评价指标．先冷、热循环400次，然后每300次为一循环周期，冷热循环2500次结束试验．每次冷热循环后用5％的稀盐酸除去试样表面氧化物再机械抛光，并用NikonMA－100型金相显微镜测量、分析疲劳裂纹扩展方向以及裂纹总长度，在Quanta200扫描电子显微镜上观察疲劳裂纹前端形貌及激光熔凝后材料的微观组织．

2试验结果与分析

2．1显微组织与成分Dievar模具钢激光熔凝强化后可分为基体、热影响区和熔凝区三部分．基体组织由铁素体和珠光体组成，热影响区位于基体与熔凝区之间，要由粗大的回火屈氏体和回火马氏体组成，熔凝区组织（图1（a））为隐晶马氏体和残余奥氏体［7－8］．由于激光加热和冷却速度极快，使熔凝区组织大大细化，马氏体亚结构位错密度、硬度大幅度提高．图1（b）为热循环2500次后熔凝区的微观组织，相比于热循环前熔凝区组织略有粗化，但胞状晶粒仍较为细小，而且未见块状第二相析出，这表明熔凝区组织具有较强的抗回火能力．图2所示为试样熔凝区内主要合金元素分布线分布情况（M为聚集率，D为深度），从谱线可以看出从试样表面到基体主要合金元素C，Si，V，Cr，Fe及Mo等基本无明显波动，分布较为均匀．其主要原因是高能量激光使得Dievar模具钢回火组织重新熔化、结晶，合金元素在快速冷却过程中来不及析出和扩散而固溶到基体中，因而净化了合金组织．

2．2热疲劳性能为研究方便，定义裂纹最长且最宽的作为主裂纹，其他分支裂纹作为次裂纹．当计算裂纹长度时，裂纹的长度为主裂纹和次裂纹之和，但不包括预制裂纹长度．由图3裂纹长度（l）统计数据可看出：在开据可以始的3个热循环周期（T）内，疲劳裂纹的扩展速度基本一致；经过1000次热循环后，虽然两种试样中疲劳裂纹的总长度都在增加，但激光熔凝强化试样中的扩展速度明显比未处理试样慢．图4所示为激光熔凝强化试样和未强化试样经过2500次冷热循环后的裂纹形貌，可以看出经激光熔凝强化后，疲劳裂纹的宽度和总长度均小于未处理样品，在靠近强化单元体附近疲劳裂纹有明显的停滞、转折和延迟扩展的现象．一般情况下裂纹总会向着消耗能量最小方向扩散，即向着最容易扩展的方向生长．由于激光熔凝区的组织高度细化，即使热循环后组织依然较为细密，疲劳裂纹在扩展过程中需要更多的能量．熔凝强化试样中裂纹发生分枝和偏折行为均是为了避开熔凝强化区的阻拦作用，以最小的能量前进．图5为激光熔凝强化试样和未强化试样疲劳裂纹的前端形貌．由于强化区域的阻滞，当疲劳裂纹扩展至激光熔凝强化区时，裂纹前端变得较为圆钝，宏观上反映出裂纹的扩展速率降低；而未强化处理的试样，疲劳裂纹前端较为尖锐，抵抗应力集中的能力不强，宏观上反映出裂纹的增长速度较快．熔凝单元体高的抗热疲劳性能主要源于材料内部显微结构的变化，在高能束激光照射到材料表面及随后的自冷过程中，短时间内激热（1×104～1×106℃／s）和激冷（1×104～1×108℃／s）导致相变驱动力ΔGα→γ非常大，高温区使奥氏体大量形核的同时又抑制了奥氏体晶粒的生长，中温区超细晶粒的奥氏体在相变驱动力作用下必然转变成超细化的马氏体组织．由于奥氏体的比容大于马氏体的比容，因此在相变过程中材料体积膨胀产生压应力，使得表层残余应力场向着压应力方向转变．残余压应力阻碍了疲劳裂纹的扩展，进而形成非扩展性裂纹，并且大幅提高疲劳裂纹的闭合力．同时，快速冷凝形成的大量超细化晶粒内部有比常规热处理更多的晶界和更高的缺陷（马氏体大量位错、孪晶等）密度，均能阻碍裂纹形核及增加裂纹扩展所需的能量［15］，减少材料内部沿裂纹断裂的倾向，进一步提高材料的耐撕裂能力．因此，裂纹扩展到强化单元体处，或者停止扩展，或者被迫改变方向．

3应用实例

图6所示为某铝合金汽车雨刷支架压铸模使用一段时间后模具表面产生热疲劳裂纹的情况，模具材料及热处理工艺与前述热疲劳试样完全相同，压铸件材料为ZL102，浇注温度为660℃．当未经过激光熔凝处理的模具使用到2．5×104模次左右时，模具深腔小圆弧过渡角处出现热疲劳裂纹，导致铸件表面质量不合格．针对压铸模表面易产生裂纹位置和裂纹走向，在模具局部表面进行激光熔凝处理，然后再去除最表层（约0．1mm）．装机试用过程中发现当激光熔凝处理的模具使用达到3×104模次时，表面状态依然完好，当达到3．8×104模次以上时型腔薄弱部位才出现较为明显的疲劳开裂．

4结论

a．压铸模具钢激光熔凝强化后，熔凝区组织大为细化，合金元素分布均匀，强化单元体对热疲劳裂纹的萌生和扩展有明显延迟和阻断作用．b．本试验条件下，经激光熔凝处理后的汽车雨刷支架压铸模具使用寿命由原来的2．5×104模次提高到3．8×104模次．

作者：李继强 胡树兵 史华亮 贾志欣 单位：中国地质大学<武汉>工程学院