H13钢激光仿生耦合处理及耐磨性研究

崔文语，柏贵婷，叶 宏，曾 星，张数锋，冉 雪，肖 骁

(重庆理工大学 材料科学与工程学院， 重庆 400054)

H13钢是一种国内外广泛应用的空冷硬化型热作模具钢，具有优异的热硬性、韧性和淬透性[1]，广泛应用于铝合金、镁合金、锌合金和铜合金的压铸成型模具。在服役过程中高温坯料或熔融金属液不断冲蚀以及开模时构件与模具表面的摩擦会导致模具内表面的严重磨损，引起模具的失效，最终缩短模具的使用寿命[2]。目前，使用新型高合金耐磨材料与模仿生物结构是提高工件耐磨性的有效途径，其中开发比较经济且耐磨的生物结构模型，例如材料组成上硬韧结合、结构上梯度渐变、合成具有特殊耐磨功能表面等是目前研究的热点[3-4]。

仿生学是运用从生物界中发现的机理与规律来解决人类需求的一门综合性的交叉学科，是众多工程技术创新设计的重要依据；它开启了人类社会由向自然界索取转入向生物界学习的新纪元[5-7]。 激光熔凝技术是一种先进加工技术，具有高能量密度、高效率和低变形等众多优点[8]。激光仿生耦合技术是一种将两项技术相结合的新兴表面改性技术，随着激光器设备的不断改进以及对决定独特表面特性的微观机理逐渐认识，使得该技术逐渐在工业生产中得到广泛应用[9-10]。例如，田茜等[11]利用激光仿生技术研制的仿生非光滑挖掘机推土板与光滑平板相比，最大降阻可达25.8%，减粘降耗效果明显。李建桥等[12]在犁壁45钢上利用堆焊白口合金铸铁方法成功研制了仿生犁壁。仿生犁壁可减小犁耕阻力 15%～18%，降低拖拉机油耗5.6%～12.6%。郭藴纹，董立春等[13-14]分别研究了凹坑状仿生结构对金属材料的耐磨性的影响，前者采用电沉积的方法制备了仿生凹坑与纳米碳化硅/镍基复合镀层耦合表面，结果表明该结构耐磨损性能明显高于单纯复合镀层；后者采用激光雕刻技术制备了多种凹坑状仿生体并采用正交试验法探究了凹坑类型对耦合体磨损性能的影响，结果表明具有凹坑型的仿生表面形态的环块样件均比光滑表面的环块样件耐磨。孙娜，谢志斌等[15-16]利用激光雕刻技术分别在金属基体上制备出点、线和网状仿生耦合体，结果表明网状仿生结构耐磨性能最好，线状次之，点状最差。李晨辉，吴帅等[17-18]分别对Cr8型、25Cr3Mo2NiWVNb型模具钢进行了磨损试验，前者主要研究不同荷载下模具钢表面的磨损行为，结果表明磨损质量随载荷增加而增大，摩擦因数随载荷增加先增大后减小；后者主要研究不同温度对模具钢磨损性能的影响，结果表明新型热作模具钢的摩擦因数随温度升高先降低后升高。本文主要利用激光熔凝技术模仿鲨鱼的鳃以及蜻蜓的翅膀，进而开展了H13钢表面仿生处理及耐磨性能的相关研究。

1 试验

1.1 试验材料

以淬火回火态H13钢为基体材料，化学成分(%(质量分数))为：0.32～0.45C，0.8～1.2Si，0.2～0.5Mn，4.75～5.50Cr，1.10～1.75Mo，0.8～1.2V，P，S≤0.03，Fe 余量，试样尺寸为30 mm×20 mm×6 mm。

1.2 试验方法

采用JJM-1GXY-800B型多功能Nd∶YAG激光器对H13钢试样表面进行激光仿生耦合处理，得到具有不同外观形貌(线状、网状)的仿生单元体试样，如图1所示。激光熔凝工艺参数：电流180 A，脉宽6 ms，频率8 Hz，扫描速度120 mm/min，光斑直径2 mm，保护气体为氩气，气体流量5 L/min，线条间隔2 mm。

将激光仿生耦合处理的试样沿垂直于激光熔凝方向切开，采用JSM-6460LV 型扫描电镜观察截面微观组织形貌；利用HVS-1000 显微硬度计沿表面垂直方向测试熔凝层硬度梯度分布；试样磨损性能采用HSR-2M型高速往复摩擦磨损试验仪。对磨球为直径6 mm 的GCr15钢球，载荷为20 N，转速400 r/min，加载时间为20 min，滑动距离为10 mm。并用扫描电子显微镜观察磨痕形貌，分析磨损机理。

图1 激光仿生处理后样品的宏观形貌

2 结果和分析

2.1 激光仿生单元体微观组织

图2(a)为H13钢经过激光仿生热处理后的熔凝区微观组织，为典型的树枝晶，且组织非常细小。在晶界附近弥散分布着细小的碳化物颗粒，这是由于激光快速加热、冷却导致材料内部晶粒难以长大并引起碳化物的析出。同时，图2(a)显示出在熔凝区内部不同区域其晶粒大小、晶粒生长取向也不相同。在熔凝区表面30 μm以内，该区域主要形成等轴晶粒，晶粒尺寸平均约为5 μm，而在30 μm以下区域主要形成了柱状晶，其长度约为15 μm、宽5 μm。熔凝区组织结构分布不同是由于激光能量的快速注入以及基体材料的良好导热性能导致在熔池边界分布的晶粒沿着垂直熔池边界径向快速生长，而在熔池表面区域，该区域材料的导热性、温度基本相同使得晶粒等轴生长。图2(b)为激光熔凝处理后过渡区微观组织结构，在过渡区与熔凝区交界处形成20 μm厚的枝状晶，并在附近分布着大量碳化物颗粒，而过渡区内主要形成隐晶马氏体并弥散分布着较大颗粒碳化物。该区域组织结构的形成是由于上部熔池的热效应引发该部位材料的相变，由初始的回火马氏体快速转变为隐晶马氏体，同时伴随较大颗粒的碳化物析出。

图2 单元体微观组织(SEM)

2.2 仿生单元体显微硬度

图3 仿生体横截面显微硬度

图3为激光仿生体横截面的显微硬度分布曲线，其结果表明：熔凝区显微硬度平均为650HV0.2，过渡区的硬度最高，可达720HV0.2，基体材料的平均显微硬度只有550HV0.2。由于激光能量的注入使材料快速熔化和凝固，材料的晶粒得到极大细化，进而导致熔凝区硬度明显提高。过渡区显微硬度值显著高于其他部位，其原因可由图1(b)的微观组织结构进行解释，该区域分布着大量碳化物颗粒，同时形成隐晶马氏体，从而较大地提高该区域的显微硬度。综合激光仿生单元体硬度变化趋势，过渡区硬度结果表明，熔凝区实现了与基体部位良好的冶金结合。

2.3 仿生单元体耐磨性

图4 磨损质量

图4显示了不同样品的磨损质量。由图4可以看出：淬火回火态H13钢样品与激光仿生耦合处理样品的磨损质量差别较大。其中，原始H13钢样品磨损质量达10.1 mg，线状仿生处理样品为6.6 mg，网状仿生处理试样约为0.5 mg。可见，不同仿生形貌对试样的磨损质量有较大影响，其中网格化仿生试样抗磨损性能明显高于线状仿生试样。相比基体的耐磨性，网格状试样的耐磨性提高了约20倍，线状仿生试样提高了约12倍。仿生单元体硬度分布结果表明，在熔凝区表面硬度得到明显提高，而硬度的增加会提高材料的耐磨性，该结果导致仿生单元体能够提高试样的耐磨性。同时，在单位面积内网格状仿生单元体的覆盖率较大，故其耐磨性高于线状仿生单元体。

2.4 仿生试样磨损机理

图5为试样基体和仿生单元体部位磨痕的微观形貌。图5(a)为对照试样磨痕的微观形貌，在磨痕表面分布着大量球状颗粒并伴随着明显的犁沟现象即为典型的磨料磨损，同时磨痕表面有块状的粘附层(氧化层)，该粘附层不断被细化，最终转变成球状磨料导致严重的磨损。图5(b)为线状仿生试样基体部位的磨痕，其微观形貌表明该磨损仍为磨料磨损，但与(a)图中不同的是磨痕表面磨料明显减少，没有明显的犁沟，并伴有少量的塑性变形，使得磨痕表面较为粗糙。其原因是磨球硬度明显高于基体硬度，导致磨球表面硬凸体进入基体并引起基体表面的划痕或犁皱现象。

图5(c)和(d)分别为不同仿生单元体形貌下表面的磨痕，其微观形貌与图5(a)、(b)完全不同，该区域主要为粘着磨损，同时磨痕表面粘附着大量的氧化层。其中图5(c)和(d)的表面磨痕形态全然不同，(c)图中主要发生轻微粘着磨损，在划痕部位附着较大的片层氧化物，该区域形成的主要原因是摩擦副在对磨过程中出现温度升高引起磨屑的快速氧化，而氧化层能够减缓基体的磨损。而在(d)图中，网格仿生试样表面形成了完整的氧化层，这些氧化层相比线状的氧化层更加致密，其结构更能有效地减缓材料的磨损，进而导致激光网格状仿生试样的磨损质量只为基体试样磨损质量的1/20。

图5(c)和(d)表明：仿生单元体对附近基体的磨损状态产生了一定的影响，使得基体发生轻微的粘着磨损。分别对比图5(c)、(d)，结果表明不同仿生形貌单元体对附近基体的磨损形貌影响不同，网格状仿生单元体能够较好地防止基体的磨损。

图5 磨痕微观形貌

3 结论

1) 利用激光熔凝技术在H13钢表面制备出了线状和网状仿生形貌。其熔凝区为细小的树枝晶，晶间有大量碳化物颗粒，过渡区中形成了隐晶马氏体。

2) 熔凝区硬度为650HV0.2，过渡区硬度为720HV0.2，均高于基体硬度550HV0.2。

3) H13钢表面激光仿生耦合处理能显著提高耐磨性，其中网状仿生处理比线状仿生处理具有更好的耐磨性。

4) H13钢表面的非光滑仿生形貌可改变试件局部的受力状态和磨损状态，使仿生单元体附近的基体由磨料磨损逐渐转变为粘着磨损，从而显著减小磨损质量，同时这种仿生非光滑形态使得H13钢表面整体的受力状态发生改变。

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