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摘 要：采用激光熔凝處理方法對SKD61模具鋼表面進行仿生強化，利用光學顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)及能譜儀(EDS)等手段分析了激光仿生強化處理后SKD61模具鋼的微觀組織和合金元素分布情況，并測試了不同區域熔凝處理和620℃回火后的顯微硬度。結果表明：SKD61模具鋼激光熔凝處理后得到熔凝區、熱影響區和基體三層組織，熔凝區組織為極細的等軸晶和柱狀晶，消除了夾雜相，合金元素基本均勻分布，與常規熱處理相比，熔凝區的顯微硬度和回火穩定性顯著提高。經激光激光仿生強化處理后的鋁合金頂蓋壓鑄模壽命由21000件提升到37000件，比未強化的模具壽命提高了76.2%。
關鍵詞：SKD61模具鋼;激光仿生熔凝;微觀組織;顯微硬度;熱疲勞
1 引言
在各類模具中，壓鑄模具工況條件非常惡劣，直接與高溫、高壓、高速的金屬液相接觸，一方面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的加熱和冷卻介質(水、油、空氣)冷卻的冷熱循環交替作用，主要失效形式有整體開裂、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[1-2]，常規的化學熱處理、堆焊、電火花表面強化、PVD、CVD 等方法雖均可在一定程度上延長模具的使用壽命[3-6]，但上述方法存在成本高、工藝復雜及處理周期長，或是處理后模具存在較大畸變，或是形成的鍍層薄而脆，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的問題。科學發展的歷史表明，科學技術的突破性進展往往從天然生物體對自然界的適應性規律中尋求答案，這是自然界物質為適應自然環境長期在經意或不經意之間積累的一種“本能”現象，它比目前工業應用中采用的“人為方法”更具科學性[7-8]。本文以SKD61鋁合金頂蓋壓鑄模為考察對象，利用激光快速熔凝工藝在材料表面制備出仿生強化單元體，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，并結合鋁合金頂蓋壓鑄模的實際使用情況，對熔凝單元體的組織結構、硬度及阻裂性能等進行綜合評價，為提高SKD61鋼壓鑄模使用壽命提出了有效的途徑。
2 試驗條件與方法
2.1 激光仿生熔凝處理生物原型
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，葉脈質地強韌起到支撐作用，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，觀察撕裂后的蜻蜓和蝴蝶翅膀，發現裂紋在擴展過程中存在頻繁偏轉的現象(如圖1(b)~(c)所示)。這兩種生物原型共同特征：一方面它們都具有軟硬相交替的結構，另一方面該結構中硬質單元呈現不同的分布形態，這使得上述生物體成為柔性和剛性完美結合并賦予其優異力學性能的典范[8]，因此可以把生物體的多功能性同應用目標的工作環境相結合，模擬生物的特征進行仿生強化單元結構設計。
圖1 典型的生物模型(a)開裂的植物葉片;(b)開裂的蝴蝶翅膀;(c)開裂的蜻蜓翅膀
Fig.1 Typical biological structures (a) the tree leaf; (b) the butterfly wing; (c) the dragonfly wing
2.2 試驗材料及激光熔凝處理工藝
試驗用鋼及壓鑄模具均為日立公司生產的SKD61模具鋼，化學成分(wt%)為：C 0.38、Si 0.98、Cr 4.95、Mo 1.38、V 1.08、Mn 0.35、P≤0.03、S≤0.027，熱處理規范為1020℃油淬+580℃×2h空冷+560℃×2h空冷。試樣表面經砂紙打磨、清洗、干燥后置于國產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，激光熔凝實驗工藝參數為：聚焦透鏡焦距f=100mm，電流150A，束斑直徑2mm，頻率5HZ，脈寬時間8.0ms、激光掃描速度0.5mm/s，氬氣流量10.0ml/min。
2.3 樣品微觀組織和硬度表征
金相樣品的制備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金相試樣，經4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Nikon MA-100 型金相顯微鏡和S-4800掃描電鏡分析熔凝層的組織形貌，并用掃描電鏡自帶的能譜儀分析熔凝區及過渡區的成份變化。在MH-60 型顯微硬度計上測定基體、熱影響區和熔凝區及620℃回火后的顯微硬度。
3 試驗結果與分析
2.1 微觀組織
圖2為SKD61熱作模具鋼基體和激光熔凝處理后的微觀組織形貌，基體為回火馬氏體和M4C3及M6C型碳化物[9]。SKD61鋼激光表面熔凝處理后，熔凝層深約為0.8mm，寬為2.0mm，組織致密、無孔洞及裂紋等缺陷，由表及里分別為熔凝區、熱影響區和基體，其中熔凝區和熱影響區界限不明顯(圖2a)。熔凝區又大致可以分為三個部分：表面是細小等軸晶區，中間是柱狀樹枝晶區，底部是胞狀晶區(圖2b)。這種組織的形成是受熔凝層上的溫度梯度G，冷卻速N及凝固速率R所控制[10-11]。
結晶開始時，圖2 熔凝區微觀組織(a)激光熔凝處理組織(OM);(b)熔凝區近基體組織(SEM);(c)熔凝區近表面組織(SEM);(d)熔凝區近表面組織(SEM)
Fig.2 Microstructure of laser melted zone (a) microstructure of laser melted (OM)(b) microstructure of laser melted (SEM)(c) surface microstructure (d) surface microstructure
熱影響區大致可分為兩部分(如圖2a~b所示)，與熔凝區相接的部分組織較為粗大，這是由于過熱度較大，引起加熱時奧氏體晶粒長大，淬火后組織較粗大;與基體相接的部分基本保持基體組織特征，此部分相當于高溫回火組織。
2.2 能譜分析
從試樣表面垂直向內對主要合金元素Fe、C、Si 、V、Cr 、Mo 等的濃度分布進行線掃描，結果如圖3 所示，可以看出SKD61 鋼激光熔凝區中Fe、C、Si 、V、Cr 、Mo 合金元素濃度分布比較均勻, 沒有產生明顯偏析，這是由于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2d)。
圖3 SKD61鋼激光強化單元體區EDS線掃描分析 圖4 顯微硬度隨層深變化曲線
Fig. 3 Elementary analysis along Fig. 4 Microhardness distributions
depth direction along depth direction
2. 3 硬度測試
圖4為激光熔凝處理試樣和熔凝處理后經620℃×2h回火試樣的硬度變化曲線。可以看出，激光熔凝區的硬度明顯高于基體，硬度峰值不在最表面而在次表層，這種硬度變化既可以通過去除最表層獲得光滑的模具表面，又可以獲得最大的強化效果。熱影響區的硬度變化比較平緩，在熱影響區和基體交界處由于進一步回火，硬度略有降低。由于SKD61鋼壓鑄模工作條件十分惡劣、使用溫度較高，要求其具有較好的抗回火軟化能力。激光熔凝處理后經620℃×2h回火，試樣熔凝區的硬度仍比基體高，說明激光熔凝組織具有較好的回火穩定性。這主要因為熔凝區Cr、Mo、Si、V等合金元素分布均勻，增大了碳原子在馬氏體中的擴散激活能，阻礙了碳原子在馬氏體中的擴散，減緩了馬氏體分解速度及碳化物的聚集[11]，使得穩定性得以提高。
在激光強化過程中，當強激光能量集中照射小的單元體區域時，導致材料照射區域的相變或熔化，在隨后的液相金屬凝固中，由于外界空氣和母材本體的雙重冷卻作用，使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，使得熔凝區的硬度、強度得以較大程度的提高[7，13]。
(1)細晶強化。晶粒細化不僅能有效地提高材料的硬度和強度，又能明顯地提高塑性和韌性。眾所周知，晶粒大小是晶界多少的反應，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目，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處于非常細小的水平，因此熔凝區的強度和硬度較基體有較大程度的提高。
(2)固溶強化。激光加熱導致碳元素、合金元素等迅速溶進基體組織，而在隨后的冷卻過程中由于極高的凝固速度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。激光快速凝固具有比其它凝固方式過冷度更高和冷卻速度更快的特點，因此熔凝區組織的固溶能力大大增強，宏觀上反映出熔凝區的強度和硬度較基體有較大程度的提高。
3 應用實例
圖5(a)為鋁合金頂蓋壓鑄模(SKD61鋼)使用一段時間后模具表面產生熱疲勞裂紋的情況，壓鑄件材料為ZL102，澆注溫度660℃。沒有經過激光熔凝處理的模具在使用到12000模次左右時，模具表面即出現熱疲勞裂紋，從而導致鑄件不合格。根據壓鑄模表面易產生裂紋位置及疲勞裂紋的擴展方向，在模具表面進行激光仿生熔凝處理(如圖5(b)所示)，熔凝強化單元呈網格和條紋狀分布，強化單元間距為2.5 mm，其他工藝參數與試樣完全相同。熔凝處理后的模具使用達到28000模次時，表面狀態依然完好，當達到31000模次以上時型腔才出現微小的疲勞裂紋，生產到37000件時，模具達到最終壽命，激光熔凝強化的壓鑄模具比未強化的模具壽命提高了76.2%。
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。一方面由于熔凝區的細晶強化、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;另一方面又由于強化單元可以有效抵御了熱疲勞裂紋的擴展，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擴展速率，從而提高了熱疲勞裂紋的擴展抗力，延長了摸具使用壽命。
圖5 模具表面熱疲勞裂紋和激光仿生強化形貌(a) (b)
Fig. 5 Thermal fatigue crackin head die surface
4 結論
(1)在本試驗條件下用YAG激光器熔凝處理SKD61鋼得到剖面組織為熔凝區、熱影響區和基體三層組織，熔凝區組織由極細的等軸晶和柱狀晶組成，合金元素分布基本均勻，消除了夾雜相。
(2)與常規熱處理相比，熔凝區的顯微硬度和回火穩定性顯著提高，對熱疲勞裂紋的萌生和擴展有明顯的抑制作用，經激光激光仿生強化處理后的鋁合金頂蓋壓鑄模壽命由21000件提升到36672件，比未強化的模具壽命提高了76.2%。
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