基于H13k刀具修复的激光熔覆Fe基合金工艺研究

摘要

H13k 作为兼具韧性的高硬度热作模具钢，是制作机械剪切刀片的主要材料之一。针对机械剪切机刀片刃部的频繁磨损、崩坏等工况，提出了利用激光熔覆增材技术，修复刀片刃口缺陷，延长刀片的实际使用寿命，降低企业耗材成本。Fe基熔覆层虽具有高硬度但韧性差。研究能使Fe基熔覆层具有兼顾硬度和韧性综合性能的工艺参数，对于剪切刀片修复的工业应用有重要意义。本文通过理论分析确定了对熔覆层硬度与冲击韧性均产生影响的主要工艺参数；通过多组实验进一步优化了由理论分析得到的工艺参数，最终获得了满足工业修复要求的工艺条件。研究内容主要包括： (1) 对硬度与冲击韧性进行了量纲分析。无量纲硬度与不可逆变形功之间存在某种联系，且都是Y/E、v、n、θ的函数；冲击断裂过程中裂纹扩展所需应力是E、Y、v、a的函数。两者与材料属性E、v均有关，元素含量变化与热处理工艺对E、v有显著影响。 (2) 研究了元素含量变化对多层熔覆层内部及层间区域的微观结构组成的影响。Fe基粉末X431的熔覆层微观结构从底部到顶部由柱状枝晶、等轴枝晶和转向枝晶构成；熔覆层的层间区域呈“白亮”带，主要由长大融合的等轴枝晶构成；枝晶内部存在不规则孔隙缺陷。添加 8wt. %Ni45 后 X431 熔覆层内部枝晶生长受限，晶粒更细小，枝晶分布更加均匀；层间区域宽度变窄，晶粒尺寸相比熔覆层内部区域变化更小；枝晶内部孔隙缺陷消失。添加1.5wt. %Mo后X431熔覆层内部枝晶分布更加均匀，晶粒更细小，但枝晶内部孔隙缺陷并未减少。C含量更高的Fe基粉末F901在加入8wt. %Ni45后，晶粒更细小，但枝晶内部孔隙缺陷变大且增多。 (3) 研究了元素含量变化导致熔覆层冷却方式的变化和室温物相组成的不同，以及元素在晶内与晶间区域分布的影响。XRD衍射结果表明：X431熔覆层的室温物相主要有α-Fe、γ-Fe、M23C6、M7C3和M2B，其中M代表Fe、Ni、Cr和Mo等金属元素；X431+8wt.%Ni45包含的主要物相为γ-Fe、M23C6、M7C3和M2B；X431+1.5wt.%Mo与F901+8wt.%Ni45中的主要物相有α-Fe、M23C6、M7C3和 M2B。EDS 面扫描、线扫描与点区域扫描显示：熔覆层内主要包含枝晶基体与晶间网状共晶结构；Fe元素主要分布在晶内区域，C、B、Mo、Cr和Ni元素在晶间网状共晶结构中相对富集，向X431粉末中添加的1.5wt. %Mo元素只存 在于晶间网状共晶结构中。 (4) 完全退火与高温回火工艺会促进熔覆层内枝晶的生长，并将引发物相变化。完全退火工艺导致熔覆材料完全奥氏体化后冷却产生扩散型相变，最终生成近似珠光体的混合组织；高温回火工艺会促使马氏体分解生成铁素体与细粒渗碳体；晶间区域的M23C6、M7C3和M2B在热处理后并未发生明显分解。 (5) 研究了元素含量变化和热处理工艺对熔覆层硬度与冲击韧性的影响。X431熔覆层平均硬度为55 HRC，其中Ni45添加量低于8wt.%时，熔覆层硬度降低缓慢且不低于50 HRC；当Ni45添加量达到10wt.%，熔覆层硬度迅速下降并降至40 HRC以下；X431添加3wt.%Mo使硬度降至48 HRC。采用热处理工艺后均降低了对应试样熔覆层硬度。研究结果表明：本文中X431+8wt.%Ni45未热处理试样冲击韧性最好，冲击功为8.5 J，高于淬火态H13k的冲击功3.9 J；且试样的平均硬度为52 HRC，高于H13k刀具硬度要求的50 HRC；因此该工艺参数初步满足了工业用H13k刀具修复的使用要求。

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