激光增材制造H13钢及回火处理的组织和性能研究

摘要

H13钢是模具行业中广泛应用的一种热作模具钢，因其具有良好淬硬性、强度、韧性以及抗热疲劳性能而深受人们的喜爱。传统模具制造工艺繁琐、工艺流程长、周期长、成本高，同时不能满足人们对于复杂和个性化模具的需求。本文采用激光增材制造技术制备H13钢，该技术具备成形形状复杂的工件，同时便于实现自动化，提高效率等优点。对成形试样进行不同温度的回火热处理，研究了回火处理对增材制造试样的显微组织和力学性能以及摩擦学性能的影响，最后通过表面改性技术在增材制造H13钢表面熔覆 Ni/WC涂层以达到进一步提高其表面性能的目的。本课题的研究旨在为激光增材制造技术在模具的制造和再制造等领域提供理论支持和实践指导。
　　利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、透射电镜(TEM)、XRD多晶衍射仪、维氏硬度计、电子万能拉伸实验机、摆锤冲击实验机、纳米压入设备以及高温摩擦磨损实验机等现代材料分析测试设备对增材制造H13钢及其表面涂层的显微组织、物相组成、析出相的形貌以及力学性能和摩擦学性能进行研究。
　　研究结果表明，在优化工艺参数的前提条件下，采用激光增材制造技术制备的H13钢成形试样组织致密、无肉眼可见的宏观孔隙和裂纹等缺陷。沉积态试样的显微组织主要由马氏体以及分布在枝晶间的残余奥氏体和细小碳化物组成。回火过程中残余奥氏体发生分解，同时马氏体向回火马氏体转变。550℃回火时基体中析出大量的短棒状和针状碳化物(VC)，650℃回火时碳化物主要为5～15 nm的球形碳化物和50～100nm的椭球形碳化物。沉积态试样的显微硬度为535 HV0.3，随着回火温度升高试样的显微硬度先升高后降低，550℃回火时产生二次硬化，其值为600 HV0.3。纳米压痕硬度测试结果变化趋势与显微硬度相似，550℃和650℃回火时分别对应最大和最小纳米硬度，分别为6119.38MPa、5145.38MPa。各处理状态下试样的弹性模量约为320GPa。拉伸测试表明，当回火温度低于550℃，断口主要以解理断裂为主，550℃回火时最大抗拉强度为1928.2MPa，延伸率为6.4％；当回火温度升高到600～650℃时，断口呈现韧性断裂，抗拉强度降低，延伸率增大。各处理状态下，增材制造H13钢的室温冲击性能均较低，其值为6～12J。
　　在室温磨损条件下，测试时间为75min。结果表明：550℃处理后，试样的磨损体积最小，为0.0124mm3，与沉积态试样相比，其耐磨性能提高了2倍。不同温度下其磨损机制以粘着磨损为主，同时包含轻微的氧化磨损。400℃高温磨损条件下，测试时间为75min。结果表明：650℃处理后，试样的磨损体积最小，为0.2192mm3，与沉积态试样相比其耐磨性能提高了约3倍。各处理状态下其磨损机制以氧化磨损为主，同时包含磨粒磨损。
　　增材制造H13钢表面改性处理后，熔覆层主要由γ-Ni、M23C6、Ni3B等相组成。涂层和H13基体以及WC和Ni基合金之间均形成了良好的冶金结合，熔覆层的稀释率约为5.5%。熔覆层的平均硬度比基体的硬度提高16%，熔覆层的耐磨性能是基体的两倍，其磨损机制为磨粒磨损。
　　最后本项目的研究成果在某知名铝生产企业的H13模具产品中得到了应用。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 激光增材制造的原理和特点

1.2 激光增材制造技术的发展与现状

1.3 H13钢概述

1.4 激光增材制造技术在H13钢上的研究现状及应用

1.5 研究内容

第二章 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 成形实验设备

2.3 热处理工艺

2.4 致密度测量

2.5 显微组织和物相分析

2.6 硬度测试

2.7 室温拉伸实验

2.8 室温冲击实验

2.9 摩擦磨损实验

第三章 激光增材制造H13钢及回火处理的组织和力学性能

3.1 引言

3.2 激光增材制造H13钢组织特点

3.3 回火对激光增材制造H13钢物相和显微组织的影响

3.4 回火处理对激光增材制造H13钢力学性能的影响

3.5 本章小结

第四章 回火处理对增材制造H13钢磨损性能的影响

4.1 引言

4.2 增材制造H13钢室温磨损实验参数

4.3 增材制造H13钢室温磨损性能及机理分析

4.4 增材制造H13钢高温磨损实验参数

4.5 增材制造H13钢高温磨损性能及机理分析

4.6 H13钢磨损截面形貌和硬度分布

4.7 本章小结

第五章 增材制造H13钢表面制备耐磨涂层的初步研究

5.1 引言

5.2 涂层材料选择

5.3 激光熔覆工艺参数

5.4 摩擦磨损实验参数

5.5 显微组织和物相分析

5.6 显微硬度

5.7 摩擦性能测试

5.8 本章小结

第六章 激光增材制造技术在H13钢模具上的应用

6.1 引言

6.2 铝挤压垫产品的再制造

6.3 铝型材切断剪刀产品的再制造

6.4 挤压针头产品的再制造

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间本人公开发表的论文及专利

致谢