CN109880977A

CN109880977A - 一种提高h13钢齿轮热锻模具使用寿命的方法

Info

Publication number: CN109880977A
Application number: CN201910341376.1A
Authority: CN
Inventors: 杨晓红; 刘志慧; 杜运秋
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2019-06-14

Abstract

一种提高H13钢齿轮热锻模具使用寿命的方法属模具制造技术领域，本发明通过热锻模具的表面激光改性，在模具表面形成一层强化层，使其硬度提高，增强其耐磨性和热疲劳性，从而提高齿轮热锻模具的使用寿命，再通过对失效的热锻模具进行激光熔覆修复，双重方法使模具的寿命大大提高。

Description

一种提高H13钢齿轮热锻模具使用寿命的方法

技术领域

本发明属模具制造技术领域，尤其涉及一种用于提高汽车齿轮热作模具使用寿命的方法。

背景技术

热作模具在使用过程中需要承受机械负荷和热负荷的双重作用，采用调质处理作为最后热处理工艺，模具表面硬度只能达到HRC46-50，表面硬度低，因而容易产生磨损、腐蚀、疲劳、变形、开裂、断裂等失效形式，使用寿命低。热作模具失效形式和影响寿命的因素复杂多样，但是多数模具的失效首先是从表面开始的，因而，采取恰当的方式改善表面组织、提高表面性能，可以有效的提高模具的使用寿命。

国内许多研究人员对模具的表面强化进行研究，已有的方法有模具氮化、模具的碳氮共渗、激光处理等。但对于热锻齿轮模具的强化方法的报道很少见。此外模具使用寿命的提高不只在于模具的强化，失效模具的修复也是行之有效的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高H13钢齿轮热锻模具使用寿命的方法。

本发明的提高H13齿轮热锻模具使用寿命的方法，包括下列步骤：

1.1对经过调质处理的汽车齿轮热锻模具，采用连续CO₂激光器进行激光表面改性，激光器额定功率为5KW，波长为10.6um；激光改性使用参数为：激光功率3.7KW，扫描速度500mm/min，离焦量240mm；

1.2模具表面进行激光改性处理后，表面硬度达760HV；模具的硬度由表及里逐渐降低，心部保持调质处理的硬度；

1.3对使用后失效、表面出现堆塌现象的模具，采用5KW连续CO₂激光器进行激光熔覆，实验参数为激光功率3700W，扫描速度400mm/min、送粉量22g/min；

1.4以40％搭接率进行多道搭接，对步骤1.3的模具进行激光熔覆，以同时连续送粉方式，将激光熔覆粉末涂覆于堆塌表面，进行激光熔覆处理；

1.5以电火花对模具表面进行加工，使模具表面硬度达到650HV以上。

步骤1.4所述的激光熔覆粉末的质量百分数为C：1.4、Si：0.7396、B：0.2396、Co：52.78、Ni：4.25、Cr：33.53、Fe：3.258、Mn 0.739、Mo：0.284、W 2.779。

本发明的有益效果：通过热锻模具的表面激光改性，在模具表面形成一层强化层，使其硬度提高，增强耐磨性和热疲劳性，再通过对失效的热锻模具进行激光熔覆修复，使模具的寿命大大提高。

附图说明

图1为H13钢激光淬火后的SEM显微组织

其中：(a)硬化层顶部(b)硬化层中部(c)硬化层底部

图2为H13钢激光淬火后显微硬度分布

图3为H13钢和激光淬火钢的平均摩擦系数和磨损率

其中：(a)平均摩擦系数；(b)磨损率

图4为H13钢和激光淬火H13钢在不同载荷下的磨损形貌

其中：(a)H13钢100n；(b)激光淬火100n；(c)H13钢150n；(d)激光淬火150n；(e)H13钢200n；(f)激光淬火200n；

图5为载荷为250N时H13钢及激光淬火处理后的磨损表面及剖面组织

图6为正交单道熔覆的宏观形貌

其中：(a)St6(b)Ni45(c)Ni60AA

图7为钴基多道搭接的宏观形貌

其中：(a)St6(b)St6+5％WC(c)St6+5％WC+1％RE

图8为St6+5％WC熔覆层线扫描图谱

图9为St6、St6+5％WC、St6+5％WC+1％RE熔覆层截面显微硬度分布曲线图

图10 H13钢及钴基熔覆层的磨损率(×10-6g/m)随载荷的变化

图11 4000次热循环后热疲劳裂纹形貌：(a)表面激光熔凝的H13钢；(b)未作处理的H13钢

具体实施方式

下面结合附图描述本发明。

1.H13钢热锻模具激光改性强化

1.1H13钢激光表面强化参数

H13钢成分如下表：

表1H13模具钢的实际化学成分

研究采用连续CO2激光器进行激光表面改性，激光器额定功率为5KW，波长为10.6um。激光改性参数为：激光功率3.7KW，扫描速度500mm/min，离焦量240mm；将半轴齿轮热锻模具激光改性强化，激光束沿着齿面齿宽方向平行加工。

1.2模具的硬化层组织和硬度

1)H13钢激光淬火后表面硬化由马氏体、α-Fe、Fe-Cr、Ni-Cr-Fe、Co₃Fe₇、(Fe,Mn)Ni相组成，硬化层由表层至次表层分别是第一层的重熔区域，形状为树枝晶，如图1(a)所示；第二层的局部熔化层，组织为胞状晶和马氏体基体，如图(b)所示；第三层的原始组织高温回火区，为屈氏体组织，如图(c)所示。

2)H13热锻模具激光改性处理后，硬化深度1.1mm，其表面至心部硬度如图2，最大硬度764HV_0.2。在距离表面在0.3-1.1mm区域上硬度水平相差不大，

1.3激光强化改性H13模具热锻模具的磨损性能

在激光强化改性处理后的热锻模具上截取磨损样品，在MG-2000型销-盘式摩擦磨损试验机上进行干摩擦磨损试验，磨损试样尺寸为对磨盘采用硬度为60HRC的W18Cr4V高速钢，滑动速率为0.56m/s，温度为室温，加载载荷分别为100N、150N、200N、250N。采用精度为0.01mg分析天平测定样品的磨损失重,以磨损率、平均摩擦系数和磨损表面、磨损剖面的微观组织分析磨损机理，评定硬化层的耐磨性。

与H13模具钢调质处理对比，激光强化改性后的平均摩擦系数和磨损率如图3所示，激光强化后H13钢的摩擦系数低于调质处理的H13钢的摩擦系数,如图3(a)所示。磨损率随载荷的增大而增大，载荷增加到200N以后，激光强化改性以后的模具明显比调质处理的模具钢高。

从磨损机制上看，在载荷低于200N时，H13模具钢调质处理和激光淬火强化两种状态的磨损机制基本相同图4(a)、(b)、(c)、(d)，但是在200N时，H13模具钢调质处理磨损表面氧化膜已经出现了增厚破裂，磨痕的直径骤然增大，塑性变形特征较为明显，载荷达到临界值。而激光表面强化改性的H13钢磨损表面只有零星分布的磨屑，磨损机制为磨粒磨损和剥层磨损共存图4(e)、(f)。

在载荷为250N时，调质处理的H13钢的磨损率骤然增加，边缘严重的塑性变形，如图5(a)所示。激光淬火强化改性的H13钢磨面发生了严重磨损，但磨损量并未有很大程度的增加，如图5(b)所示，证明激光处理的模具的耐磨性高于原调质工艺处理的模具。

2.失效H13钢热锻模具表面Co基复合粉末激光熔覆

2.1失效H13钢热锻模具激光熔覆表面强化参数及熔覆粉末

将表面堆塌的的半轴齿轮模具采用激光熔覆采用5KW连续CO2激光器进行激光熔覆处理，采用同步送粉方式，激光熔覆参数主要包括激光功率、扫描速度、光斑直径以及送粉率，将激光功率、扫描速度和送粉量进行正交试验，以激光功率为最优选择，根据试验显微硬度确定最佳试验方案为：激光功率3700W，扫描速度400mm/min、送粉量22g/min。试验所用熔覆粉末质量百分含量如表2所示：

表2 Co基粉末的实际化学成分(wt.％)

在激光熔覆试验过程中，以Ni基的Ni45和Ni60AA做参照对比，着色渗透试验结果如图6所示，对比可以看出钴基熔覆层表面形貌最好，没有裂纹产生，与基体形成冶金结合。

以40％的搭接率进行多道搭接试验，在St6基础上，分别以St6+5％WC和St6+5％WC+1％RE进行激光熔覆，着色试验如图7所示，以St6+5％WC做粉末的熔覆层的裂纹较多，以St6+5％WC+1％RE做粉末熔覆层的裂纹相对较少，证明稀土元素的加入可以减小裂纹的生成。

2.2H13钢Co基复合熔覆层的显微组织

H13钢激光Co基复合熔覆层的显微组织由γ-Co、Ni-Cr-Co-Mo、CoCX、(Mn,Cr)7C3、Cr23C6组成。

由St6+5％WC的熔覆层线扫(如图8)证明，熔覆层与基体结合线处存在约10-20μm的扩散区，在界面处，Co基合金中的元素Co、Cr、Ni、W、Si扩散到H13钢基体中，H13钢基体中的Fe、C元素也扩散进入液态的Co基合金中，熔覆层在一定程度上被稀释，涂层与基材形成了良好的冶金结合。

2.3钴基复合熔覆层的显微硬度

测量2mm的硬化层的显微硬度，如图9所示，以St6+5％WC做熔覆粉末的硬化层硬度高于St6和St6+5％WC+1％RE做熔覆粉末的硬度，最高达到HV730。

2.4钴基复合熔覆层的摩擦磨损性能

将钴基熔覆处理处理的H13钢与调质处理的H13钢进行摩擦磨损试验，条件为干滑动磨损，转速200r/min、总转数4000r，试验结果如图10所示，当载荷在200N-250N时，调质处理的H13钢磨损量急剧增加，结果证明Co基激光熔覆处理的H13钢比H13钢调质处理的耐磨性好。

3.激光表面改性强化H13钢的热疲劳性能

在热疲劳试验机上对激光表面改性强化H13钢和调质处理的H13钢两种试件进行热疲劳试验，试样一端预制裂纹缺口。热疲劳试验时先将电阻炉内温度升高至预定温度保温1小时，然后将试验固定在夹具上开启自动循环模式，试样加热的预定时间后立即入水冷却(流动自来水)，随后便上升到电阻炉中自动加热，如此往复循环，到预定循环次数后取出试样进行性能检测。

根据4000次循环后激光表面改性强化的H13钢和调质处理H13钢裂纹形貌(图11)，从热疲劳主裂纹的长度、宽度、数量以及裂纹扩展速率来看，经过激光表面改性强化的H13钢明显好于调质处理的H13钢，表明激光表面强化对提高H13钢的热疲劳抗力是有积极作用的。

4.应用

一汽解放汽车有限公司长春特种车分公司使用表面改性处理的H13钢热锻模具实验记录：

锻造设备：2500吨锻压机

模具材料：H13

457桥半轴齿轮热锻模，模具硬度700HV。

模具序号	日期	模具寿命(件)	模具失效形式
				1(激光)	2018 12 11	4100	齿面出现疲劳裂纹
2(激光)	2018 12 12	3985	齿面出现疲劳裂纹
				3(激光)	2018 12 14	3974	齿面出现疲劳裂纹
4(激光)	2018 12 15	4101	齿面出现疲劳裂纹
				8(修复)	2019 01 05	1002	齿面出现堆塌
9(修复)	2019 01 06	1050	齿面裂纹

结论：1.模具表面经过激光处理：使用寿命达到4000件左右。失效形式首先发生在下模。

2.激光熔覆修复后模具使用寿命达到1000件左右。

两种改性的模具使用寿命再加经过修复后，使用寿命均达到5000件以上。

Claims

1.一种提高H13齿轮热锻模具使用寿命的方法，其特征在于包括下列步骤：

2.按权利要求1所述的提高H13齿轮热锻模具使用寿命的方法，其特征在于：步骤1.4所述的激光熔覆粉末的质量百分数为C：1.4、Si：0.7396、B：0.2396、Co：52.78、Ni：4.25、Cr：33.53、Fe：3.258、Mn0.739、Mo：0.284、W2.779。