Cr12MoV模具鋼激光熔凝處理裂紋產生原因及解決辦法

鄒豪康，李 勇，繆星旭，張珊珊，姜鶴明

（浙江工貿職業技術學院，溫州，浙江，325003）

0 引言

Cr12MoV鋼作為企業最常用的冷作模具鋼之一，以其高碳高鉻成分特征，具有高硬度、高耐磨、熱處理變形小和淬透性好等優點，被廣泛應用于制造大尺寸、高負荷和結構復雜的冷沖壓模具。冷沖壓模具在工作時，由于被加工材料的變形抗力比較大，因此模具的工作部分會承受很大的壓力、沖擊力、彎曲力及摩擦力，故冷沖壓模具的正常失效形式一般有磨損、破裂、崩角和塑性變形等[1-6]。由于大部分模具的失效都是從表面開始，因此，對Cr12MoV鋼進行表面改性處理，是提高模具壽命的主要手段之一。目前，在模具鋼表面進行改性處理的技術方案主要有激光表面改性處理如激光熔覆[7-10]、激光淬火[11-12]、激光合金化[13-14]、激光表面沖擊強化等[15-17]，涂鍍層表面處理[18-21]和表面熱處理[22-23]等。

激光熔凝強化處理是利用高能量密度的激光束照射在材料表面，在不改變材料表面化學成分的前提下，利用材料表面瞬時熱積累和溫度場的急劇變化，在基材表面原位生成強化層，強化層內可形成極細的晶粒，甚至非晶態，可以得到許多常規表面處理技術不能得到的亞穩態組織和表面性能，因而在某些應用場景中能極為有效地改善金屬材料的表面性能，是提高產品壽命的一種有效技術手段[24-26]。

Cr12MoV鋼作為冷作模具時，一般是利用材料的高硬度高耐磨特性進行作業，本研究擬采用激光熔凝處理工藝對淬火后的Cr12MoV 鋼進行表面硬化及改性處理，嘗試通過激光表面強化技術進一步改善模具鋼的硬度與耐磨性能，從而提高Cr12MoV鋼冷作模具的使用壽命。但在研究過程中，發現該技術方案中存在潛在裂紋問題，裂紋的產生與存在對本研究工作的技術適用性以及生產應用帶來很大危害。因此，本文針對激光熔凝處理Cr12MoV 鋼工藝試驗中出現的問題，即高硬度基材表面出現的潛在裂紋缺陷，通過對裂紋形態、裂紋性質、裂紋生成部位以及裂紋產生的原因等進行研究和分析，并提供有效的解決方案，以便能為其他科技工作者或企業工程師提供相關借鑒與參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為市場采購Cr12MoV 鋼，該鋼的主要化學成分如表1 所示， 試樣尺寸為40mm×40mm×15mm。成分分析設備采用德國BRUKER S4 PIONEER X 射線熒光光譜儀和南京正源分析儀器制造有限公司ZY-HWC9A 型高頻紅外碳硫分析儀。

表1 Cr12MoV鋼的主要化學成分表（Wt%）

試樣在激光表面熔凝處理前的預處理工藝為：采用東莞科昶KQH-1800A 熱等靜壓燒結爐進行分段預熱淬火，淬火加熱溫度1 030℃（±10℃），淬火保溫時間為30min，油冷；預熱溫度分別為650℃（±10℃）和850℃（±10℃），每段預熱時間為30min，共預熱60min，其淬火工藝流程圖如圖1所示。淬火處理后對試樣表面分別采用不同目數的砂紙由粗到細進行打磨處理，采用萊州華銀試驗儀器有限公司的200HRS-150 型數顯洛氏硬度計進行硬度檢測，其淬火硬度約62HRC。

圖1 淬火工藝流程圖

1.2 試驗方法

激光熔凝試驗：采用武漢銳科公司RFL-A750D型光纖激光器對試樣表面進行激光掃描，掃描速度為12mm/s，聚焦透鏡距離試樣表面為120mm，光斑直徑為2mm，激光輸出功率為300W，激光束掃描路徑間距1mm，無氣體保護。

回火試驗：采用紹興蘇珀YTH-12-10 型箱式電阻爐對激光熔凝處理試樣進行低溫回火，回火溫度為190℃（±10℃），保溫時間為240min，空冷。

著色探傷檢測：首先采用吳江宏達HP-ST 清洗劑對熔凝處理試樣進行預清洗，去除表面雜物后；繼而采用吳江宏達HP-ST 滲透劑對試樣表面進行均勻噴涂，噴涂結束后靜置10分鐘進行滲透處理；然后待滲透結束后使用吳江宏達HP-ST 清洗劑將被檢物體表面多余的滲透劑去除；最后使用吳江宏達HP-ST 顯像劑對試樣表面進行噴涂顯影，進行缺陷分析。

金相檢驗：線切割取樣后，對切割面進行打磨、拋光和無水乙醇清潔處理，采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，以德國蔡司Axio Scope.A1 型顯微鏡觀測金相組織；采用荷蘭飛納PhenomXL 電子掃描顯微鏡表征裂紋組織與形貌。

2 裂紋形貌與產生原因分析

2.1 宏觀形貌觀察

激光熔凝處理所得熔凝層的表面形貌圖如圖2（a）所示，圖2（b）為激光熔凝處理后表面著色探傷結果的顯像圖，2（c）為激光熔凝處理后試樣的縱剖面宏觀形貌圖。

圖2 激光熔凝處理宏觀圖

從圖2（a）（b）中可以看出，淬火的Cr12MoV鋼在激光熔凝處理后，熔凝層的表面質量較好，著色探傷結果顯示熔凝層表面無裂紋、孔隙等缺陷。結合圖2（c）可以看出，在Cr12MoV鋼表面存在著一層具有一定厚度的白色亮化層，該亮化層為激光熔凝處理所得的改性層，在該層的下部且靠近試樣邊緣部位出現了一個尺寸較長且較大的裂紋。該裂紋不是在激光表面熔凝處理后立即生成的，而是在后續為觀察熔凝層金相組織，在金相制樣時在砂紙上打磨過程中產生的，因此其生成可能與Cr12MoV鋼熔凝層與基體的結合部摩擦受力有關。

2.2 組織形貌分析

為進一步觀察裂紋形貌和裂紋的生成位置，將激光熔凝處理后所得熔凝層的縱剖面進行顯微組織觀察，所得金相照片如圖3（a）所示；掃面電鏡照片如圖3（b）所示。

圖3 激光熔凝處理縱剖面顯微組織圖

從圖3 中可以看出，淬火Cr12MoV 鋼在激光熔凝處理后，由表層到基體可以分為熔凝區、受熱影響區和基體三個區域；而裂紋存在于受熱影響區，是在熔凝層和基體結合部位的熱影響區生成、擴展，最終形成穿晶裂紋；裂紋既有粗大裂紋，也有細小的擴展裂紋。鑒于裂紋周圍沒有夾雜物聚集特征、也沒有明顯的氧化現象，結合Cr12MoV 鋼激光熔凝處理前其淬火硬度為62HRC，硬度較高，而激光熔凝處理過程中又具有“急熱急冷”特性，因此，裂紋性質很有可能為熱應力和組織相變應力積累后，在受力過程中集中釋放而形成的脆化冷裂紋。

實踐表明，激光熔凝處理前的淬火Cr12MoV 鋼未經回火處理，淬火過程本身會積累較大的淬火應力，這些應力在激光表面處理前均未得到釋放；在激光熔凝過程中，由于激光加熱速度極快，表層的淬火馬氏體飛速升溫超過熔點而液化，在空氣的快速冷卻過程中又快速凝固并結晶形成熔凝層，同時發生組織相變，在此過程中，熔凝層也積累著大量的熱應力與組織相變應力。這兩個過程的應力疊加，在熔凝層與基體間容易形成較大的應力值；同時，由于熔凝處理過程中的組織相變，熔凝層形成了與硬脆性的基體組織馬氏體不同的奧氏體組織[27-28]，因此在熔凝層與基體間又同時形成了硬度梯度；當試樣在砂紙打磨制樣的過程中因摩擦受力，在外力誘導下，內應力集中釋放從而形成脆化開裂，而且嚴重的內應力釋放可能讓裂紋一直擴展到試樣邊界。

3 裂紋預防辦法

針對淬火過程加激光熔凝處理易導致Cr12MoV鋼試樣因內應力的集中釋放而產生裂紋問題，結合上述分析，要預防裂紋產生，只需要消除鋼的內應力即可。因此，為減少回火次數，提高生產效率，建議采用較長時間的低溫回火工藝，在保證Cr12MoV鋼高硬度的情況下，充分釋放鋼淬火及熔凝處理積累的內應力，并穩定鋼的組織，即可避免裂紋產生。

圖4為Cr12MoV 鋼試樣在低溫回火處理后的熔凝層表面形貌、著色探傷顯像圖和縱剖面多次打磨后的宏觀形貌圖。從圖4 可以看出，熔凝層的表面質量仍然保持良好、無缺陷狀態，同時縱向也沒有任何宏觀裂紋出現。

圖4 淬火Cr12MoV鋼激光熔凝后回火試樣宏觀形貌圖

圖5為淬火Cr12MoV 鋼激光熔凝試樣經回火處理后的顯微組織照片，其中圖5（a）為低倍金相照片，圖5（b）為熱影響區的高倍SEM 照片。從圖中可以看出，Cr12MoV 鋼熔凝試樣經回火處理后，各個區域組織均正常，其縱剖面上的熔凝層、熱影響區和基體三大區域均沒有裂紋出現；掃描電鏡照片顯示，在裂紋最容易產生的基體與熔凝層結合部的熱影響區沒有發現任何裂紋源。由此可以說明，Cr12MoV鋼在淬火加激光熔凝處理后，經過較長時間的低溫回火處理，可有效消除淬火應力疊加激光熔凝處理應力導致的裂紋生成隱患，因此，通過增加回火處理過程，可以較好地消除應力并抑制應力導致的裂紋萌發。

圖5 激光熔凝處理后回火試樣的顯微組織圖

4 結論

（1）淬火態的Cr12MoV 鋼采用激光熔凝處理，在沒有氣體保護的情況下，可以在鋼材表面獲得一定厚度且熔凝質量較高的熔凝層；但熔凝處理后，淬火加熔凝處理疊加的內應力，容易在熔凝層與基體的結合部位產生冷脆裂紋隱患。

（2）淬火Cr12MoV 鋼在激光熔凝處理后，采用較長時間的低溫回火處理，可以很好地消除內應力，并抑制應力裂紋生成。因此，淬火加激光熔凝處理再加回火處理技術方案，可以較好地解決本工藝過程中因應力過大而導致的裂紋隱患問題。