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材料论坛第30卷 - 2006年
由R.Wuhrer和M.Cortie编辑
copy;材料工程学院澳大利亚有限公司
热锻模的耐磨性研究，钴基高温合金的堆焊
M. Farhani 1，A.Amadeh 1，H.Kashani 1和A.Saeed-Akbari 2 *
1德黑兰大学工程学院冶金与材料工程系。
2德国亚琛大学地理资源与材料工程学院
*通讯作者：Alireza Saeed-Akbari，Rudolfstraszlig;e27,52070，Aachen，德国。 alireza.s.akbari@gmail.com
电话：（ 49241）9976908
摘要
在热加工过程中，由于同时存在高温和高应力，相关的模具都处于各种失效机制之下。其主要机制取决于过程及其参数；然而，各种磨损机制被称为是最重要的模具失效机制。表面工程技术用于应对磨损。在本研究中，堆焊的热锻模具钢（H11）的钴基超合金（Stellite 21），用于研究模具的耐磨性和模具寿命的提高。最初，制备H11钢的一些测试块，然后根据考虑的模具进行热处理。然后在测试块上进行TIG方法的堆焊。最后，测试块的属性，在磁盘磨损实验前后，使用光学显微镜和硬度测试仪器进行研究。在三个不同的温度下进行测试：室温，400℃和550℃。在评价实验结果后表明，样品模具的堆焊和实践服务及其尺寸被定期控制在服役期间。在相当长的工作时间后，这项服务被停止使用。从样品模具制备测试样品的金相和测试其硬度。比较硬表面和H11模具和样品，结果表明，高温硬度的增加是由于形成的硬和耐硬面模具的表面，从而耐磨性和寿命大幅改善的结果。
- 引言
热锻是最古老的金属成型方法之一，用于生产各种工业用途的关键部件。作为一个过程，锻造的特征是具有良好的机械性能，生产时间短，生产率高和最佳材料利用率。这些优点是通常对于相当大的生产数量才能体现，因为模具的高成本作为生产线的长时间设置[ 1 ]。模具寿命是生产成本和费率的一个非常重要的因素[2，3]。因此，优化模具实现更长的使用寿命和更低的生产成本在这些行业总是可取的。
热工作工具经常受严重的热和机械冲击。在实际热锻工艺，模具表面达到温度范围700-800℃[2]。同时存在高温和高应力导致各种模具故障机制。模具表面损坏可能由于磨损，塑性变形，发热而产生疲劳和机械疲劳[2]。在这些当中，各种磨损机制涉及保温和热锻造工艺。据报道，大约70％的模具损伤故障是由于磨损[3-6]。但是，主要的磨损机制不同，情况也不同。如图1所示模具损伤的主要模式，并指出在工具腔中的每种类型的故障位置是最可能发生的[1]。
图1.损伤模式及其在模具中的位置每个模式可能发生的腔[1]
然而，几乎没有单一的材料可以遇到所有提到的磨损机制。即使选择的材料可以承受多个磨损的因素，但是制作工具的材料不一定经济。因此，首选策略是选择更便宜材料和覆盖其关键部分材料。 在这方面，各种表面工程技术广泛利用。
硬面是产生的焊接扩散过程冶金结合到基底的沉积物。它现在越来越多地被廉价用于在模具表面上沉积硬层的装置。它也可用于修复和尺寸修复的模具[7]。
钴基超合金是最常见的堆焊合金。它们中的许多衍生自Co-Cr-W和Co-Cr-Mo三元。自1922年以来，取得成功之后，钴基工具材料在第一次世界大战期间以焊缝覆盖的形式使用来保护表面免受磨损。低碳钴基超级合金用于应对磨损在高温服务方面[8]。这些合金因为低堆垛层错能量，因此高密度堆垛层错和部分位错[9]。固体钨和铬的固溶硬化，位错 - 位错相互作用和不可穿透是由于金属 - 碳化物的颗粒硬化而使这些合金中具有明显的硬度[10]。
在这些合金中，已经有Stellite 21合金成功利用了多年，自1940年代以来，有各种应用，并且还在使用中，但是主要作为耐磨合金[8]。在该合金中观察到的碳化物主要是富铬M23C6型[10,11]。这些碳化物可以观察到500°C以上沉淀特别变形带和堆垛层错9]。随着增加温度和变形，密度堆垛层错，位错和变形等碳化物的体积分数增加，合金表现出良好的高温硬度[9]。这也是公认钴基超合金耐变形是在500-900℃的温度范围[10]。
- 实验
由于本研究的最终目的是提高由H11热加工工具钢制成热锻模的耐磨性，两块试块由相同材料制备。对这些测试块进行热处理，最后进行回火处理得到马氏体组织。然后，其中之一是通过TIG堆焊Stellite 21焊接棒。试块和焊条的组成如表1所示。表2显示了堆焊参数.然后，切割和加工实验块来制备金相试样，及进行硬度测试和磨损试验。进行磨损试验使用销盘法。磁盘是由T2高速钢制成（表2）。这些磁盘是经热经处理达到64 HRC硬度。然后将销和盘的表面加工达到所有实验的条件相似。
表1.所用材料的组成
磨损试验在三个温度下进行; 房间温度，400℃和550℃。每次磨损试验的不变参数有：滑动速度0.4 m / s，正常载荷为48N，总滑动距离为1000米。在每个实验前后，销钉超声清洗并干燥后称重。然后测量由于磨损造成的重量损失。然后，销沿其圆柱轴线切割并制备用于金相和显微硬度实验。在目前的研究，所有的显微硬度测试采用努普压头和在200gr负荷以下。
表2 .TIG堆焊参数
根据这些实验的结果，一种实用模具堆焊和投入使用。表3显示了模具的工作条件。
表3.模具工作条件
在使用期间，控制模具的尺寸在某些阶段，像其他普通模具。之后相当长的时间（约16000次冲击）模具被取出服务，并从其中切割标本用于金相和显微硬度实验。
3、结果与讨论
3.1测试块
3.1.1堆焊层微观组织
表面堆焊层的微观结构如图2所示。.树枝状结构和枝晶间碳化物可以在这张照片中看到。EDS分析表明枝晶间区域主要包括M23C6型碳化物和过饱和含量的Cr和Mo。这些碳化物是在固化过程中形成焊接层。由于焊接时的凝固速度非常高，基质是在Co中过饱和固溶体的合金元素（特别是Cr和Mo）。
图2.在磨损前堆焊层组织测试
磨损试验销的微观结构实验如图3所示。可以看出，这些之间没有相当大的差别微观结构和试验前的焊缝层;它包括树枝状晶体和一次碳化物。看起来即使在550℃下，测试持续时间（约41分钟）也是如此，不足以使碳化物显着沉淀。
3.1.2硬度
H11试块的热硬化处理后的宏观硬度为530HV。该堆焊试块的焊缝硬度分布（在磨损试验之前）如图4所示。堆焊的硬度在表面的每个深度处于同一水平。磨损试验后的硬度分布如图所示图5。在表面附近堆焊层的硬度增加。通过增加磨损试验温度，使硬度增加。 H11（非硬表面）销显示硬度在室温磨损试验后没有相当大的变化，但在550℃磨损试验后，销的宏硬度降至460HV。
图3.在磨损试验后硬化销的组织：a）室温和b）550℃
显微硬度（HV）
与表面的距离（mm）
图4.在磨损试验前堆焊层显微硬度分布
显微硬度（HV）
与表面的距离（mm）
（a）
显微硬度（HV）
与表面的距离（mm）
（b）
图5.在磨损试验后硬化销的显微硬度分布：a）室温和b）550℃
3.1.3磨损试验
磨损试验结果如图6所示温度，H11销磨损比硬面销磨损显示有更好的电阻（更低重量损失）。在400°C磨损H11销的电阻显着降低，而硬面销的耐磨性没有相当大的变化。 在550°C，耐磨性两个销与400℃相比增加硬面销显示出更好的电阻。比较室温和550°C的结果，磨损H11销的电阻通过增加而上升温度，而硬面的更多满足更高的温度。
重量损失（mg）
磨损试验温度（℃）
图6.磨损率（重量损失）结果
3.2关于测试块的结果的讨论
在H11销的情况下，在400°C时，磨损减少相对于室温测试的电阻可以是由于在较高的硬度和强度下降低温度。表面层转变为多回火结构造成相当大硬度和耐磨性降低。此外，由于局部金属氧化物形成表面及其在测试期间的去除，导致在H11销更多的重量损失和更低的耐磨性。应该注意，局部和分散的氧化物斑点相对于称为氧化 - 疤痕再氧化并导致磨损的减少抵抗性。另一方面，连续氧化物层可以作为表面上的陶瓷涂层并且可以保护其免受磨损，提供子层有足够的力量。由于在表面热点的摩擦形成局部氧化斑。在低环境温度这些氧化物是不连续和分散的，但在一些较高的环境温度这些氧化物可以聚集形成一个连续的涂层.形成这层后，磨损达到稳定状态之前的耐磨损性相对较低。这种连续的形成表面氧化层一段时间后，通常相比于400°C，在550°C下的耐磨性增加了。
在硬面销的情况下，在400°C与室内温度下得到的硬度没有大的变化。此外，由于氧化耐腐蚀性质的钴基超合金，可能发生氧化。因此，在耐磨性方面没有发生相当大的变化。在550°C的表面层形成约600HV的高硬度。表层变形与加工硬化是硬度增加的原因。
根据这些结果，似乎更高变形在表面和较高的温度，可以在硬面上导致更好的耐磨堆焊标本。因此，一个单一的模具表面堆焊和投入使用。
图7.在使用后的H11模具表面的显微照片
3.3模具
3.3.1 H11模具
3.3.1.1金相
在使用后H11模具的显微组织如图7所示。表面白色层（左）是马氏体和残余奥氏体的混合物。黑暗层是铁素体和碳化物的混合物。图8显示了在该层较高处的显微照片放大。可以看出，它包括纤细的铁素体基体中的球形碳化物。最后的子层（右图）是原来的回火马氏体。根据该显微照片，显然是模具表面达到足够高的温度表面层的奥氏体化。这种奥氏体由润滑剂淬火并形成提到马氏体。这种转变应该是每次都重复。热扩散到下一个层是不足够奥氏体化的。然而，在工作的总时间内，这是足够的使该层退火甚至球形碳化物。因此，一个非常硬的表面层（可能完全马氏体表面）和刚好在下面的非常低硬度的层已经在H11模具中形成。此外，在该表面上形成脆性氧化物层是可能的。
图8.在白色表面层下面子层的显微结构（图7）
模具表面具有太多的裂纹在图9中部分地示出。这些裂
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