H13钢是一种热作模具钢,其相对应的国标GB/T1299—2014中的牌号为4Cr5MoSiV1。H13钢母材在中温(约600 ℃)下的综合性能好,淬透性高,热处理变形率较低,使用寿命高,其具体成分见表1。H13钢常被用于模锻锤锻模、铝合金压铸模、热挤压模具、高速精锻模具及锻造压力机模具等。H13钢增材制造常用的方法有激光选区熔化(SLM)、激光能量沉积(DED)和电弧增材等。这些方法由于成型热源的不同,导致其增材工艺、微观组织和力学性能存在一定的差异。 H13钢增材件的微观组织中能够明显观察到胞状和树枝状的组织,并且在枝晶之间还分布有残余奥氏体组织。不同增材方法所得的枝晶和胞状晶形貌也略有差别,这主要是由不同的热输入(按照线能量密度进行比较)导致的。对于SLM来说,其热输入较小,胞状组织的直径一般为0.5~2 μm,如图6所示。而热输入较大的DED增材(其热输入是SLM的5~8倍)中胞状组织直径一般为2~30 μm,如图7所示,同时DED增材件中的二次枝晶要明显比SLM的粗大。学者研究还发现,在枝晶间即残余奥氏体位置多的区域Cr、Mo、V元素的含量明显较高。胞状组织是凝固过程中微观偏析的结果。热输入更大的电弧增材体(其热输入为DED的3~6倍)中则能够观察到块状的铁素体组织。在H13钢中富集的碳能够起到稳定奥氏体的作用,但H13钢增材体中奥氏体的形成目前还没有一个明确的解释。Holzweissig M J等认为奥氏体的形成是由于增材过程中自回火引起的碳扩散。Krell J等还发现了枝晶之间的δ铁素体和γ相。SLM增材件的晶体织构可能非常弱,强度与冷加工态相当,塑性是冷加工态的3倍,如图8所示,但是冲击吸收功只有14.4 J。
一般轧制态H13钢板的平均硬度值约为540HV,退火态的平均硬度值为250HV。采用SLM制备的H13钢增材体平均硬度值可达680HV;而DED增材件的硬度稍有降低,其平均值为600HV;电弧增材件的平均硬度为470HV。随着热输入的增大,增材体的平均硬度值降低,其中SLM和DED增材体的平均硬度值高于轧制态H13钢,电弧增材件的硬度值低于轧制态H13钢,但都高于退火态母材。 在1 038 ℃下固溶、482 ℃下时效后所得H13钢母材的抗拉强度平均值为1 900 MPa,屈服强度平均值为1 500 MPa。XUE L等采用DED所得的H13钢增材体的抗拉强度平均值为2 000 MPa,屈服强度平均值为1 200 MPa。Mertens R等的试验结果表明,SLM增材制造所得H13钢的屈服强度为1 236 MPa,抗拉强度为1 712 MPa,同时发现对粉床进行预热能够降低屈服强度并提高抗拉强度,但强度值均低于所对应母材。王庭庭采用电弧增材方法所得H13 钢薄壁件的最大抗拉强度为1 187 MPa,屈服强度为800 MPa。以上结果表明,H13钢增材体的抗拉强度和屈服强度都要低于固溶时效处理后的母材,所以增材体的后续热处理就显得尤为关键。H13钢增材体的热处理方法同母材一致,都是固溶时效,部分增材体也可以只进行时效处理。热处理后增材体的抗拉强度和屈服强度都有明显的提高,但还略低于母材。对增材件进行退火或时效处理后,增材件的强度可以与轧制态母材相当,但是伸长率还是会明显降低,这主要是由其内部的孔洞等缺陷造成的,如图9所示。
2.2 18Ni300钢的增材制造及其性能 |