激光淬火功率對45#鋼抗植物磨料磨損性能的影響

，，，，

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州理工大學機電學院，甘肅 蘭州 730070)

激光淬火功率對45#鋼抗植物磨料磨損性能的影響

萬芳新1，黃曉鵬1，吳勁鋒1，黃建龍2，張克平1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，甘肅蘭州730050；2.蘭州理工大學機電學院，甘肅蘭州730070)

本文以苜蓿草粉為典型植物磨料，系統(tǒng)研究了激光淬火功率對45#鋼抗植物磨料磨損性能的影響。試驗結(jié)果表明：在實驗條件下，材料表面硬度最大值可達679HV，材料硬度最大值在距表面0.2～0.4mm之間；激光淬火后的45#鋼抗植物磨料磨損性能遠高于未經(jīng)激光處理的試件。激光功率對材料硬度和耐磨性的影響趨勢并不完全一致，耐磨性最好的試件硬度并非最高；植物磨料對激光淬火后的45#鋼的磨損機理主要為顯微切削，與未經(jīng)激光淬火的試件相比，激光淬火后的45#鋼表面犁削深度明顯淺而窄，但當激光功率降至1750W時，塑變疲勞和碳化物剝落明顯增加。研究結(jié)論可為農(nóng)業(yè)機械金屬材料的耐磨性設計提供依據(jù)。

激光淬火； 功率； 45#鋼； 植物磨料； 磨損性能

1 引 言

植物磨料是一種軟磨料，對金屬的磨損屬于磨料磨損。植物磨料對金屬材料的磨損廣泛存在于農(nóng)業(yè)機械、農(nóng)產(chǎn)品加工、食品加工等行業(yè)，例如聯(lián)合收割機割臺的磨損，農(nóng)作物對耕作機械的磨損，制粒機、粉碎機、磨粉機、榨油機等關鍵部件的磨損失效[1-6]，它是影響相關行業(yè)機械使用壽命的主要原因之一，嚴重地制約了生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益的提高。

為了提高農(nóng)業(yè)機械抗植物磨料磨損的性能，研究人員采用常規(guī)熱處理、化學熱處理、熱噴涂技術進行了一系列的試驗研究，得到了一些有用的結(jié)論[7-12]。激光淬火也稱激光相變硬化，是激光強化工藝的一種，最終得到的金屬材料組織比常規(guī)熱淬火得到的組織更細小、位錯密度高、固溶碳含量高，硬度亦顯著高于常規(guī)淬火的硬度[13]。激光相變強化提高材料耐磨性的研究在工業(yè)領域已經(jīng)得到了廣泛的應用[14-17]，而國內(nèi)一些學者也將其應用于農(nóng)機材料抗土壤磨粒磨損的研究中，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，可以顯著提高材料的耐磨性和使用壽命[18-21]。

本文以農(nóng)業(yè)機械常用材料45#鋼為試驗材料，對其進行激光淬火處理，通過濕砂橡膠輪磨損試驗機的磨損性能試驗，系統(tǒng)研究激光淬火功率對45#鋼抗植物磨料磨損性能的影響，并分析其磨損機理。研究可為農(nóng)業(yè)機械關鍵部件選材及熱處理工藝的制訂提供依據(jù)。

2 實驗部分

2.1試驗材料與試驗設備

試驗設備：粉碎機、標準篩一套、電熱鼓風干燥箱；DL-HL-T10000B 型高功率橫流CO2激光器、HVS-1000型數(shù)字顯微硬度計、Neophot-21型光學金相顯微鏡；MLS-225型濕砂橡膠輪式磨料磨損試驗機、精度為0.1mg的分析天平、JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)。CO2激光器系統(tǒng)簡圖如圖1所示，最大額定功率為10KW。

圖1 DL-HL-T10000B 型橫流CO2激光器系統(tǒng)簡圖Fig.1 System sketch of DL-HL-T10000B type transverse CO2 laser

供試材料：植物磨料為甘農(nóng)三號紫花苜蓿，金屬材料為45#鋼，試件規(guī)格為57mm×24.5mm×6mm。

2.2試驗方法與步驟

將苜蓿草粉經(jīng)粉碎機粉碎，利用標準分級篩篩取6mm粒度的磨料。在電熱鼓風干燥箱內(nèi)105℃下干燥8h，待磨料溫度降至室溫后，進行配水實驗，調(diào)配成含水率6%的磨料，存貯于黑塑料袋里。

在進行激光淬火之前，用碳素墨汁(加入適量石墨粉混合均勻)對45#鋼試件進行表面預處理(黑化處理)。將試件放入丙酮溶液里在超聲清洗機中清洗干凈，然后在試件表面均勻涂抹一層碳素墨汁，以提高材料對激光的吸收率。利用DL-HL-T10000B 型高功率橫流CO2激光器，選定掃描速度為20mm/s、光斑直徑為2mm，制備激光功率分別為1750W、1900W、2050W、2200W的45#鋼激光淬火試件。采用HVS-1000型數(shù)字顯微硬度計測量不同激光淬火功率下45#鋼激光強化表面區(qū)和沿激光強化區(qū)深度方向的顯微硬度，加載重量為0.2kg，保壓時間為10s。采用Neophot-21型光學金相顯微鏡觀測其金相組織。

在MLS-225型濕砂橡膠輪式磨料磨損試驗機上，控制室溫在20℃～25℃，選取載荷250N、轉(zhuǎn)速200r/min，每10000r為1磨程，總計5個磨程，進行植物磨料對不同激光淬火工藝45#鋼的磨損試驗。所有試樣磨損試驗前后浸入丙酮溶液進行超聲清洗，采用精度為0.1mg的分析天平稱重，磨損前后質(zhì)量之差即為磨損失重，轉(zhuǎn)換為磨損體積，獲得其磨損率與磨損系數(shù)。每一試驗條件下進行三次試驗，取其平均值。磨損后金屬試樣用JSM-5600LV型掃描電鏡(SEM)觀察表面形貌，分析植物磨料對不同激光淬火工藝下45#鋼的磨損機制，探討激光淬火提高45#鋼抗植物磨料磨損的機理。

磨損試驗指標選取磨損率與磨損系數(shù)，分別通過式(1)、(2)獲得[22-23]。

(1)

式中，Q為磨損率，mm3/m；V為體積磨損，mm3；d為滑動距離，m。

(2)

式中，k為磨損系數(shù)，mm3/Nm；Q為磨損率，mm3/m；W為磨損試驗施加載荷，N。

3 結(jié)果與討論

3.1顯微硬度分析

圖2為不同激光功率處理下45#鋼的顯微硬度圖。在所選取的激光功率范圍內(nèi)，其表面平均顯微硬度在613HV～679HV之間，是基體顯微硬度271HV的2.26～2.51倍。激光強化提高材料表層顯微硬度，是因為激光的快速加熱及隨后的快速冷卻使奧氏體晶粒超細化，碳含量不均勻，導致發(fā)生了固態(tài)相變，得到的混合型馬氏體具有較高的硬度和強度。由圖2(a)可知，隨著激光功率的增加，試件表面顯微硬度開始時略有減小，此后逐步升高。但是若激光功率過大，試樣表面則會被熔化，形成粗大的馬氏體結(jié)構(gòu)，反而會使表面硬度下降。由圖2(b)可知，硬度的最大值并不在試件表面，而是在距表面0.2～0.4mm之間。激光功率為2200W時，最大硬度在距表面0.4mm處，達到730HV。激光硬化層的深度隨激光功率的增大而增加，這是由于隨著激光功率的增加，試件表面獲得的能量增多，加熱層的深度也增加，而在隨后自冷過程中得到含馬氏體的淬火組織，從沿深度方向硬度的分布曲線可以看出，激光淬硬層與基體之間有明顯的過渡區(qū)與熱影響區(qū)。

圖2 不同激光功率下45#鋼的顯微硬度 (a) 表面平均顯微硬度； (b) 沿深度方向顯微硬度的分布Fig.2 Microhardness of 45# under different laser power

圖3 不同激光功率下的磨損率與磨損系數(shù)變化曲線圖 (a) 磨損率； (b) 磨損系數(shù)Fig.3 Graphs of wear rate and wear coefficients under different laser power (a) Wear rate; (b) Wear coefficient

3.2磨損性能分析

圖3為不同激光功率處理下45#鋼的磨損率與磨損系數(shù)隨滑動距離增加的變化曲線。圖中可以看出，經(jīng)過激光處理后的45#鋼的耐磨性遠遠大于未經(jīng)激光處理的45#鋼。隨著激光功率的提高，材料的耐磨性也有一定程度的提高，但當功率達到2200W時，其磨損率與磨損系數(shù)又有所增加。結(jié)合圖2分析可知，激光功率對材料硬度及耐磨性的影響趨勢并不是完全一致的?？傮w來看，經(jīng)激光強化的材料，硬度高時其耐磨性也較高，材料的耐磨性與硬度不一致的原因是耐磨性還與材料的顯微結(jié)構(gòu)、晶粒大小及表面狀態(tài)等因素有關。在試驗所選激光功率范圍內(nèi)，耐磨性最好的是激光功率為2050W時處理的試件，而其表面顯微硬度并非4種激光功率下最高的。從圖中還可以看出，經(jīng)激光處理后的各試件磨損率與磨損系數(shù)的變化趨勢基本類似，均為近似線性，與未經(jīng)激光處理試件明顯不同的是磨損初期并無一個劇烈磨損期，只是在滑動距離超過4000m后，各試件磨損略有增加的趨勢，而激光功率為2050W的試件在整個磨損過程中的磨損率和磨損系數(shù)基本是穩(wěn)定而緩慢增加的。

3.3金相組織分析

圖4為激光淬火后45#鋼的金相組織照片。45#鋼的基體組織為珠光體+鐵素體，如圖4(a)所示。在激光淬火過程中，受到溫度梯度的影響，45#鋼從表面到內(nèi)部的溫度也由高到低各不相同，導致形成的組織形態(tài)也有很大的差異。圖4(b)為激光功率為2200W時的45#鋼金相組織全貌。從圖中可以看出，經(jīng)激光淬火后，沿深度方向上硬化區(qū)域可分為三層，依次為過熱區(qū)、相變硬化區(qū)和過渡區(qū)。

圖4(c)至4(e)為不同區(qū)域的金相組織。如圖4(c)所示，過熱區(qū)形成枝晶狀馬氏體和少量殘余奧氏體，由于結(jié)晶速度快，使得枝狀主干組織優(yōu)先增長，且方向與分界線垂直。微細的偏析也得到很大發(fā)展，橫截面的柱狀晶體呈現(xiàn)等軸晶狀的形貌，晶粒有許多小塊區(qū)域組成。由于含碳量大于0.3%，形成的馬氏體的硬度遠大于低碳鋼過熱區(qū)中形成的枝晶狀馬氏體的硬度。

相變硬化區(qū)的深度遠大于過熱區(qū)，此區(qū)域晶粒完全細化，如圖4(d)所示。顯微組織主要是隱晶馬氏體，為亞結(jié)構(gòu)位錯型板條馬氏體和孿晶馬氏體的混合結(jié)構(gòu)。此外，相變硬化區(qū)中，靠近過熱區(qū)存在相對粗大的板條狀和片狀馬氏體，隨著深度的增加，馬氏體逐漸變得細小和均勻，最終形成隱晶馬氏體，這一變化趨勢與沿硬化深度方向顯微硬度逐漸增加的趨勢相一致。

過渡區(qū)的組織如圖4(e)所示，主要由混合馬氏體、屈氏體和部分未熔的鐵素體所組成。同時因為顯微組織中具有組織遺傳性，因此局部仍然保持有珠光體的形態(tài)。由于存在溫度梯度的影響，這一區(qū)域通常為不完全硬化區(qū)，加熱溫度在Ac1～Ac3范圍之間[13]。由于沿深度方向溫度不同，導致相應的組織很不均勻，而硬度也明顯低于過熱區(qū)與相變硬化區(qū)，并逐步向基體硬度值過渡。

通過比較分析發(fā)現(xiàn)，激光淬火后45#鋼的顯微硬度與金相組織沿硬化層深度有一定的對應關系。表層過熱區(qū)組織為晶粒較大的枝晶馬氏體，硬度相對較低，而相變硬化層組織主要為晶粒細化的隱晶馬氏體，硬度較高，過渡層則為不完全硬化層，組織為混合馬氏體，硬度大幅下降。

圖4 激光淬火后45#鋼的金相組織照片(a) 45#鋼基體組織； (b) 45#鋼激光淬火后的金相全貌； (c) 表層過熱相變區(qū)； (d) 相變硬化區(qū)； (e) 過渡區(qū)Fig.4 Microstructure of 45# steel by laser quenching (a) Matrix structure; (b) Metallograph panorama by laser quenching; (c) Surface overheat phase trans formation region; (d) Phase transformation hardening region; (e) Transition region

3.4磨損形貌分析

圖5為苜蓿草粉對不同激光功率處理的45#鋼試件的磨損形貌照片。從圖5(a)中可以看出，未處理的45#鋼試件的磨損表面有大量深而寬的犁溝，有明顯的犁削現(xiàn)象，同時表面有塑變痕跡，并且已出現(xiàn)粘著磨損，其主導機制為顯微切削+粘著磨損。而經(jīng)激光處理后的試件其表面犁削深度相比未處理的試件明顯變得淺而窄，這是由于激光強化提高了金屬材料的表面硬度，從而降低了存在于植物磨料內(nèi)部的硬質(zhì)顆粒對材料表面的切削作用。由于激光相變硬化后顯微組織發(fā)生明顯細化，形成了枝晶狀馬氏體，馬氏體位錯密度很高。晶粒細化后，晶界數(shù)目增多，阻礙了疲勞裂紋的產(chǎn)生與擴展。此外，激光淬火過程中試件強化區(qū)表層產(chǎn)生的殘余壓應力也會阻礙金屬材料的滑移和裂紋的產(chǎn)生，因此激光強化后的試件在交變應力下疲勞磨損程度也明顯小于未經(jīng)處理試件。

從圖5(b)中可見，在激光功率為2200W時，試件磨損表面僅出現(xiàn)均勻且淺而窄的犁溝，而當激光功率降至1750W時，除了犁溝之外，還產(chǎn)生了少部分微裂紋與鑿削形成的凹坑，這些微裂紋有可能是馬氏體和奧氏體交界面的最大內(nèi)應力所造成的[24]。對比圖2分析可知，激光功率為1750W時，試件的表面顯微硬度和硬化層深度都明顯小于2200W時，這可能是激光功率為1750W時，激光密度相對較小，表面溫度低，珠光體中的碳未能完全溶解和擴散，從而不能完全產(chǎn)生馬氏體，造成其硬度和耐磨性下降。同時，激光功率較小時，試樣塑變疲勞和碳化物剝落現(xiàn)象明顯增加。碳化物的脫落在摩擦力作用下會對材料產(chǎn)生擠壓并產(chǎn)生塑性變形，形成孔洞和撕裂裂紋，從而加劇磨損。

45#鋼經(jīng)激光相變強化后，其表面硬度得到了極大的提高，且具備一定的硬化層深度，顯著提高了基體的承載能力。由于植物磨料的硬度較低，經(jīng)激光強化后磨料與被磨材料的硬度差異更大，原來磨料中硬質(zhì)顆粒的顯微切削及鑿削作用被明顯弱化了，同時磨料反復作用下因機械拋光去除的總量也大幅度下降，因此材料的耐磨性得到提高。

45#鋼激光相變硬化后的組織主要為細小的位錯馬氏體和孿晶馬氏體，板條馬氏體位錯密度很高，且還有一定量的殘余奧氏體。晶粒細化的馬氏體具有良好的機械性能，而高強韌性的奧氏體和細晶高碳馬氏體對提高材料耐磨性能具有重要作用[25-26]。晶粒細化后晶界會增多，疲勞裂紋擴展至晶界時被抑制，高密度位錯不僅提高了45#鋼的強度和硬度，還可以阻礙材料的滑移和疲勞裂紋核心的產(chǎn)生。同時位于板條馬氏體間的殘余奧氏體為一種韌性相，當裂紋擴展碰到韌性相時，由于韌性相發(fā)生塑性變形，會弛豫裂紋的應力集中，使裂紋鈍化，且塑性變形消耗能量，也會使疲勞裂紋的擴展受到阻礙，因此使馬氏體的疲勞強度得到提高，進而大幅度降低植物磨料對45#鋼的疲勞磨損(塑變疲勞、粘著疲勞)。

圖5 不同激光功率下的磨損形貌圖 (a) 未處理； (b) 激光功率2200W； (c) 激光功率1750WFig.5 SEM morphology of the abrasion surfaces of the 45# steel laser-quenched under different powers (a) Untreated; (b) 2200W; (c) 1750W

4 結(jié) 論

1.對45#鋼進行激光淬火處理，隨著激光功率的增加，試件表面顯微硬度開始時略有減小，此后逐步升高。激光淬火后，45#鋼硬度的最大值并不在試件表面，而是在距表面0.2～0.4mm之間。

2.經(jīng)激光淬火后，沿深度方向上硬化區(qū)域可分為三層，依次為過熱區(qū)、相變硬化區(qū)和過渡區(qū)。過熱區(qū)形成枝晶狀馬氏體和少量殘余奧氏體；相變硬化區(qū)的深度遠大于過熱區(qū)，此區(qū)域晶粒完全細化，顯微組織主要是隱晶馬氏體；過渡區(qū)的組織主要由混合馬氏體、屈氏體和部分未熔的鐵素體所組成。

3.經(jīng)過激光處理后的45#鋼的抗植物磨料磨損性能遠大于未經(jīng)激光處理的45#鋼。激光功率對材料硬度及耐磨性的影響趨勢并不完全一致。耐磨性最好的試件其硬度并非最高，但總體來看，硬度的增加對提高材料抗植物磨料磨損還是起到很大的作用。

4.植物磨料磨損后，經(jīng)激光處理后的試件表面犁削深度相比未處理的試件明顯變得淺而窄，同時其疲勞磨損程度也明顯小于未經(jīng)處理試件。在激光功率較高時，磨損表面僅出現(xiàn)均勻且淺而窄的犁溝，反之，還會產(chǎn)生少部分微裂紋與鑿削形成的凹坑。

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EffectofLaserQuenchingPoweronWearBehaviorof45#SteelAgainstPlantAbrasive

WANFangxin1,HUANGXiaopeng1,WUJingfeng1,HUANGJianlong2,ZHANGKeping1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China;2.CollegeofMechanicalandElectronicalEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)

Taking the alfalfa grass powder as the typical plant abrasive, the effect of laser quenching power on wear behavior of 45#steel against plant abrasive is studied systematically. The result shows that under the laboratory conditions, the maximum hardness of the material reaches 679HV, and the maximum hardness is located in 0.2-0.4mm beneath the surface of the material. Wear properties of the 45#steel after laser quenching against the plant abrasive outclass the sample of non-laser quenching. There is no consistent impact tendency of laser power between the hardness and wear resistance, and the sample which has the best wear resistance doesn’t have the best hardness. Wear mechanism of 45#steel after laser quenching against plant abrasive is mainly micro-cutting. Compared with the sample of non-laser quenching, the surface plough depth of the laser quenched sample is shallower and narrower. When the laser power is decreased to 1750W, fatigue of plastic deformation and spalling of carbides of the quenched material are increased significantly. The research can provide a theoretical basis for the durability design of agricultural machinery materials.

laser quenching; power; 45#steel; plant abrasive; wear properties

S817.12；TH117.3

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.05.007

1673-2812(2017)05-0719-06

2016-03-16；

2016-06-05

國家自然科學基金資助項目(51365002，51065001)，甘肅省自然科學基金資助項目(1506RJZA138)，甘肅農(nóng)業(yè)大學青年導師基金資助項目(GAU-QNDS-201204)

萬芳新(1976-)，女，副教授，碩士生導師，碩士，從事農(nóng)業(yè)機械裝備與材料摩擦磨損的研究，E-mail:wanfx@gsau.edu.cn。

黃曉鵬(1975-)，男，教授，碩士生導師，博士，從事農(nóng)業(yè)機械裝備與材料摩擦磨損的研究，E-mail:huangxp@gsau.edu.cn。