大型鍛件的激光相變強化

袁乃博，梁　鵬，蘇軍新，郭計山

（中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司 軋輥復(fù)合材料國家重點實驗室，河北邢臺 054025）

激光相變強化是利用高能光束使材料局部瞬間發(fā)生奧氏體化，隨后依靠金屬自冷誘發(fā)馬氏體相變，從而提高硬度、改善耐磨性。激光相變強化可以大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量，成倍的延長產(chǎn)品使用壽命，具有顯著的經(jīng)濟效益，已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)許多金屬產(chǎn)品上[1]。

大型鍛件產(chǎn)品具有強度高、韌性好等良好的綜合性能，但也存在耐磨性不足的問題，尤其是軸承等裝配位置，長期的接觸疲勞和磨損有可能造成大型鍛件產(chǎn)品的報廢。因此，對于大型鍛件產(chǎn)品的重點部位，采用激光相變強化，可以在保持心部良好韌性的前提下，提高產(chǎn)品表面耐磨性和抗疲勞性，延長產(chǎn)品使用壽命。

1　試驗材料與方法

試驗材料從大型鍛件產(chǎn)品上截取，試驗材料初始狀態(tài)為退火態(tài)，硬度30HSD，金相組織為珠光體+碳化物，如圖1所示。

將試樣加工成30mm×200mm×100mm試塊，將試塊200mm×100mm表面精磨至Ra1.2。激光強化前使用著色探傷，確認無表面缺陷后使用酒精清洗表面，去除油污等表面附著物。將試塊放在工作臺上，對200mm×100mm表面進行激光淬火，淬火后采用低溫回火。

激光器采用Laserline半導(dǎo)體激光器，自然冷卻（環(huán)境溫度15～25℃），不使用保護氣氛。

強化技術(shù)要求：硬度≥55HSD，深度≥0.9mm，表面無裂紋。

激光相變強化主要工藝參數(shù)為：激光功率、光斑尺寸、掃描速度、搭接值等。

激光相變強化后采用著色探傷，檢測其表面質(zhì)量；采用HL-300便攜式里氏硬度計檢測其表面硬度；采用X射線應(yīng)力儀檢測激光相變強化后應(yīng)力；采用線切割將試塊解剖，使用ZESSI顯微鏡和顯微硬度計檢測激光強化區(qū)橫截面的金相組織和顯微硬度。

2　試驗結(jié)果及討論

2.1　工藝參數(shù)和結(jié)果

2.1.1不同掃描速度下的淬硬層深度情況

表面硬度≥55HSD時，掃描速度與淬硬層深度的關(guān)系見表1。

2.1.2相同掃描速度不同光斑尺寸下的硬度-功率的關(guān)系

圖1　試驗材料初始態(tài)金相圖片

圖2　不同光斑尺寸時功率與硬度的關(guān)系

表1　不同掃描速度的淬硬層深度

圖3　激光強化橫截面的金相組織（50×）

表2　不同距離的顯微硬度

表3　距試樣表面不同深度的顯微硬度

2.1.3激光強化區(qū)橫截面的金相組織和顯微硬度

解剖激光淬火試塊，觀察橫截面金相，白區(qū)組織為隱針馬氏體+碳化物，黑白混合區(qū)為馬氏體+碳化物，黑區(qū)組織為馬氏體+珠光體+碳化物逐步過渡到珠光體+碳化物。

在激光強化區(qū)中部向深度方向每隔0.1mm檢測顯微硬度（HV），如表2所示。

2.1.4搭接區(qū)的硬度、金相組織和顯微硬度

檢測搭接區(qū)附近硬度（每隔0.5mm）：64.4、63.8、60.9、50.8、62.1、64.2。根據(jù)觀察，硬度最低點位于第二道光斑虛光邊緣。

解剖激光淬火試塊，檢測激光強化搭接區(qū)橫截面顯微硬度。

在激光淬火搭接區(qū)向深度方向（1）每隔0.1mm檢測顯微硬度，如表3所示。

在搭接區(qū)向第二道激光強化區(qū)方向（2）橫向檢測，距試樣表面0.1mm，每隔0.1mm檢測，顯微硬度依次為553、566、559、547HV。

在搭接區(qū)向第一道激光強化區(qū)方向（3）橫向檢測，距試樣表面0.1mm，每隔0.1mm檢測，顯微硬度依次為 541、536、519、553HV。

2.1.5激光強化后應(yīng)力分布

激光強化區(qū)為壓應(yīng)力，橫向壓應(yīng)力為423MPa，縱向壓應(yīng)力為475MPa；搭接區(qū)域中部為拉應(yīng)力，橫向拉應(yīng)力為60MPa，縱向拉應(yīng)力為20.6MPa。

圖4　搭接區(qū)圖片

2.2　試驗結(jié)果討論

2.2.1工藝參數(shù)與深度的關(guān)系

激光相變強化工藝參數(shù)主要是激光器輸出功率、掃描速度的快慢和作用在材料表面上光斑尺寸的大小，三者綜合作用直接反映了強化過程的溫度及其保溫時間。

激光淬硬層深度正比于激光功率，反比于光斑的尺寸和掃描速度。淬硬層深度隨著激光功率的增加、光斑尺寸和掃描速度的減少而增加，掃描速度對淬硬層深度的影響更為顯著[1]。

在表面硬度滿足技術(shù)條件的前提下，對比不同掃描速度的淬硬層深度，可以看出隨著掃描速度提高，淬硬層深度下降。掃描速度5mm/s時深度最深，但效率低；掃描速度6mm/s時，淬硬層深度能夠滿足技術(shù)要求，考慮工藝的保證性和效率問題，最終選取掃描速度6mm/s。

2.2.2工藝參數(shù)與深度的關(guān)系

隨著功率的增大，硬度相應(yīng)提高，但激光功率過大，材料表面的熱量過多，接近固相線時，會造成材料局部融化，出現(xiàn)硬度下降的情況。

本試驗中，對于不同光斑尺寸，均存在硬度峰值，當(dāng)功率繼續(xù)增加后，硬度反而下降，且表面質(zhì)量變差。

2.2.3激光相變強化區(qū)、搭接區(qū)的金相組織分析

激光表面強化處理的原理為相變硬化，是用高功率密度（104～105W/cm2）的激光束，照射軋輥表面，使之在極短的時間內(nèi)（10-2～10-3s）達到相變溫度發(fā)生相變，急速冷卻后生成相變硬化組織，其相組成主要是馬氏體、殘余奧氏體和碳化物。由于急速冷卻，晶粒超細化和碳化物細化及彌散分布，馬氏體呈隱晶態(tài)，且擁有極高的位錯能，馬氏體含量大大增加而殘余奧氏體明顯減少，紅硬性比常規(guī)淬火高，耐磨性也顯著提高[2]。

由于受激光作用區(qū)溫度呈徑向梯度分布的影響，強化區(qū)組織沿深方向發(fā)生了明顯變化。依其組織特征，可將強化區(qū)分為三層：第一層為表面完全淬硬層，其主要為馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體。由于激光快速加熱和冷卻的特點，使高溫下碳化物的溶解不充分，結(jié)果該區(qū)域所形成的馬氏體主要以低碳板條馬氏體為主。第二層為過渡層，因加熱溫度位于AC1～AC3之間，過熱度低，溫度梯度小，作用時間短，鐵素體間奧氏體轉(zhuǎn)變和滲碳體的溶解均不充分，結(jié)果冷卻后形成了馬氏體+珠光體+碳化物+少量殘余奧氏體[3]。第三層為熱影響區(qū)，由于加熱溫度已降至AC1線以下，原始組織為珠光體+碳化物，未發(fā)生相變。

搭接區(qū)由于受到第二道激光加熱的作用，具有回火軟化的效應(yīng)。搭接造成的軟化帶，使得表面硬度分布不一致。本試驗中，選取的搭接量比較大，因此軟帶很窄，且軟帶處表層金相組織也為隱針馬氏體+碳化物，具有較高的顯微硬度和極高的耐磨性，能夠滿足使用要求。

采用低溫回火，不會改變淬硬層組織形態(tài)，因此回火后其微觀組織基本上不會發(fā)生變化，而且回火能夠降低殘余應(yīng)力，避免裂紋出現(xiàn)。

2.2.4激光相變強化區(qū)的應(yīng)力分析

在激光相變強化后，金屬材料表面組織結(jié)構(gòu)的變化及表面相對于材料內(nèi)部的溫差的產(chǎn)生及消失，必將產(chǎn)生表面殘余應(yīng)力。本試驗中表層組織為隱針馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體，馬氏體相變造成體積增大，因材料組織轉(zhuǎn)變而發(fā)生的體積增大會產(chǎn)生壓應(yīng)力，而壓應(yīng)力對提高耐磨性和抗疲勞能力有很大作用。搭接區(qū)由于第二道光斑的回火效果，造成表面壓應(yīng)力降低甚至產(chǎn)生微小的拉應(yīng)力，低溫回火后應(yīng)力略有下降。

圖5　強化完成后的鍛件表面

3　大型鍛件產(chǎn)品的激光相變強化

在試塊激光試驗中，摸索了掃描速度、激光功率、光斑尺寸的最佳匹配組合，考慮大型鍛件強化的區(qū)域尺寸為?530mm×280mm，激光相變強化參數(shù)確定為：掃描速度6mm/s、光斑25mm、搭接0.7mm匹配合適的功率。激光相變強化后，強化區(qū)硬度≥60HSD，軟帶硬度≥50HSD，表面質(zhì)量良好，無裂紋。

4　結(jié)論

（1）采用激光相變強化后，淬硬層組織為隱針馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體，晶粒組織明顯細化，硬度顯著提高。

（2）激光相變強化區(qū)應(yīng)力為壓應(yīng)力，對提高耐磨性和抗疲勞能力有很大作用。

（3）激光淬火表面存在軟點，但軟帶幾乎沒有寬度，且組織為隱針馬氏體+碳化物，具有較高的顯微硬度和極高的耐磨性，能夠滿足使用要求。

（4）使用激光相變強化，適用性很強，可以根據(jù)強化區(qū)域尺寸選擇最合適光斑尺寸，整個生產(chǎn)過程不產(chǎn)生廢水、廢氣等污染物，符合國家環(huán)保生產(chǎn)的要求。

參考文獻：

[1] 關(guān)振中.激光加工工藝手冊[M].北京:中國計量出版社,1998.

[2] 朱捷.Cr12鋼激光相變硬化機理[J].金屬熱處理學(xué)報,1990,11(4):67-73.

[3] 徐春鷹.齒輪寬帶激光淬火組織和應(yīng)力分析[J].長安理工大學(xué)學(xué)報,2004（9）:22-24.