65Mn彈簧鋼表面激光淬火的顯微組織及性能研究

杜成明， 朱錦云， 楊振， 李勇， 柳寧

(1.南華大學機械工程學院,湖南衡陽421001;2.衡陽中鋼衡重設備有限公司，湖南衡陽421000）

0 引 言

65Mn彈簧鋼是一種強度較高，具有一定塑性、韌性、彈性、淬透性和硬度的合金鋼，除制造彈簧外，在制造業(yè)中也被廣泛使用，其性能已達不到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的要求。為了提高65Mn彈簧鋼的性能，相關研究者使用不同的工藝方法進行探索，黃松偉等[1]采用剛玉砂輪在臥軸矩臺平面磨床上對65Mn鋼進行了磨削淬硬，研究了磨削方式對65Mn鋼磨削淬硬層組織、顯微硬度、淬硬層深度及其均勻性的影響，結(jié)果表明，磨削方式對磨削淬硬層顯微組織及其顯微硬度無顯著影響，但隨著磨削方式的改變，試件淬硬層深度及其均勻性相應改變。郭杰等[2]對65Mn鋼采用QPQ鹽浴復合處理技術進行表面強化改性處理，分析研究處理后試樣的顯微組織及性能，實驗結(jié)果顯示，試樣經(jīng)過處理后表面平整，滲層由內(nèi)到外依次為擴散層、化合物層、疏松層及氧化膜。袁曉明等[3]對旋耕刀提出表面滲鉻-淬火-回火熱處理的工藝，經(jīng)滲鉻熱處理后試樣的摩擦因數(shù)降低。對65Mn彈簧鋼采用其他工藝方法，以達到提高其性能的研究還有很多[4-6]。許多研究者還對65Mn彈簧鋼采用激光處理工藝，以提高其性能，嚴凱等[7]對65Mn鋼鋸齒進行激光淬火，觀察其組織和硬度；王宏立等[8]采用激光淬火在65Mn鋼表面制備了硬化層，以常規(guī)淬火-回火處理為參照，對比觀察兩種功率下65Mn鋼淬火表面的微觀組織、顯微硬度，并利用球-盤磨損試驗機對其摩擦學特性進行研究；黃永俊等[9]在經(jīng)過正火和淬火-中溫回火與熱處理后的65Mn彈簧鋼上，分別對試樣使用激光淬火和激光熔凝技術進行處理，研究了激光加工后的組織結(jié)構(gòu)及顯微硬度的變化規(guī)律，并探討了其影響因素。上述實驗結(jié)果都表明65Mn彈簧鋼的表面性能得到改善。關于65Mn彈簧鋼表面經(jīng)激光淬火后可以大面積廣泛使用的研究比較少。本文對65Mn彈簧鋼表面采用較大直徑光斑的激光進行淬火，研究經(jīng)過激光淬火后65Mn彈簧鋼表面的顯微組織和顯微硬度。研究結(jié)果對改進65Mn彈簧鋼表面性能，推進激光淬火在工業(yè)生產(chǎn)中的大范圍使用具有指導意義。

1 實驗材料與方法

1.1 制備實驗材料與樣品

試驗所使用的材料為65Mn彈簧鋼板，其原始尺寸為123 mm×120 mm×5 mm，化學成分如表1所示。將試樣分成兩組，其中一組采用激光淬火技術進行處理，另一組作為對照組不進行處理。

表1 65Mn 彈簧鋼的化學成分質(zhì)量分數(shù) %

試驗采用RFL-C3300光纖激光器。淬火前為去除試樣表面的氧化層及油污，將待加工表面用粗砂紙打磨，并放入丙酮和無水乙醇的混合液中在KQ-500E型超聲波清洗儀中清洗。使用激光淬火技術對試樣進行單道激光掃描，其工藝參數(shù)為：激光功率為1600 W，掃描速度為20 mm/s，光斑尺寸為12 mm×2 mm，空冷。

將經(jīng)激光淬火后的65Mn彈簧鋼，使用線切割技術沿垂直于激光掃描運動方向切割下尺寸為16 mm×6 mm×5 mm的試樣，將對照組的試樣同樣使用線切割機床在其斷面切下尺寸為16 mm×6 mm×5 mm的試樣。使用XQ-2B鑲嵌機對兩塊切割好的試樣進行鑲樣，將切割好的試樣制成橫截面金相試樣，然后使用砂紙對金相試樣逐級進行打磨，打磨使用的砂紙的順序依次為180目、400目、600目、800目、1200目、1500目、2000目，隨后再使用PG-2A拋光機進行拋光，最后使用4%的硝酸酒精溶液對試樣進行腐蝕，金相試樣制備完成。

1.2 實驗方法及樣品檢測

使用XJP-200光學顯微鏡觀察試樣表面和截面金相組織；使用JSZ6D型體視顯微鏡觀察試樣的橫截面整體形貌；使用HVS-1000AV顯微硬度儀檢測相變硬化區(qū)的硬度，在截面上，從表面到底面每隔50 μm取一個硬度測試點進行硬度測試，載荷200 g，保壓10 s，同一深度處測量5個點取其平均值。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖1為經(jīng)激光淬火后65Mn彈簧鋼試樣截面的整體形貌和顯微組織，試樣分為3個區(qū)域，由表及里依次為硬化層、過渡層和基體。可以看出，硬化層和過渡層的晶粒細小。

圖2 為65Mn 彈簧鋼經(jīng)激光淬火和未處理試樣的表面微觀組織圖。由圖2(a)可見，65Mn彈簧鋼經(jīng)激光淬火后得到的是大量細小的針狀馬氏體和彌散的碳化物，馬氏體具有高硬度、高強度的特點。由圖2(b)可見，未經(jīng)過任何處理的原始基材的表面組織主要為鐵素體和珠光體。當高能密度的激光束照射在65Mn彈簧鋼表面時，表面瞬間吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，當表面溫度超過相變點之后，達到奧氏體狀態(tài)，由于激光淬火之后試樣表面溫度下降很快，剛剛形成的奧氏體晶核來不及長大，最終形成了晶粒細小的針狀馬氏體及彌散碳化物。晶粒細小的針狀馬氏體和彌散碳化物是激光淬火后65Mn彈簧鋼表面性能提高的原因[10]。

2.2 顯微硬度

圖3為65Mn彈簧鋼激光淬火顯微硬度曲線。由圖可見，激光淬火后試樣的硬化層約為300 μm，硬化層硬度為772.5～978.5 HV0.2，在硬化層以下，隨著距表面距離的增加，試樣截面的硬度值急劇下降，直至和65Mn彈簧鋼基材的硬度值相同，趨于穩(wěn)定值。激光硬化層的最大硬度值約為基材硬度值的5.4倍。分析其原因，當激光作用于65Mn彈簧鋼表面時，表面溫度快速升高，在基體原始組織中的鐵素體和滲碳體的邊界很快生成奧氏體晶核，當激光光束離開基體后，基體快速空冷，碳原子來不及擴散致使珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)楹剂枯^高的奧氏體，轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚣毿〉尼槧铖R氏體晶粒及部分彌散碳化物，所以激光淬火的硬度很高[11]。

3 結(jié) 論

1)65Mn彈簧鋼經(jīng)過激光淬火處理后，表面呈現(xiàn)出月牙狀弧形形變硬化區(qū)，其顯微組織明顯細化且分布致密，主要由針狀馬氏體、殘余奧氏體及部分彌散碳化物組成；2)表層硬度明顯提高，硬度最高值達到978.52 HV0.2，約為基材表面硬度的5.4倍，硬化層深度約為300 μm；3)在使用激光單道掃描，且工藝參數(shù)為激光功率1600 W、掃描速度20 mm/s、光斑尺寸12 mm×2 mm，空冷的條件下，65Mn彈簧鋼的表面性能得到改善，對使用激光淬火大面積改善65Mn彈簧鋼的表面性能具有很大影響。