基于GS-25CrMo4 的激光淬火工藝研究

王偉康，段振中，唐 亮，張?jiān)倮?/p>

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司,江蘇 常州 213011）

非公路自卸車是一種重型自卸車，具有運(yùn)輸距離短、載重量大、工作環(huán)境惡劣的特點(diǎn)。終傳動(dòng)作為其最后一級(jí)動(dòng)力傳動(dòng)裝置，承載了整車約67 %的質(zhì)量。因終傳動(dòng)集成度較高，為保證軸承拆解、組裝方便，通常將機(jī)架與軸承設(shè)置為間隙配合。由于機(jī)架配合面處硬度遠(yuǎn)低于軸承內(nèi)圈，易產(chǎn)生微動(dòng)磨損、降低機(jī)架工作精度和使用壽命[1]。因此，對(duì)機(jī)架配合部位進(jìn)行表面強(qiáng)化研究具有十分重要的意義。

當(dāng)前，常見(jiàn)的表面強(qiáng)化處理手段有滲碳淬火、感應(yīng)淬火、滲氮等，采用這些傳統(tǒng)工藝，對(duì)尺寸較大且僅局部強(qiáng)化的機(jī)架來(lái)說(shuō)，存在工藝復(fù)雜、熱影響區(qū)較大、組織分布不均勻等缺陷，無(wú)法滿足使用需求。相比傳統(tǒng)工藝，激光淬火有明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在工程機(jī)械領(lǐng)域，GS－25CrMo4 鑄鋼由于其良好的力學(xué)性能，使用較為普遍，然而與之相關(guān)的激光淬火工藝卻研究較少。鑒于此，對(duì)GS－25CrMo4 鑄鋼進(jìn)行激光淬火工藝進(jìn)行研究，以期通過(guò)研究此材料性能并進(jìn)行相應(yīng)的產(chǎn)品應(yīng)用，同時(shí)為其他激光淬火工藝的研究提供借鑒。

1 激光淬火

激光淬火技術(shù)是利用聚焦后的激光束將材料表面迅速升溫到相變點(diǎn)以上，當(dāng)激光移開(kāi)后，材料表面快速冷卻到馬氏體相變點(diǎn)以下，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料表面相變硬化。激光淬火具有加熱速度極快、表面光潔度高、淬火過(guò)程無(wú)需冷卻液、表面硬度高（一般不需要回火）、熱影響區(qū)與變形小、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，激光淬火通過(guò)保持功率及掃描速度不變，獲得均勻的相變硬化層[2-3]。

激光淬火的主要性能指標(biāo)為：表面硬度、有效硬化層深度、回火軟帶。其中，表面硬度、有效硬化層深度與材料成分、激光功率、掃描速度、材料表面的吸光率和熱物理性能等有關(guān)[4-5]。為提高材料表面對(duì)激光的吸收率，保證淬火效果，通常會(huì)在激光淬火前黑化工件表面，方法為噴涂法或磷化法[6]?；鼗疖泿c多道激光淬火搭接有關(guān)。由于激光光斑尺寸一般遠(yuǎn)小于零件的淬火區(qū)域，因而通常完成整個(gè)區(qū)域的淬火需要經(jīng)過(guò)多道激光淬火處理。多道激光淬火大多采用搭接方式，然而搭接區(qū)中，后道的激光淬火處理會(huì)使得部分前道所形成的馬氏體發(fā)生分解，形成回火軟帶[7-9]。

2 研究方法與試樣制備

2.1 研究方法

通過(guò)控制變量的方式分別改變激光功率、掃描速度、搭接情況，以研究GS－25CrMo4 表面硬度上限、有效硬化層深度（界限硬度45HRC）、回火軟帶。GS－25CrMo4 激光淬火后的表面硬度上限與其含碳量有關(guān)，其上限數(shù)值需要通過(guò)多組試驗(yàn)確定，因而本文采用多種激光功率、掃描速度組合進(jìn)行研究，直至表面出現(xiàn)微熔現(xiàn)象，以確認(rèn)其硬度上限及對(duì)應(yīng)的有效硬化層深度。結(jié)合機(jī)架應(yīng)用情況，優(yōu)先保證表面硬度。

回火軟帶與搭接情況有關(guān)。搭接區(qū)域相當(dāng)于二次淬火，GS－25CrMo4 作為鑄鋼材料，其內(nèi)部存在的鑄造缺陷會(huì)增加淬火裂紋風(fēng)險(xiǎn)。由于機(jī)架實(shí)際使用時(shí)為面接觸，局部軟帶區(qū)域可被接受。因而設(shè)置搭接、不搭接多種情況，以研究搭接回火軟帶、淬火風(fēng)險(xiǎn)、與不搭接的區(qū)別，研究不搭接情況下的最小軟帶區(qū)域。

試驗(yàn)采用型號(hào)為ZKSX－3012 的激光設(shè)備，激光光斑尺寸為19 mm×4 mm，鏡片距零件表面300 mm，通過(guò)程序控制掃描速度。

2.2 試樣制備

通過(guò)線切割截取試樣，其尺寸為80 mm×80 mm×200 mm。將試樣進(jìn)行拋光、脫脂、除銹、清洗、干燥處理。同時(shí)，為防止局部溫度過(guò)高、發(fā)生灼傷現(xiàn)象，在試樣表面涂敷吸光涂料增加吸光率，實(shí)現(xiàn)能量密度均勻分布[10]。試驗(yàn)材料為GS－25CrMo4 鑄鋼，GS－25CrMo4 鑄鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 GS－25CrMo4 鑄鋼的化學(xué)成分

3 工藝過(guò)程與結(jié)果

3.1 表面硬度和有效硬化層深度

多組激光功率、掃描速度工藝條件下對(duì)表面硬度和有效硬化層深度進(jìn)行研究，表面硬度和有效硬化層深度見(jiàn)表2。

表2 表面硬度和有效硬化層深度

從表中參數(shù)1～參數(shù)3 與參數(shù)5～參數(shù)6 可知，當(dāng)掃描速度一致、激光功率增加，表面硬度提高、有效硬化層深度增加；由參數(shù)3、參數(shù)5 可知，當(dāng)激光功率一致，掃描速度增加，表面硬度降低、有效硬化層深度下降，說(shuō)明激光功率和掃描速度對(duì)表面硬度和有效硬化層深度影響較大，可以通過(guò)參數(shù)組合探尋其硬度上限及對(duì)應(yīng)的有效硬化層深度；由參數(shù)1～參數(shù)4 可知，當(dāng)激光功率1 850 W、掃描速度4 mm/s時(shí)表面出現(xiàn)微熔現(xiàn)象，說(shuō)明此激光功率過(guò)大。為避免出現(xiàn)微熔現(xiàn)象、保證工藝穩(wěn)定性，認(rèn)為采用參數(shù)3對(duì)GS－25CrMo4 激光淬火獲得表面硬度接近其上限，即激光功率1 750 W、掃描速度4 mm/s、距離300 mm。GS－25CrMo4 激光淬火表面硬度上限約52.2HRC，有效硬化層深度1.15 mm。

3.2 回火軟帶

回火軟帶通過(guò)多道激光淬火方式研究，回火軟帶工藝方案如表3，其中方案1 搭接，方案2、方案3、方案4 不搭接。回火軟帶工藝方案示意圖如圖1。

圖1 回火軟帶工藝方案示意圖

表3 回火軟帶工藝方案

圖1（a）中的總硬化層深是指零件表面到顯微硬度或顯微組織相對(duì)于基體材料無(wú)明顯變化處的最大垂直距離。多道激光淬火后，測(cè)試表面硬度。沿與激光淬火掃描垂直的方向進(jìn)行金相試樣截取、制樣、觀察截面形貌，并進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試位置為距表面0.1 mm。測(cè)試時(shí)，以離搭接或間隙區(qū)邊緣約1 mm 的第1 道激光掃描處為起始點(diǎn)，垂直于掃描方向取點(diǎn)，取點(diǎn)范圍跨越1 個(gè)搭接區(qū)或間隙區(qū)。將測(cè)得的維氏硬度轉(zhuǎn)換為洛氏硬度。將硬度小于45HRC 的區(qū)域定義為軟帶區(qū)。距表面0.1 mm 處的硬度分布曲線－軟帶區(qū)測(cè)試結(jié)果如圖2。

圖2 距表面0.1 mm 處的硬度分布曲線－軟帶區(qū)測(cè)試結(jié)果

工藝結(jié)果：①4 種方案淬火區(qū)域的組織晶粒等級(jí)均為7～8 級(jí)；②方案1 和方案2 先后淬火的2 道之間不存在間隙，第2 道淬火對(duì)第1 道淬火的部分硬化區(qū)域進(jìn)行了回火，回火區(qū)的組織主要為回火屈氏體，方案3 和方案4 先后淬火的2 道之間存在間隙，中間保留原始的基材組織；③不同工藝距離表面0.1 mm 處的硬度均≥50HRC，方案1 淬火2 道之間的硬度約為33HRC，軟帶區(qū)寬度約0.5 mm，方案2淬火2 道之間的硬度約為30HRC，軟帶區(qū)寬度約1.1 mm，方案3 和方案4 淬火2 道之間的硬度約為21HRC（本體硬度），方案3 軟帶區(qū)寬度約1 mm，方案4 軟帶寬度約2 mm；④方案1 搭接回火區(qū)域，表面粗糙度較其他區(qū)域差。

由工藝結(jié)果①可知，淬火區(qū)域組織較好；由工藝結(jié)果②和工藝結(jié)果③可知，搭接方案的軟帶硬度高于不搭接方案軟帶硬度（本體硬度），但遠(yuǎn)小于淬火硬度，因此搭接對(duì)此區(qū)域的耐磨效果提升有限；同時(shí)，由工藝結(jié)果③可知，不搭接方案2、方案3、方案4 中，方案3 的軟帶區(qū)寬度最小，與方案1 搭接形成的軟帶寬度相差約0.5 mm，在應(yīng)用上相差較??；由工藝結(jié)果④推測(cè)，其粗糙度較差是由搭接位置二次淬火導(dǎo)致，可能會(huì)增加裂紋風(fēng)險(xiǎn)。綜合工藝結(jié)果與實(shí)際使用需求，采用方案3 可以獲得最佳性能，即激光功率1 750 W、掃描速度4 mm/s、距離300 mm、偏移量20 mm。

4 工藝應(yīng)用

由于機(jī)架價(jià)值高，因而一般采用與機(jī)架淬火區(qū)域相同尺寸的樣圈進(jìn)行驗(yàn)證，作為工藝評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此，采用方案3 的工藝參數(shù)對(duì)樣圈進(jìn)行驗(yàn)證。淬火時(shí)，周向間隙與軸向間隙保持一致（間隙1 mm），使中間保留基材組織。將先后2 道淬火周向閉合位置布置在非受力區(qū)域，并設(shè)置成相隔15～20 mm 的規(guī)則排列，以降低裂紋風(fēng)險(xiǎn)和微動(dòng)磨損。

淬火后，淬火組織均勻細(xì)小、無(wú)缺陷，表面硬度均在50HRC～55HRC 之間，平均值52.6HRC。先后2道淬火間隙1.119 mm，總硬化層深度1.664 mm。有效硬化層深度1.2 mm（界限45HRC），與試樣工藝結(jié)果一致。樣圈激光淬火截面硬度梯度如圖3。

圖3 樣圈激光淬火截面硬度梯度

對(duì)樣圈淬火前后產(chǎn)品尺寸變化測(cè)量，發(fā)現(xiàn)φ250 mm 和φ300 mm 的2 檔直徑，淬火后尺寸變大，變化值在0.05 mm 以內(nèi)，可用于工藝參考。

5 結(jié)語(yǔ)

1）激光功率、掃描速度對(duì)GS－25CrMo4 激光淬火后的表面硬度和有效硬化層深度影響較大，可通過(guò)控制變量的方式，通過(guò)多組試驗(yàn)，以表面出現(xiàn)微熔為判斷依據(jù)進(jìn)行研究。

2）回火軟帶性能可通過(guò)設(shè)置不同搭接情況，對(duì)比分析搭接與不搭接的區(qū)別，以確定最小軟帶區(qū)域?；鼗疖泿^(qū)域硬度33HRC 高于本體硬度21HRC、遠(yuǎn)小于淬火硬度（≥50HRC），此硬度用于面接觸的耐磨效果不明顯，同時(shí)二次淬火可能增大裂紋風(fēng)險(xiǎn)，故采用不搭接方式。

3）結(jié)合對(duì)GS－25CrMo4 激光淬火工藝研究、機(jī)架使用情況，確定工藝參數(shù)為激光功率1 750 W、掃描速度4 mm/s、距離300 mm、偏移量20 mm。激光淬火后，組織均勻細(xì)小、無(wú)缺陷，表面硬度平均值達(dá)52.6HRC，有效硬化層深度1.2 mm（界限硬度45HRC），可大大提高其耐磨性，滿足使用要求。

4）對(duì)于面接觸的鑄鋼零件，激光淬火時(shí)，建議采用不搭接方式，降低裂紋風(fēng)險(xiǎn)。

5）通過(guò)樣圈工藝應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工藝二次驗(yàn)證，證明工藝參數(shù)有效。同時(shí)，提出周向閉環(huán)位置可根據(jù)受力情況設(shè)置。