高功率激光淬火對35CrMo鋼表層組織與耐磨性能的影響

楊俊龍，黃 敏,2，胡柳益，劉永超，萬磊磊，王 宇

(臺州學(xué)院1.醫(yī)藥化工與材料工程學(xué)院，2.先進涂層材料研究所，臺州 318000)

0 引 言

35CrMo鋼具有強度高、韌性好、淬透性高和淬火變形程度小等特點，廣泛應(yīng)用于鉆桿接頭上[1]。在鉆桿使用過程中，接頭要經(jīng)常擰卸，其表面承受較大的鉗咬合力，因磨損造成的鉆桿接頭報廢量占報廢總量的90%以上。采用等離子噴焊[2]、滲氮[3]、滲硼[4]等表面強化技術(shù)可以提高鉆桿接頭的使用壽命，但存在噴焊層表面粗糙度大、化學(xué)滲氮和滲硼處理后螺紋連接處的斷裂韌性差以及螺紋連接處的使用壽命與鉆桿體相比仍較短等不足。激光淬火[5-6]以激光作為熱源，被處理工件吸收激光能量，表面溫度迅速升至奧氏體溫度區(qū)間，通過基體的迅速自然冷卻使金屬表面發(fā)生相變，獲取組織細小、位錯密度較高的馬氏體組織，實現(xiàn)表面淬火強化。采用激光淬火工藝對碳鋼(45鋼)、模具鋼(H13鋼)、軸承鋼(GCr15鋼)、鑄鐵等材料進行的表面處理表明，可在不改變工件尺寸和表面粗糙度的條件下極大地提高上述材料表面的強韌性、硬度和耐磨性[7-11]。激光功率、掃描速度和作用在材料表面上的光斑尺寸是影響激光淬火質(zhì)量最主要的工藝參數(shù)，其中：掃描速度和光斑尺寸通過影響奧體化的保溫時間來影響淬火轉(zhuǎn)變組織的晶粒尺寸和均勻性[12-13]；激光功率會顯著影響激光處理區(qū)域的溫度并決定奧體化程度，通過影響淬火組織的類型影響表面硬度。目前，激光淬火工藝通常所采用的激光功率僅為1 kW左右[14-16]，且在1 kW可調(diào)范圍內(nèi)激光束瞬間產(chǎn)生的溫度無明顯變化，但是尚未有通過大范圍改變激光功率來調(diào)控激光淬火組織和性能的相關(guān)報道。作者擬采用8 kW高功率激光器對35CrMo鋼表面進行淬火處理，在表面不熔化的前提下，通過提高激光功率控制基體的奧氏體化程度，研究不同高激光功率下35CrMo鋼表層的組織、硬度和耐磨性能，并與調(diào)質(zhì)態(tài)35CrMo鋼的進行對比。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為調(diào)質(zhì)態(tài)35CrMo鋼板，尺寸為40 mm×30 mm×10 mm，由江漢鉆具有限公司提供；其化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為0.33C，0.2S，0.65Mn，1.0Cr，0.22Mo，≤0.035P，≤0.035S；硬度為40 HRC。采用最大功率為8 kW的LDP 8000-60型半導(dǎo)體型激光器對鋼板表面進行淬火處理，激光波長為1 020 nm，離焦量為5 mm，激光掃描速率為8 mm·s-1，激光功率分別為1.6，2.4，3.2，4.0 kW。將經(jīng)過激光淬火的鋼板置于丙酮溶液中進行去酯、除銹，然后置于乙醇溶液中進行超聲波清洗，烘干。

在激光淬火后的鋼板上截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用體積分數(shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Zeiss Axio Scope-A1型正置光學(xué)顯微鏡觀察截面顯微組織。采用HMV-2T型顯微硬度計對截面硬度分布進行測試，從距表面0.1 mm處開始，沿深度方向每隔0.1 mm測試一次，平行測試3點取平均值，載荷為0.98 N，保載時間為10 s。采用MMW-1G型萬能摩擦磨損試驗機在室溫下進行銷-盤磨損試驗，對磨材料為硬度58 HRC的GCr15鋼，試欄尺寸為φ50 mm×10 mm，載荷為100 N，轉(zhuǎn)速為120 r·min-1，試驗時間為30 min；用精度為0.1 mg的FA2004 A型電子天平稱量磨損前后試樣的質(zhì)量，以磨損質(zhì)量變化率評價耐磨性能；采用Hitachi S4800 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損形貌，并用其附帶的能譜儀進行微區(qū)成分分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 對顯微組織的影響

由圖1可以看出：當(dāng)激光功率為1.6，2.4 kW時，試驗鋼表層組織主要為塊狀未溶鐵素體和回火馬氏體組織。35CrMo鋼中鉻、鉬合金元素增加了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，激光淬火過程的加熱和冷卻速率極快，回火索氏體組織發(fā)生不平衡轉(zhuǎn)變過程，快速加熱使奧氏體化溫度提高了近200 ℃[17]。當(dāng)激光功率較低時，鋼表面的溫度較低，接近35CrMo鋼的完全奧氏體化溫度(780～800 ℃)，且加熱時間短，無法實現(xiàn)表面區(qū)域內(nèi)所有組織的完全奧氏體化，因此冷卻后試樣表面存在較多的未溶鐵素體。同時，由于激光淬火過程中，相鄰道次間存在熱量堆積，淬火后的馬氏體會產(chǎn)生自回火，生成了顏色較深的回火馬氏體。當(dāng)激光功率增加到3.2，4.0 kW時，加熱溫度高，未溶鐵素體消失，試驗鋼表層組織全部為回火馬氏體；但在最表層出現(xiàn)了氧化層，這說明高激光功率產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致了試樣表面發(fā)生了較嚴重的碳燒損。

圖1 不同功率激光淬火后35CrMo鋼的截面顯微組織Fig.1 Section microstructures of 35CrMo steel after laser quenching at different power

2.2 對硬度的影響

由圖2可以看出，當(dāng)激光功率為1.6，2.4 kW時，試驗鋼表層的硬度在一定范圍內(nèi)低于基體，這主要是因為在低激光功率作用下，表層組織中存在的大量未溶鐵素體顯著降低了其硬度。當(dāng)激光功率提高到3.2，4.0 kW時，激光淬火后表層的平均硬度為640 HV，比調(diào)質(zhì)態(tài)35CrMo鋼基體的硬度提高了近45%，比常規(guī)水冷淬火硬度520 HV[18]提高了約20%。在激光功率為3.2，4.0 kW時，硬度在距離表面0.3 mm后才開始出現(xiàn)顯著增加，這主要是因為此時表面發(fā)生了嚴重的燒損，形成了較低碳含量的馬氏體；當(dāng)距表面距離超過0.3 mm后，所得馬氏體碳含量沒有損失，因此硬度顯著提高；隨著距表面距離的增加，溫度降低，組織中又開始出現(xiàn)了未溶鐵素體，所以硬度開始下降。在激光功率為3.2，4.0 kW時，硬度提高的最大深度分別為0.9 mm和1.6 mm，這說明激光功率越大，硬度提高的深度也越大；同時還可以看出，當(dāng)激光功率增加到4.0 kW 時，淬火硬度比3.2 kW時的硬度低，這主要是因為激光功率越高，淬火過程中相鄰道次組織受溫度影響越顯著，隨之產(chǎn)生的馬氏體自回火程度也越高。

圖2 不同功率激光淬火后35CrMo鋼的截面硬度分布曲線Fig.2 Section hardness distribution curves of 35CrMo steel after laser quenching at different powers

2.3 對耐磨性能的影響

由圖3可以看出：與調(diào)質(zhì)態(tài)35CrMo鋼相比，當(dāng)激光功率為1.6，2.4 kW時，激光淬火處理35CrMo鋼摩擦因數(shù)的波動幅度較大，這主要是由于該功率處理后鋼表面出現(xiàn)了較高含量的鐵素體，表面硬度較低導(dǎo)致的；當(dāng)激光功率增加到3.2 kW時，在摩擦磨損初期，摩擦因數(shù)出現(xiàn)了小幅波動，隨摩擦過程的進行，摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定，這是因為該功率處理后鋼表面出現(xiàn)了碳燒損層，待燒損層磨損后，表面的硬度較高，摩擦因數(shù)穩(wěn)定在一個相對較低的值；當(dāng)激光功率進一步提高到4.0 kW時，更高的溫度導(dǎo)致了更嚴重的燒損，因而因燒損層導(dǎo)致的摩擦因數(shù)波動經(jīng)歷了更長的時間，待燒損層磨損后，摩擦因數(shù)才逐漸穩(wěn)定；同時由于4.0 kW淬火后的35CrMo鋼淬火硬度低于3.2 kW淬火后，所以穩(wěn)定后的摩擦因數(shù)比3.2 kW時的大。

圖3 調(diào)質(zhì)態(tài)35CrMo鋼基體與不同功率激光淬火后的摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線Fig.3 Friction coefficient vs time curves of quenched and tempered 35CrMo steel substrate before (a) and after laser quenching at different power (b—e)

與硬度為58 HRC的GCr15鋼在大氣室溫環(huán)境中摩擦30 min后，調(diào)質(zhì)態(tài)35CrMo鋼與經(jīng)1.6，2.4，3.2，4.0 kW功率激光淬火后的磨損質(zhì)量變化率分別為0.042%，0.046%，0.043%，0.017%，0.020%。經(jīng)1.6，2.4 kW激光淬火后35CrMo鋼的磨損質(zhì)量變化率與調(diào)質(zhì)態(tài)35CrMo鋼差別不大。激光功率為3.2 kW時，35CrMo鋼的磨損質(zhì)量變化率最小。當(dāng)激光功率較低時，表面淬火效果不明顯，且表面硬度比調(diào)質(zhì)態(tài)基體的略低，因此耐磨性較差；隨激光功率的增加，表層硬化作用明顯，耐磨性提高顯著；同時由于激光功率為4.0 kW時，表面熱量堆積更明顯，馬氏體自回火程度高，所以耐磨性比激光功率為3.2 kW時略有降低。

由圖4可以看出：調(diào)質(zhì)態(tài)35CrMo鋼和1.6，2.4 kW激光淬火后的磨損表面均出現(xiàn)了明顯的磨痕，且存在明顯的犁溝，說明經(jīng)1.6，2.4 kW激光淬火的35CrMo鋼耐磨性幾乎沒有提高；經(jīng)3.2，4.0 kW激光淬火后磨損表面平整，未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損痕跡，但表面出現(xiàn)了一些磨屑。經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)，磨屑主要成分為鐵，未發(fā)現(xiàn)鉻和鉬，說明磨屑主要來自對磨盤，可見經(jīng)激光淬火后35CrMo的耐磨性優(yōu)于GCr15鋼。

圖4 調(diào)質(zhì)態(tài)35CrMo鋼基體與經(jīng)不同功率激光淬火后的磨損形貌Fig.4 Wear morphology of quenched and tempered 35CrMo steel substrate before (a) and after laser quenching by different power (b—e)

3 結(jié) 論

(1) 采用高功率激光器對35CrMo鋼表面進行淬火處理，當(dāng)激光功率為1.6，2.4 kW時，表層組織為塊狀未溶鐵素體+回火馬氏體；當(dāng)激光功率提高到3.2，4.0 kW時，未溶鐵素體消失，試驗鋼表層組織全部為回火馬氏體，同時表面存在碳燒損層。

(2) 當(dāng)激光功率為1.6，2.4 kW時，35CrMo鋼表層硬度略低于基體，當(dāng)激光功率提高到3.2，4.0 kW時，表層硬度均顯著高于基體，平均硬度達到640 HV，比常規(guī)水冷淬火后的硬度提高約20%；硬度提高的深度隨激光功率的提高而增加，當(dāng)激光功率為4.0 kW時，硬度提高的最大深度可達1.6 mm。

(3) 與GCr15鋼對磨后，1.6，2.4 kW激光淬火35CrMo鋼的磨損質(zhì)量變化率與調(diào)質(zhì)態(tài)基體的相差不大，磨損表面存在明顯磨痕，耐磨性較差；當(dāng)激光功率增加到3.2 kW時，磨損質(zhì)量變化率最小，表面未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損痕跡，耐磨性最好，但當(dāng)激光功率為4.0 kW時，馬氏體自回火程度高，硬度略微降低，耐磨性比激光功率為3.2 kW進時有降低。