姜鶴明 ,李 勇 ,趙鑫達(dá) ,繆星旭
(浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院光電制造學(xué)院,浙江 溫州 325037)
奧氏體不銹鋼因具有良好的耐蝕性和冷加工性能而在閥門制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但相對(duì)較低的硬度和較差的耐磨性,縮短了不銹鋼閥門的使用壽命。在工程領(lǐng)域的應(yīng)用中,不銹鋼閥門容易出現(xiàn)磨損、劃傷甚至扭曲變形等問(wèn)題。其中劃傷和磨損與不銹鋼的硬度較低有關(guān),因此需要提高閥門材料的硬度和耐磨性以保證其在復(fù)雜工況下正常工作[1-2]。
利用高能量密度的激光束輻照在不銹鋼基材表面,在“急熱急冷”激光熔凝強(qiáng)化處理后,可以獲得細(xì)化晶粒的組織,提高不銹鋼的硬度[3-6]。與其他表面工程技術(shù)相比,激光熔凝強(qiáng)化技術(shù)工藝簡(jiǎn)單,有利于環(huán)境保護(hù),是一種比較節(jié)能的表面處理方法[7-8]。
本文利用半導(dǎo)體激光常見(jiàn)閥門材料不銹鋼進(jìn)行熔凝強(qiáng)化處理,并對(duì)試樣的顯微組織、耐磨損性能進(jìn)行測(cè)試和分析,為研究出具有高耐磨性的球閥提供定量的試驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)材料為 304不銹鋼,試樣尺寸為 40 mm×40 mm×15 mm,實(shí)驗(yàn)用304不銹鋼成分如表1所示。
分別采用100目、300目及800目砂紙對(duì)其表面進(jìn)行除銹處理,并用酒精清洗表面。接著,利用RFL-A1000半導(dǎo)體激光器對(duì)試樣進(jìn)行強(qiáng)化處理,激光掃描的同時(shí)采用工業(yè)用氮?dú)獗Wo(hù)強(qiáng)化層,減少高溫下氧化帶來(lái)的影響,掃描激光波長(zhǎng)為1 064 μm,聚焦鏡焦距為40 mm,激光光斑直徑為2.5 mm。試驗(yàn)采用激光功率為800 W,掃描速度6 mm/s。試樣激光熔凝強(qiáng)化后宏觀表面形貌及掃描路徑圖如圖1所示。
圖1 激光熔凝表面宏觀形貌和掃描路徑圖
利用電火花線切割機(jī)沿著截面方向切割激光強(qiáng)化后試樣,并對(duì)試樣進(jìn)行打磨和拋光。分別采用Lecia DM2500光學(xué)顯微鏡、HV-1000A顯微硬度計(jì)對(duì)試樣表面進(jìn)行檢測(cè)和分析。利用MSR-2T型電化學(xué)往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)儀對(duì)樣塊進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),載荷為500 g,試驗(yàn)時(shí)間為20 min。試驗(yàn)后采用Phenom XL電子顯微鏡表征其磨損形貌。
表1 304不銹鋼的化學(xué)成分 單位:%
將圖中強(qiáng)化區(qū)沿垂直于激光掃描方向的位置做切面,得到強(qiáng)化區(qū)橫截面形貌如圖2所示,強(qiáng)化層的組織比較致密,沒(méi)有明顯的孔隙、裂紋等缺陷,強(qiáng)化區(qū)通過(guò)激光掃描獲得的能量密度較大,深度值較高,為179.7 μm。
圖2 304不銹鋼激光熔凝側(cè)面形貌圖
單道激光強(qiáng)化層截面為月牙形,如圖2中(A)區(qū)域所示,強(qiáng)化層與基材交接區(qū)域?yàn)榻频牟ɡ诵?,如圖2中(B)區(qū)域和(D)區(qū)域所示,多道搭接處如圖2中(C)區(qū)域所示。多道搭接的激光強(qiáng)化層中有多個(gè)區(qū)域,如圖3中激光熔凝區(qū)(Re-melting Zone)、熱影響區(qū)(Heat Affected Zone)、重疊影響區(qū)(Temper Affected Zone)、基體(Substrate)。
圖3 激光熔凝多道搭接示意圖
其中,激光熔凝區(qū)(Re-melting Zone)主要為不銹鋼材料表面在激光的照射下,晶格與自由電子相碰撞而產(chǎn)生熱振動(dòng),從而把光能轉(zhuǎn)換熱能快速升溫,進(jìn)而導(dǎo)致表層快速熔化形成熔池。由于激光高能量密度的特點(diǎn),激光輻照區(qū)域表層的溫度升高和降低非??焖伲@樣“急熱急冷”的過(guò)程致使晶粒生長(zhǎng)時(shí)間短,熔凝區(qū)中大部分組織形核來(lái)不及長(zhǎng)大就凝固,形成與基體相比晶粒更細(xì)小的組織[9-10]。
熱影響區(qū)(Heat Affected Zone)位于熔凝區(qū)之下,在熔凝層之下基材之上的組織,主要吸收表層的熱量,進(jìn)一步傳遞至基材。一般伴隨著吸熱和散熱的過(guò)程,熱影響區(qū)組織存在淬火區(qū)域?qū)е陆M織的變化,由于本次熔凝基材為奧氏體不銹鋼,組織并無(wú)明顯變化。在多道搭接的試樣中存在重疊影響區(qū)(Temper Affected Zone),此區(qū)域組織在一次熔凝結(jié)束后,再次受到搭接的光束輻照影響而熔化再次凝固。
激光先掃描區(qū)域由于吸收激光能量而升溫,正是存在這樣的熱積累現(xiàn)象,導(dǎo)致后掃描區(qū)域與先掃描區(qū)域相比較,熔凝強(qiáng)化層深度和寬度都有所增加[11]。
在激光熔凝強(qiáng)化后,隨機(jī)選取試樣表層位置A和位置B取點(diǎn)測(cè)試顯微硬度數(shù)據(jù)點(diǎn),沿著表層至基材方向垂直取點(diǎn),每點(diǎn)間距20 μm,顯微硬度載荷300 g,測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,在距離表層100 μm以內(nèi)處的硬度值最高在270 HV0.3~300 HV0.3之間,100 μm~180 μm處開(kāi)始緩慢下降至200 HV0.3左右,180 μm以后硬度基本穩(wěn)定在304不銹鋼基體的硬度并且趨于穩(wěn)定。
圖4 激光熔凝側(cè)面硬度折線圖
對(duì)比發(fā)現(xiàn),激光熔凝后試樣的顯微硬度最高值位于次面層區(qū)域60 μm~80 μm處,最表層受到“急熱急冷”下應(yīng)力的影響存在一些孔隙或微裂紋等缺陷導(dǎo)致最表層顯微硬度值偏低。同時(shí)由于多道搭接的情況下熱量積累而改變了熔凝的初始條件,導(dǎo)致先掃描區(qū)域的初始溫度低于后掃描區(qū)域。
由以上顯微硬度的測(cè)試結(jié)果可知,由于激光熔凝強(qiáng)化可以獲得細(xì)化的組織,因此有效地提高了不銹鋼的表層顯微硬度。熔凝強(qiáng)化層的深度受到激光掃描速度、能量密度等工藝因素的影響,激光熔凝強(qiáng)化區(qū)域組織晶粒細(xì)化硬度明顯提高。而基材組織微奧氏體,激光熔凝過(guò)程中沒(méi)有相變發(fā)生。熔凝層次表層的平均顯微硬度最大,其最高值為294 HV0.3,這相對(duì)基體硬度提高了47%左右。
為研究激光熔凝對(duì)試樣摩擦機(jī)理的影響,測(cè)試了未處理304不銹鋼(一號(hào)試樣,摩擦系數(shù)A)和經(jīng)過(guò)激光熔凝處理試樣(二號(hào)試樣,摩擦系數(shù)B)的摩擦系數(shù),加載載荷500 g,測(cè)試時(shí)間為20 min。測(cè)試摩擦系數(shù)圖如圖5所示,其中一號(hào)試樣摩擦系數(shù)在2 min后逐步穩(wěn)定在1~1.3之間,摩擦系數(shù)變化幅度比較大,在4 min~6 min快速上升之后又在6 min~8 min快速下降,說(shuō)明在此階段摩擦機(jī)理出現(xiàn)變化,初步判斷是粘著磨損或疲勞磨損導(dǎo)致材料剝落的磨屑導(dǎo)致。
圖5 未處理的一號(hào)試樣(A)與激光熔凝的二號(hào)試樣(B)摩擦系數(shù)圖
對(duì)比經(jīng)過(guò)激光熔凝處理的二號(hào)試樣,摩擦系數(shù)在經(jīng)過(guò)初步的咬合期6 min后,摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定在1~1.1,之后較少出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)變化,初步判斷其中剝落的磨屑數(shù)量少于未處理的試樣。同時(shí),二號(hào)試樣咬合期長(zhǎng)于一號(hào)試樣,是因?yàn)榻?jīng)過(guò)激光處理后的試樣硬度提高,耐磨性優(yōu)于未處理的試樣。
未處理一號(hào)試樣與激光熔凝二號(hào)試樣磨痕形貌分別如圖6(a)和(b)所示??梢钥闯?,經(jīng)過(guò)激光熔凝強(qiáng)化的二號(hào)試樣比一號(hào)試樣磨損剝落的面積顯著減少,不銹鋼的耐磨損性能明顯改善。二號(hào)試樣經(jīng)過(guò)激光熔凝強(qiáng)化處理在不銹鋼表面獲得了細(xì)化的等軸晶組織,提高了組織的硬度,從而獲得更佳的耐磨損性能。
圖6(a)是未經(jīng)強(qiáng)化處理的不銹鋼表面,可見(jiàn)更為寬大,且存在較多大小不一的剝落后呈現(xiàn)黑色的區(qū)域,磨損較為嚴(yán)重;圖6(b)是經(jīng)過(guò)激光熔凝強(qiáng)化后的不銹鋼表面,其磨痕較淺、較細(xì),且剝落的區(qū)域較少,試樣的磨損較輕微,主要磨損機(jī)制為少量的粘著磨損和少量的磨粒磨損。
圖6 未處理一號(hào)試樣與激光熔凝二號(hào)試樣磨痕形貌圖
1)采用激光熔凝強(qiáng)化技術(shù)可在304不銹鋼表面獲得厚度達(dá)到179.7 μm強(qiáng)化層,單道熔凝層顯微硬度最高值可達(dá)290 HV0.3以上,熔凝層平均硬度約為250 HV0.3~280 HV0.3,較基材提高了25%以上。
2)激光熔凝強(qiáng)化技術(shù)顯著改善了304不銹鋼閥門的表面耐磨性能,熔凝試樣主要磨損機(jī)制為少量磨粒磨損和少量粘著磨損,熔凝層耐磨性能明顯提升。