鐵基激光熔覆層超聲滾壓主加工參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

周 平 王 峰

（①重慶移通學(xué)院智能工程學(xué)院，重慶 401520；②重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 401520）

模具作為一種制備復(fù)雜部件的精密工具，通常需要構(gòu)建特殊的控制形狀，并且在實(shí)際使用過(guò)程中承受加工介質(zhì)的載荷作用，因此需要達(dá)到很高的力學(xué)強(qiáng)度、表面硬度以及精細(xì)表面結(jié)構(gòu)，這對(duì)模具生產(chǎn)制造技術(shù)提出了更高的要求，也在一定程度上促進(jìn)了機(jī)械加工業(yè)的進(jìn)步[1-2]。

熱作車軸鋼屬于現(xiàn)階段使用最廣泛的金屬成型材料，可以在服役期間承受劇烈沖擊載荷，由于模具控制型腔會(huì)跟高溫金屬發(fā)生接觸而造成溫度的頻繁變化，導(dǎo)致模具持續(xù)產(chǎn)生塑性變形，最終引起熱疲勞、表面磨損甚至整體斷裂的情況[3-4]。組成為4CrSMoSiV1 的EA4T 鋼具備優(yōu)異韌性與力學(xué)強(qiáng)度，已成為化工機(jī)械與材料加工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一類熱作車軸鋼[5-6]。模具最初發(fā)生失效的區(qū)域通常出現(xiàn)在表面位置[7]，因此可以通過(guò)改善表面質(zhì)量來(lái)延長(zhǎng)EA4T 車軸鋼的疲勞壽命[8-9]。當(dāng)熱作模具表面發(fā)生失效時(shí)，可以通過(guò)堆焊、噴涂和激光熔融等多種方法進(jìn)行修復(fù)并實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的效果[10-11]。經(jīng)過(guò)修復(fù)處理的熱作模具無(wú)法達(dá)到理想的尺寸控制精度與表面力學(xué)特性控制標(biāo)準(zhǔn)，還需對(duì)其實(shí)施機(jī)械與光整加工。其中，經(jīng)過(guò)修復(fù)后的表層粗糙度控制水平會(huì)直接影響其質(zhì)量與使用壽命，也可以通過(guò)優(yōu)化模具型腔表面組織結(jié)構(gòu)的方式使部件獲得更長(zhǎng)的服役壽命[12]。進(jìn)行模具加工時(shí)，拋光工作量占工作總量比例基本介于30%～40%，實(shí)際拋光效果較差[13]。滾壓作為一種低成本高效光整技術(shù)，可以利用滾壓方式來(lái)調(diào)整材料的粗糙度、硬度以及內(nèi)部應(yīng)力預(yù)計(jì)組織形貌特點(diǎn)，顯著增強(qiáng)修復(fù)層耐磨、耐腐蝕和耐應(yīng)力疲勞的綜合力學(xué)特性[14-15]。還有學(xué)者開發(fā)了超聲表面滾壓方法進(jìn)行表面鏡面加工，可以對(duì)熱作模具起到優(yōu)異的表面強(qiáng)化效果，從而實(shí)現(xiàn)低靜壓力、低能耗以及超聲減摩等多項(xiàng)強(qiáng)化效果。針對(duì)以上情況，可以利用滾壓加工代替部分的拋光加工過(guò)程，從而獲得更高的熱作模具維護(hù)效率。但到目前為止，只有少數(shù)學(xué)者對(duì)激光熔覆層開展超聲滾壓方面的研究工作達(dá)到了較理想的光整強(qiáng)化性能，但設(shè)置不合理工藝參數(shù)時(shí)，將無(wú)法有效發(fā)揮強(qiáng)化效果，甚至?xí)?duì)原先已有熔覆層造成結(jié)構(gòu)損害。

為了對(duì)鐵基激光熔覆層實(shí)現(xiàn)更優(yōu)光整強(qiáng)化的效果，本文采用超聲滾壓方法處理EA4T 鐵基激光熔覆層并對(duì)其表面組織形貌和制品質(zhì)量進(jìn)行了分析?？梢愿鶕?jù)本文研究結(jié)果為激光熔覆熱作車軸鋼提供超聲滾壓工藝優(yōu)化的理論參考，并為實(shí)際應(yīng)用過(guò)程提供理論指導(dǎo)，也可以促進(jìn)模具制造技術(shù)和修復(fù)能力的提高。

1 試驗(yàn)

1.1 激光熔覆層的制備

本實(shí)驗(yàn)選擇EA4T 車軸鋼作為測(cè)試對(duì)象，將基材尺寸加工為100 mm×100 mm×20 mm。本實(shí)驗(yàn)以鐵基合金粉末作為激光熔覆原料，該粉末的元素含量與物理性能參數(shù)見表1。

表1 鐵基粉末主要質(zhì)量分?jǐn)?shù)

實(shí)驗(yàn)開始前先以砂紙打磨去除EA4T 基體表面的氧化層與銹蝕物，之后將試樣浸入乙醇中超聲清洗，烘干鐵基合金粉待用。本研究選擇美國(guó)nLIGHT光纖激光器作為熔覆設(shè)備，可以達(dá)到2 000 W 的最大輸出功率。以同步送粉方式處理獲得激光熔覆層，通入N2完成粉末原料的輸送并對(duì)其提供惰性保護(hù)，避免融池接觸空氣而被氧化。表2 給出了激光熔覆的具體參數(shù)。

表2 激光熔覆參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)采用Micromeasure2 白光干涉儀表征了EA4T 車軸鋼的激光熔覆層微觀組織結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，表層最高輪廓約128.7 μm，不能直接應(yīng)用，還需繼續(xù)對(duì)激光熔覆層經(jīng)過(guò)表面銑削得到最終試樣。

1.2 激光熔覆層的銑削

銑削加工設(shè)備為KMC600 U 五軸立式加工中心。采用常規(guī)硬質(zhì)合金制備的刀具無(wú)法滿足激光熔覆層的銑削加工要求，較易引起磨損與崩刀的問(wèn)題。為確保對(duì)激光熔覆層進(jìn)行穩(wěn)定切削加工，本次采用SNMN120412 型氮化硼刀片。

1.3 熔覆層滾壓加工

為KMC600 U 五軸立式加工中心配備HK30G型超聲滾壓設(shè)備，將半徑尺寸為7 mm 的滾珠安裝于超聲變幅桿輸出端。新滾珠可以在工具座中靈活滾動(dòng)，不會(huì)受到阻滯作用，利用緊定螺釘控制滾珠沿軸向發(fā)生的竄動(dòng)，確保變化值在0.03～0.05 mm。開啟加工系統(tǒng)控制程序，確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)滾珠接觸工件表面，由此完成EA4T 車軸鋼熔覆層的滾壓過(guò)程。滾壓實(shí)驗(yàn)圖如圖1 所示，滾壓件如圖2 所示。

圖1 滾壓實(shí)驗(yàn)

圖2 滾壓件

1.4 性能表征方法

選擇TR200 表面粗糙度儀作為本次粗糙度測(cè)試設(shè)備，以此測(cè)定工件表面的粗糙度，同時(shí)利用HR-150A 洛氏硬度計(jì)測(cè)定試樣的表面硬度，最后采用PROTOiXRD 殘余應(yīng)力系統(tǒng)測(cè)定各工件殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面粗糙度分析

以同樣工藝條件對(duì)4 個(gè)表面粗糙度試樣開展?jié)L壓加工，超聲滾壓前后表面粗糙度結(jié)果如圖3 所示。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)工件表面進(jìn)行滾壓處理后，當(dāng)最初表面粗糙度較大時(shí)，形成的最終表面粗糙度也更大。滾壓加工也屬于等材加工的模式，主要通過(guò)“削峰填谷”作用來(lái)控制表面粗糙度，可以觀察到激光熔覆層表面形成了許多溝壑，如果不對(duì)熔覆層進(jìn)行銑削就實(shí)施滾壓加工將會(huì)降低光整程度。這就要求對(duì)激光熔覆層開展超聲滾壓前先對(duì)其銑削加工來(lái)減小粗糙度，顯著改善熔覆層滾壓光整性能。

圖3 超聲滾壓前后表面粗糙度關(guān)系

2.2 壓下量分析

為測(cè)試激光熔覆層在不同壓下量下的表面性能，設(shè)定了以下超聲滾壓工藝條件：電流1.1 A，步距0.03 mm，滾壓速度1 800 mm/min，保持靜壓力為0.6 MPa。處理前的試樣粗糙度為1.14 μm。圖4給出了各壓下量對(duì)應(yīng)的激光熔覆層硬度、粗糙度和殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。從上述結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，逐漸提高壓下量后，經(jīng)過(guò)超聲滾壓形成的表面粗糙度先降低再增加，當(dāng)壓下量達(dá)到0.10 mm時(shí)，熔覆層達(dá)到了最低表面粗糙度0.131 μm。不同壓下量對(duì)粗糙度產(chǎn)生影響的規(guī)律主要在于設(shè)定較小壓下量時(shí)，熔覆層存在明顯彈性恢復(fù)的過(guò)程，此時(shí)表面塑性變形程度不大，未獲得明顯的“削峰填谷”效果，影響了預(yù)期的滾壓光整性能；將壓下量提高到0.10 mm時(shí)，激光熔覆層發(fā)生了更明顯的塑性變形，能夠有效提升“削峰填谷”程度，可以獲得更理想光整效果；繼續(xù)提高壓下量后，激光熔覆層承受超過(guò)實(shí)際承載上限的滾壓力，從而在熔覆層表面產(chǎn)生明顯塑性變形，減弱了滾壓加工效果，造成表面粗糙度增大的結(jié)果。

圖4 壓下量對(duì)表面質(zhì)量的影響

對(duì)圖4 進(jìn)行分析可知，增大壓下量后，熔覆層硬度先增大再減小，并在壓下量達(dá)到0.10 mm 的條件下獲得了59.2 HRC 的最大硬度。這是由于處于較低壓下量的加工過(guò)程中，熔覆層主要以彈性變形為主，此時(shí)并未獲得預(yù)期的滾壓強(qiáng)化作用。提高壓下量后，滾壓頭將會(huì)在激光熔覆層中產(chǎn)生更大程度的擠壓，之后受到超頻循環(huán)沖擊預(yù)計(jì)靜壓力作用后，可以對(duì)激光熔覆層起到更強(qiáng)的加工硬化作用，從而獲得更高的表面硬度。壓下量大于0.10 mm 時(shí)，激光熔覆層可以跟滾壓工具頭形成更大接觸面，從而降低滾壓階段的超頻振動(dòng)強(qiáng)化效果。滾壓頭滾珠承受更大阻尼作用，此時(shí)滾壓區(qū)溫度也會(huì)因熔覆層和滾壓頭之間發(fā)生滑動(dòng)摩擦而快速升高，造成激光熔覆層軟化，減弱了超聲循環(huán)沖擊下所產(chǎn)生的滾壓強(qiáng)化作用，引起表面硬度的下降。

根據(jù)圖4 結(jié)果可知，提高靜壓力后，熔覆層受到滾壓頭更強(qiáng)擠壓作用，之后在靜壓力與超頻沖擊作用下形成了更細(xì)的熔覆層組織結(jié)構(gòu)，并且殘余壓應(yīng)力也進(jìn)一步提高。繼續(xù)增大壓下量后，滾壓頭滾珠受到了更強(qiáng)的阻尼作用，此時(shí)熔覆層和滾壓頭之間將會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的滑動(dòng)摩擦而導(dǎo)致溫度快速升高，造成熔覆層軟化以及殘余壓應(yīng)力減小的結(jié)果。

2.3 靜壓力分析

圖5 給出了不同靜壓力下的熔覆層硬度、粗糙度和殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，在靜壓力增大的過(guò)程中，試樣表面粗糙度先降低再增大，并在靜壓力達(dá)到0.45 MPa 時(shí)獲得了0.119 μm的最小粗糙度。保持較低靜壓力時(shí)，激光熔覆層的滾壓加工溫度也較低，此時(shí)可以略微提高靜壓力來(lái)增強(qiáng)滾壓“削峰填谷”的作用。如果形成過(guò)高靜壓力，則會(huì)降低滾珠滾壓頭超聲減摩作用，形成更粗糙的表面結(jié)構(gòu)。

圖5 靜壓力對(duì)表面粗糙度、殘余應(yīng)力和硬度的影響

根據(jù)圖5 可知，提高靜壓力后，熔覆層表面硬度先提高再降低，并在靜壓力達(dá)到0.65 MPa 時(shí)獲得59.5 HRC 的最高硬度值。滾珠和激光熔覆層之間的擠壓程度也與靜壓力呈現(xiàn)正相關(guān)變化趨勢(shì)，同時(shí)與超頻沖擊作用一起實(shí)現(xiàn)熔覆層硬化的效果，進(jìn)一步提高了熔覆層表硬度。靜壓力增大到0.75 MPa以上時(shí)，熔覆層將受到大于其承載上限的應(yīng)力，造成熔覆層明顯剝離的結(jié)果，熔覆層硬度快速減小。如果施加過(guò)大靜壓力也會(huì)造成熔覆層和滾壓頭之間形成更強(qiáng)烈滑動(dòng)摩擦作用，導(dǎo)致滾壓區(qū)溫度的快速升高，使試樣表面出現(xiàn)軟化而形成更小的表面硬度。

當(dāng)處于較低靜壓力下時(shí)，滾壓加工過(guò)程只產(chǎn)生很少熱量，最終獲得的殘余壓應(yīng)力取決于靜壓力與超聲循環(huán)的共同作用，因此熔覆層殘余應(yīng)力與靜壓力保持正相關(guān)變化規(guī)律。靜壓力達(dá)到0.55 MPa 以上時(shí)，熔覆層和滾壓頭之間產(chǎn)生更強(qiáng)的滑動(dòng)摩擦，引起滾壓接觸區(qū)域的溫度快速升高，使試樣表面發(fā)生明顯軟化，獲得了更小的殘余壓應(yīng)力。

2.4 滾壓速率分析

圖6 給出了各滾壓速率下得到的激光熔覆層粗糙度、硬度與殘余應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)。相比于壓下量與靜壓力的影響程度，滾壓速率引起激光熔覆層質(zhì)量的變化程度更小。提高滾壓速率后，試樣表面粗糙度呈現(xiàn)先降低再增大的變化特點(diǎn)，到達(dá)2 100 mm/min滾壓速率時(shí)獲得了0.145 μm 的最小粗糙度；以較小速率進(jìn)行滾壓時(shí)，提高滾壓速率后可以形成更均勻的變形區(qū)，從而獲得更小的表面粗糙度；隨著滾壓速率增大到2 100 mm/min 以上時(shí)，激光熔覆層與滾珠同時(shí)存在滑動(dòng)摩擦與滾壓摩擦，提高滾壓速率后，形成了更高比例的滑動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)形式，使熔覆層表層產(chǎn)生明顯劃痕缺陷，無(wú)法獲得理想的滾壓光整性能，形成了更粗糙的表面。

圖6 滾壓速率對(duì)表面粗糙度、殘余應(yīng)力和硬度的影響

圖6 測(cè)試結(jié)果顯示，熔覆層表面硬度受到滾壓速率的影響程度很小。增大滾壓速率后，熔覆層發(fā)生了表面硬度先升高再降低的變化趨勢(shì)，當(dāng)滾壓速率增加到2 100 mm/min 時(shí)，硬度達(dá)到59.4 HRC 的最大點(diǎn)。以較慢速率進(jìn)行滾壓時(shí)，提高滾壓速率后，激光熔覆層加工區(qū)受到了更多次的超頻循環(huán)沖擊作用，有助于材料表層獲得更均勻的塑性變形程度與加工硬化效果，同時(shí)形成了更細(xì)的表面組織，表面硬度也獲得了提升。持續(xù)增大滾壓速率時(shí)，滾壓接觸區(qū)域形成更高的溫度，表面組織發(fā)生軟化，在一定程度上減弱了超聲循環(huán)沖擊過(guò)程所產(chǎn)生的加工硬化程度，生成硬度更小的激光熔覆層。

根據(jù)圖6 可知，試樣測(cè)試得到的表面殘余壓應(yīng)受滾壓速率的影響程度很弱，當(dāng)滾壓速率由1 500 mm/min 增大到2 700 mm/min 時(shí)，此時(shí)在熔覆層表面形成了-421.3～-408.5 MPa 的穩(wěn)定殘余壓應(yīng)力。這是由于增大滾壓速率后，滾壓接觸區(qū)域?qū)?huì)形成更高的表面溫度，在上述兩方面因素作用下，殘余壓應(yīng)力保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.5 滾壓次數(shù)分析

圖7 所示為經(jīng)過(guò)不同次數(shù)滾壓得到的激光熔覆層硬度、粗糙度與殘余應(yīng)力。逐漸增加滾壓次數(shù)后，發(fā)生了表面粗糙度先降低再增大的變化結(jié)果，經(jīng)過(guò)3 次滾壓處理后，粗糙度減小到0.152 μm 的最低值。對(duì)于較少次數(shù)滾壓過(guò)程來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)提高滾壓次數(shù)彌補(bǔ)之前滾壓階段的遺漏區(qū)域，實(shí)現(xiàn)更均勻的滾壓光整效果，有效減小表面粗糙度。經(jīng)過(guò)3 次以上的滾壓處理后，滾壓次數(shù)過(guò)多會(huì)引起激光熔覆層受到過(guò)度擠壓而發(fā)生破壞的情況，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成片狀剝離以及形成位裂紋缺陷，無(wú)法精確控制試樣尺寸與組織形貌，影響滾壓光整性能。

圖7 滾壓次數(shù)對(duì)表面粗糙度、殘余應(yīng)力和硬度的影響

逐漸增加滾壓次數(shù)后，獲得的熔覆層表面硬度呈現(xiàn)先增大再降低的變化規(guī)律，經(jīng)過(guò)3 次滾壓達(dá)到58.9 HRC 的最高硬度。此時(shí)可利用設(shè)置更多滾壓次數(shù)的方式來(lái)彌補(bǔ)之前滾壓階段的遺漏區(qū)域，促使材料表層達(dá)到更大程度的塑性變形與加工硬化，顯著增強(qiáng)滾壓強(qiáng)化作用。繼續(xù)增大滾壓次數(shù)時(shí)，除了會(huì)減小超聲滾壓效率以外，還會(huì)造成激光熔覆層受到過(guò)多次數(shù)滾壓而出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，產(chǎn)生片狀剝離并生成裂紋缺陷。

通過(guò)分析圖7 結(jié)果可知，與滾壓速率的影響程度相近，改變滾壓次數(shù)時(shí)引起熔覆層表面殘余壓應(yīng)力的變化程度也很小，當(dāng)滾壓次數(shù)由3 次提高到9次時(shí)，在熔覆層中形成了-444.5～-410.6 MPa 的較穩(wěn)定殘余應(yīng)力。這是由于可以通過(guò)適當(dāng)提高滾壓次數(shù)的方式來(lái)獲得更均勻滾壓強(qiáng)化效果，達(dá)到增大殘余壓應(yīng)力的作用；此外，經(jīng)過(guò)更多次滾壓后，激光熔覆層在多次塑性變形中獲得飽和形變狀態(tài)，在最高殘余壓應(yīng)力下可以通過(guò)超聲滾壓來(lái)實(shí)現(xiàn)殘余壓應(yīng)力的釋放過(guò)程。

上述測(cè)試結(jié)果顯示，設(shè)定滾壓壓下量0.10 mm、滾壓速率2 100 mm/min、靜壓力介于0.45 ～0.65 MPa、滾壓3 次的條件下，采用超聲滾壓方法處理激光熔覆層能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異表面光整效果。

2.6 表面顯微組織分析

圖8a 所示為EA4T 車軸鋼初始表面顯微組織形貌，其中，熔覆層與基體交界處形成了明顯過(guò)渡晶帶。這是因?yàn)槭芨吣芗す庾饔煤螅辖鸱叟c基體方式互熔生成固溶帶，可以推斷熔覆層和EA4T 車軸鋼之間可以實(shí)現(xiàn)理想冶金結(jié)合效果。

圖8 超聲滾壓前后的表面組織

圖8b 所示為對(duì)超聲滾壓后的激光熔覆層進(jìn)行微觀形貌觀察得到的圖像。表層部位存在明顯塑性變形層。由于能量在變形階段是以逐層方式進(jìn)行傳遞，激光熔覆層塑性變形程度隨深度增加而降低，而晶粒尺寸發(fā)生了增大現(xiàn)象。

為進(jìn)一步研究超聲滾壓后的激光熔覆層是否產(chǎn)生物相上的變化，超聲滾壓前后的XRD 圖譜表征如圖9 所示，材料本身未發(fā)生變化，因?yàn)闈L壓后試樣表面未形成新相。由圖8 可知，由于超聲滾壓造成了試樣表層嚴(yán)重的晶格畸變，導(dǎo)致超聲滾壓后的峰值位置相比較滾壓前略有偏移，而且滾壓提高了(110)和(211)晶向的峰值強(qiáng)度，這主要是因?yàn)槌暆L壓后晶粒細(xì)化和殘余應(yīng)力等因素綜合原因?qū)е碌摹?/p>

圖9 超聲滾壓前后的XRD 圖譜

3 結(jié)語(yǔ)

（1）提高壓下量后，激光熔覆層表面粗糙度增大；提高靜壓力后，熔覆層表面硬度先增大再降低；提高滾壓速率后，試樣表面粗糙度先降低再增大；增加滾壓次數(shù)后，獲得的熔覆層表面硬度先增大再降低。

（2）確定最優(yōu)參數(shù)工藝：滾壓壓下量為0.10 mm、滾壓速率為2 100 mm/min、靜壓力介于0.45 ～0.65 MPa、滾壓3 次條件下，采用超聲滾壓方法處理激光熔覆層能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異表面光整效果。

（3）超聲滾壓后激光熔覆層表層部位存在明顯塑性變形層，激光熔覆層塑性變形程度隨著深度增加而降低，而晶粒尺寸則增大。