分享：激光淬火對(duì)不同預(yù)處理合金鋼表面組織和硬度的影響

0.   引言

18CrNiMo7-6鋼是制造滲碳齒輪常用的鋼材,在制造齒輪時(shí),通常會(huì)對(duì)該鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,再進(jìn)行表面滲碳淬火處理；而對(duì)于一些心部組織要求較高的大型齒輪,對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)預(yù)處理后,還需再進(jìn)行偽滲碳處理來調(diào)整心部的顯微組織,最后進(jìn)行表面滲碳淬火處理以改善表面性能。經(jīng)過上述處理后18CrNiMo7-6鋼“外強(qiáng)內(nèi)韌”[1],表面硬度可達(dá)700 HV以上。然而,滲碳淬火工藝存在生產(chǎn)周期長(zhǎng)、效率低、成本高、會(huì)產(chǎn)生有害氣體等問題[2]。激光淬火作為一種高效的表面強(qiáng)化技術(shù),具有淬火表面質(zhì)量高、適應(yīng)性好以及易實(shí)現(xiàn)局部淬火等優(yōu)點(diǎn),在不同合金鋼上得到了應(yīng)用[3-4]。楊俊龍等[5]研究了高功率激光淬火對(duì)35CrMo鋼表層組織和耐磨性能的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率為3 200 W時(shí),材料表面硬度最高,磨損率最小。REN等[3]研究發(fā)現(xiàn),激光淬火后45鋼表面能夠達(dá)到的最大硬度取決于材料本身,當(dāng)材料硬度提升到一定程度時(shí)激光功率與掃描速度對(duì)其硬度的提升不再明顯。WANG等[4]研究發(fā)現(xiàn),激光淬火后鑄鐵的表面硬度提高了4倍以上,表面殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力,摩擦因數(shù)也顯著提高。然而,目前未見關(guān)于激光淬火后18CrNiMo7-6鋼表面硬化效果的研究。18CrNiMo7-6鋼具有良好的淬透性,理論上可以更好地吸收激光能量并保持較高的溫度梯度,從而產(chǎn)生較好的硬化效果。 

作者對(duì)調(diào)質(zhì)預(yù)處理和調(diào)質(zhì)+偽滲碳處理后的18CrNiMo7-6鋼在不同激光功率和不同掃描速度下進(jìn)行激光淬火處理,研究了激光淬火對(duì)兩種預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬化效果的影響,為評(píng)估激光淬火代替?zhèn)鹘y(tǒng)滲碳淬火表面強(qiáng)化工藝的可能性提供參考。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為18CrNiMo7-6鋼,由沈陽鼓風(fēng)機(jī)有限公司提供,供貨態(tài)為正火態(tài),其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為0.18C,0.29Si,0.58Mn,1.59Ni,0.006P,0.001S,1.64Cr,0.31Mo,尺寸為?12 cm×10 mm。對(duì)試驗(yàn)鋼分別進(jìn)行調(diào)質(zhì)預(yù)處理和調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理：調(diào)質(zhì)預(yù)處理工藝為950 ℃保溫4 h空冷+650 ℃保溫2 h空冷,調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理工藝為調(diào)質(zhì)預(yù)處理+930 ℃保溫8 h空冷+850 ℃保溫2 h空冷+780 ℃保溫2 h+油冷至180 ℃空冷。采用FFSC-4000F型光纖激光發(fā)生器對(duì)預(yù)處理后的試驗(yàn)鋼進(jìn)行單道激光淬火處理,光斑為矩形,寬度為20 mm,長(zhǎng)度為1 mm。當(dāng)掃描速度為8 mm·s−1時(shí),激光功率分別為1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,3 500 W；當(dāng)激光功率為2 500 W時(shí),掃描速度分別為2,4,6,8,10,12 mm·s−1。 

在激光淬火后的試驗(yàn)鋼表層取樣,經(jīng)打磨拋光、體積分?jǐn)?shù)4%硝酸乙醇溶液腐蝕10~15 s后,采用Nikon-MA100型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織,并測(cè)量硬化層深度。采用MVC-1000B型維氏硬度計(jì)測(cè)試截面硬度,載荷為4.9 N,保載時(shí)間為15 s,從表面向基體方向每隔100 μm取點(diǎn)測(cè)試,相同深度測(cè)3個(gè)點(diǎn)取平均值。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   激光功率對(duì)硬化層組織的影響

由圖1可見：調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理后試驗(yàn)鋼的組織為低碳馬氏體+鐵素體,馬氏體呈現(xiàn)板條狀,未觀察到殘余奧氏體；調(diào)質(zhì)預(yù)處理后試驗(yàn)鋼的組織為索氏體。 

圖  1  不同預(yù)處理后試驗(yàn)鋼的顯微組織

Figure  1.  Microstructure of test steel after different pretreatments: (a) quenching-tempering + pseudo-carburizing pretreatment and (b) quenching-tempering pretreatment

激光淬火后試驗(yàn)鋼表層可分為表面硬化層、熱影響區(qū)和基體[6]。由圖2可見,不同功率激光淬火處理后,調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬化層組織仍主要為低碳馬氏體。激光快速加熱使試驗(yàn)鋼表面發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變,經(jīng)快速冷卻后形成以低碳馬氏體為主的組織。當(dāng)激光功率為1 000 W時(shí),由于功率較低,試驗(yàn)鋼表面奧氏體化程度不完全,表面組織未發(fā)生明顯變化；當(dāng)激光功率在1 500~2 500 W時(shí),隨著激光功率增加,奧氏體相變更加完全,晶粒細(xì)化,馬氏體數(shù)量增加；當(dāng)激光功率超過2 500 W時(shí),表層發(fā)生奧氏體化的區(qū)域增大,保溫時(shí)間延長(zhǎng),使得晶粒開始長(zhǎng)大,形成粗大的馬氏體組織[7],同時(shí)表面出現(xiàn)熔化現(xiàn)象,熔化區(qū)域出現(xiàn)粗大的板條馬氏體。 

圖  2  掃描速度8 mm·s−1、不同功率激光淬火后調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬化層組織

Figure  2.  Microstructure of surface hardened layer of quenching-tempering + pseudo-carburizing pretreatment test steel after laser quenching at scanning speed of 8 mm·s−1 and different powers

由圖3可見,不同激光功率下,調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼的表面硬化層組織基本以低碳馬氏體為主。當(dāng)激光功率為1 000 W時(shí),調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼的表面硬化層組織仍為索氏體,這是因?yàn)檩^低激光功率下表面未達(dá)到奧氏體化起始溫度,未形成奧氏體,也就沒有發(fā)生馬氏體相變；當(dāng)激光功率增至1 500 W時(shí),試驗(yàn)鋼表面發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變,并在快速冷卻過程中形成少量馬氏體,硬化層組織為低碳馬氏體和未轉(zhuǎn)變的索氏體；隨著激光功率的繼續(xù)增加,達(dá)到奧氏體化溫度的區(qū)域增大,區(qū)域內(nèi)發(fā)生完全奧氏體化,因此硬化層組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；當(dāng)激光功率為2 500 W時(shí),試驗(yàn)鋼表面出現(xiàn)熔凝組織[圖3（d）最上端],馬氏體組織發(fā)生粗化；當(dāng)激光功率為3 000,3 500 W時(shí),試驗(yàn)鋼表面同樣出現(xiàn)熔化凝固現(xiàn)象,組織中出現(xiàn)粗大的板條馬氏體。 

圖  3  掃描速度8 mm·s−1、不同功率激光淬火后調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬化層組織

Figure  3.  Microstructure of surface hardened layer (a–f) of quenching-tempering pretreatment test steel after laser quenching at scanning speed of 8 mm·s−1 and different powers

2.2   掃描速度對(duì)硬化層組織的影響

由圖4可見,當(dāng)掃描速度為2,4,6,8 mm·s−1時(shí),調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面出現(xiàn)熔化現(xiàn)象,硬化層表層組織主要為粗大的板條狀馬氏體,硬化層內(nèi)部組織為低碳馬氏體,隨著掃描速度增加馬氏體尺寸有所減小。當(dāng)掃描速度過慢時(shí),材料表面吸收的能量增大,冷卻后雖然得到了馬氏體組織,但是由于保溫時(shí)間更長(zhǎng),導(dǎo)致奧氏體晶粒長(zhǎng)大,得到的是粗大的馬氏體組織。當(dāng)掃描速度大于8 mm·s−1時(shí),試驗(yàn)鋼表面未發(fā)生熔化,硬化層組織主要為低碳馬氏體,當(dāng)掃描速度為12 mm·s−1時(shí)低碳馬氏體分布均勻。 

圖  4  激光功率2 500 W、不同掃描速度激光淬火后調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬化層組織

Figure  4.  Microstructure of surface hardened layer of quenching-tempering + pseudo-carburizing pretreatment test steel after laser quenching at laser power of 2 500 W and different scanning speeds

由圖5可見：當(dāng)掃描速度為2,4,6 mm·s−1時(shí),調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面發(fā)生熔化,未熔化區(qū)域發(fā)生完全奧氏體化,形成的硬化層組織與調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼相似,為低碳馬氏體；隨著掃描速度的增大,馬氏體組織變得細(xì)小,當(dāng)掃描速度為6 mm·s−1時(shí)硬化層組織全部為晶粒細(xì)小的板條馬氏體；當(dāng)掃描速度為8,10,12 mm·s−1時(shí)奧氏體化不完全,調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬化層組織為低碳馬氏體+索氏體。 

圖  5  激光功率2 500 W、不同掃描速度激光淬火后調(diào)質(zhì)預(yù)處理試樣表面硬化層組織

Figure  5.  Microstructure of surface hardened layer of quenching-tempering pretreatment test steel after laser quenching at laser power of 2 500 W and different scanning speeds

2.3   激光功率對(duì)硬化層深度及顯微硬度的影響

由圖6可見：隨著激光功率的增大,不同預(yù)處理試驗(yàn)鋼的硬化層深度均增大。調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼的硬化層深度由1 000 W功率下的110.25 μm增至3 500 W功率下的932.26 μm,當(dāng)激光功率大于3 000 W時(shí)硬化層深度的增勢(shì)減緩；調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼的硬化層深度由1 000 W功率下的14.18 μm增至3 500 W功率下的799.08 μm。激光功率的增加使得材料表面溫度升高,熱量向基體傳遞,導(dǎo)致奧氏體化區(qū)域增大,從而使硬化層深度增加。激光淬火后調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼的硬化層深度更大,這是由原始組織的形核能力決定的[8]。調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼的原始組織主要為低碳馬氏體,在奧氏體化時(shí),奧氏體更容易形核和長(zhǎng)大,奧氏體化區(qū)域增大導(dǎo)致硬化層深度更大。 

圖  6  不同功率激光淬火后不同預(yù)處理試驗(yàn)鋼的硬化層深度

Figure  6.  Depth of hardened layer of different pretreatment test steel after laser quenching with different powers

當(dāng)激光功率分別為1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,3 500 W時(shí),調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬度分別為306.5,445.3,447.8,463.9,425.4,419.2 HV?？芍寒?dāng)激光功率大于1 000 W時(shí)激光淬火后調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬度大幅提升（基體硬度約315.5 HV）。隨著激光功率的增加,表面硬度先增加后減小,當(dāng)激光功率為2500 W時(shí)表面硬度最高。這是因?yàn)榧す夤β实脑黾訒?huì)增加材料表面吸收的能量,提高相變驅(qū)動(dòng)力,加快碳原子的擴(kuò)散速率,促使奧氏體的形核,細(xì)化奧氏體晶粒,從而提高材料表面的硬度；當(dāng)激光功率過高時(shí),碳的擴(kuò)散速率更快,導(dǎo)致馬氏體碳含量降低,硬度降低,從而降低了表面硬度[9]。 

調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼基體的硬度為210.4 HV。當(dāng)激光功率分別為1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,3 500 W時(shí),激光淬火后調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬度分別為206.6,378.4,435.4,447.8,415.5,417.5 HV?？芍S著激光功率的增加,調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬度也先增后減,當(dāng)激光功率為2 500 W時(shí)最高。當(dāng)激光功率為1 000 W時(shí),由于激光能量密度較低,材料表面幾乎無硬化效果。對(duì)比可知,相同激光功率下調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼的硬化層硬度略高,但低于滲碳淬火處理后（700 HV）。 

2.4   掃描速度對(duì)硬化層深度及顯微硬度的影響

由圖7可見：隨著掃描速度的增大,調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理和調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼的硬化層深度均減小,當(dāng)掃描速度由2 mm·s−1增加到4 mm·s−1時(shí)減小趨勢(shì)最快,大于4 mm·s−1后變慢。相同掃描速度下,調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼的硬化層深度大于調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼。 

圖  7  不同掃描速度激光淬火后不同預(yù)處理試驗(yàn)鋼的硬化層深度

Figure  7.  Depth of hardened layer of different pretreatment test steel after laser quenching at different scanning speeds

當(dāng)掃描速度分別為2,4,6,8,10,12 mm·s−1時(shí),調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬度分別為400.7,425.2,431.9,463.9,452.8,473.8 HV,調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬度分別為418.2,402.4,457.9,447.8,443.4,438.2 HV。對(duì)于調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼,當(dāng)掃描速度為12 mm·s−1時(shí),其表面硬度最大,此時(shí)表面組織為分布均勻的低碳馬氏體；當(dāng)掃描速度小于12 mm·s−1時(shí),該鋼表面熔化,雖然也得到了馬氏體組織,但是馬氏體組織較粗大,表面硬度相對(duì)較低。對(duì)于調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼,當(dāng)掃描速度為6 mm·s−1時(shí)其表面硬度最大,這是因?yàn)樵摋l件下表面組織全部為晶粒細(xì)小的板條馬氏體。對(duì)比可知,相同掃描速度下調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼的表面硬度略高,但低于滲碳淬火處理后。 

3.   結(jié)論

（1）經(jīng)過調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理和調(diào)質(zhì)預(yù)處理的18CrNiMo7-6鋼在激光淬火后,表面硬化層組織基本以低碳馬氏體為主。 

（2）隨著激光功率的增加或掃描速度的減小,2種預(yù)處理試驗(yàn)鋼的硬化層深度均增加,對(duì)比可知,激光淬火后調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼的硬化層深度更大,表面硬度更高。調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼在激光功率2 500 W、掃描速度12 mm·s−1時(shí),表面硬度最高；調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼在激光功率2 500 W、掃描速度6 mm·s−1時(shí)表面硬度最高。激光淬火處理后2種預(yù)處理試驗(yàn)鋼的表面硬度（不高于475 HV）均低于滲碳淬火處理后（700 HV）。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)