劉慶剛，郭彥書，于新奇，劉 麟

（1.河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018；2.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，常州 213164）

0 引言

激光表面淬火可以大幅度提高金屬表面的硬度和耐磨性，并使金屬表面處于殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，提高金屬的耐疲勞性能，是一種常見的金屬表面強(qiáng)化工藝[1～4]。影響激光表面淬火的主要工藝參數(shù)包括光斑直徑、激光功率、掃描速度等[5～8]。本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方式，研究上述參數(shù)對(duì)激光表面淬火后表面層硬度、淬硬層深度以及表面殘余應(yīng)力分布的影響，具有一定的意義。

1 試驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料從某鍛鋼產(chǎn)品上取下，初始熱處理狀態(tài)為退火狀態(tài)，表面硬度為30HS（207HV），其金相組織如圖1所示。

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)材料主要由珠光體和碳化物組成，組織分布均勻，不存在偏析等缺陷。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1）試樣

實(shí)驗(yàn)中，試樣實(shí)驗(yàn)表面尺寸為100mm×100mm，厚度取30mm，實(shí)驗(yàn)表面需加工至表面粗糙度小于Ra1.6，去除油污等備用。

2）實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)試設(shè)備

圖1 實(shí)驗(yàn)材料金相組織

將試樣置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，激光表面淬火后自然冷卻，不使用氣體保護(hù)，然后進(jìn)行低溫回火。實(shí)驗(yàn)中，激光器采用Laserline半導(dǎo)體激光器，采用HV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)試淬火后的表面層硬度，采用HL-300型肖氏硬度計(jì)測(cè)量表面硬度，采用X射線衍射方法測(cè)定淬火后試樣的殘余應(yīng)力。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 表面淬火區(qū)域金相組織

經(jīng)過(guò)激光表面淬火后的區(qū)域沿著厚度方向的金相組織如圖2所示。

圖2 激光表現(xiàn)淬火后橫截面的金相組織（50X）

如圖2所示，表面淬火區(qū)域的組織主要為隱晶馬氏體，由于隱晶馬氏體難以在普通金相顯微鏡下觀測(cè)，因此整體呈白色；白色與黑色相間的區(qū)域組織主要為隱晶馬氏體和碳化物的混合組織，并逐漸過(guò)渡到基體的珠光體和碳化物的混合組織。

2.2 激光功率對(duì)硬度的影響

控制淬火后的表面硬度為65HS，研究相同光斑移動(dòng)速率條件下光斑直徑與所需功率之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 表面硬度與激光功率之間的關(guān)系

由圖3可知，當(dāng)光斑直徑和掃描速度相同時(shí)，隨著激光功率的增加，表面硬度先增加后降低；隨著光斑直徑的增加，獲得相同表面硬度所需的激光功率不斷增加。

2.3 掃描速度對(duì)淬硬層深度的影響

以光斑直徑為25mm為例，激光器功率為3600W，掃描速度與硬度大于450HV的淬硬層深度之間的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，淬硬層深度隨著掃描速度的增加而降低。掃描速度增加，效率提高，但淬硬層深度降低，因此在保證一定淬硬層深度的情況下，要盡量選擇較大的掃描速度。

圖4 淬硬層深度與掃描速度關(guān)系

2.4 淬火層硬度

由于采用圓形激光光斑，因此在兩條激光光斑掃描路徑的搭接區(qū)域和掃描區(qū)域，材料受熱情況不同，淬硬層的硬度也不一致，圖5所示為光斑直徑為25mm，掃描速度為5mm/s時(shí)，掃描區(qū)域和搭接區(qū)域顯微硬度的對(duì)比情況。

圖5 顯微硬度隨深度的變化對(duì)比

由圖5可知，搭接區(qū)域的硬度和淬硬層深度明顯低于掃描區(qū)域，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。搭接區(qū)域由于激光照射的能量密度較低，淬硬層深度較小。圖6所示為由搭接區(qū)域中心向附近兩條光斑掃描路徑延伸的表面硬度分布情況。

由圖6可知，搭接區(qū)域中心的硬度最小，僅為51HS左右；沿著向兩條掃描路徑方向，硬度越來(lái)越大，當(dāng)離開搭接中心區(qū)域1.5mm左右時(shí)，表面硬度接近65HS，與掃描區(qū)域的表面硬度相當(dāng)。因此，在進(jìn)行激光表面淬火工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該以搭接區(qū)域中心的硬度和淬硬層深度作為參考，合理設(shè)置光斑直徑、激光功率和掃描速度。

2.5 殘余應(yīng)力

表面淬火后，掃描區(qū)的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，橫向殘余應(yīng)力為-423MPa，縱向殘余應(yīng)力為-434MPa，縱向和橫向壓應(yīng)力幾乎相等；搭接區(qū)域中心部位的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，橫向殘余應(yīng)力為60MPa，縱向殘余應(yīng)力為20.6MPa。

圖6 搭接區(qū)域的表面硬度

3 結(jié)論

采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法對(duì)激光表面淬火工藝對(duì)金屬表面硬度的影響進(jìn)行了探索，得到主要結(jié)論如下。

1）激光表面淬火后，淬火層的主要組織為隱晶馬氏體，隨著深度的增加逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體+碳化物，未被淬火的基層組織仍為珠光體+碳化物。

2）其他條件不變時(shí)，隨著激光功率的增加，淬火后的表面硬度先增加后降低，存在一個(gè)硬度的極值，表明激光功率存在最優(yōu)值；隨著光斑直徑的增加，達(dá)到某確定表面硬度所需的激光功率也會(huì)相應(yīng)增加。

3）掃描速度越快，淬硬層深度越??；因此在保證工藝要求的前提下，可以選擇較大的掃描速度以提高生產(chǎn)效率。

4）掃描搭接區(qū)域的硬度和淬硬層深度明顯小于掃描區(qū)域，因此在工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該以搭接區(qū)域的硬度和淬硬層深度作為參考。

5）表面淬火處理后，結(jié)構(gòu)主要的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，但在搭接區(qū)域存在一定的殘余拉應(yīng)力。