胡宇 杜開平

摘 要：激光表面硬化是一種使材料表面硬化的淬火技術，它利用激光將材料表面加熱到相變點以上，隨后材料快速冷卻，使原奧氏體組織轉變?yōu)轳R氏體組織。文章研究了不同激光功率下，45鋼激光表面硬化的組織變化及耐磨性能。結果表明，在掃描速度600mm/min、激光功率1600W條件下，45鋼激光硬化組織主要為馬氏體，硬度提高1倍，耐磨性能優(yōu)異。

關鍵詞：激光功率；表面強化；耐磨

中圖分類號：TG174.44 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0035-03

Abstract： Laser surface hardening （LSH） is a quenching technique for hardening the surface of materials. It uses laser to heat the surface of the material to above the transformation point， and then the material cools rapidly， so that the original austenite structure is transformed into martensite structure. The microstructure change and wear resistance of laser hardening 45 steel under different laser power are studied in this paper. The results show that the microstructure of laser hardening steel is martensite under the condition of scanning speed 600mm/min and laser power 1600 W， the hardness is doubled and the wear resistance is excellent.

Keywords： laser power； surface hardening （LSH）； wear resistance

1 概述

45鋼在工業(yè)領域有著廣泛的應用，例如零件齒輪、齒條、軋制軸、曲軸和葉輪等部件，隨著日益升高的表面強度及其耐磨性需求，對于一些局部區(qū)域耐磨要求又不適合對部件整體淬火[1]。激光表面硬化是一種高效表面硬化淬火技術，它利用激光作為熱源，將材料表面升溫到相變溫度以上，可使原組織奧氏化，并通過熱傳導快速冷卻，最終轉變?yōu)轳R氏體組織[2]。激光表面硬化可獲得可控的形狀和尺寸的硬化層分布，使工件的使用壽命延長[3-6]。具有可選擇局部處理、加工速度快、易實現自動化控制等優(yōu)勢[7]。本文對比了不同激光功率對45鋼硬度、組織及耐磨性能影響，并對產生差異的原因進行了分析，嘗試探索激光表面硬化提高45鋼耐磨性能最優(yōu)工藝。

2 試驗過程與方法

2.1 試驗設備

本文使用TJ-5000 CO2激光器及多用機床進行激光表面硬化加工；使用HBRVU-187.5型布洛維硬度計測定淬硬表面的洛氏硬度（HRC）；使用日立公司S-3400型掃描電子顯微鏡觀察金相組織與磨損形貌；使用M-200滑動磨損實驗機進行摩擦磨損實驗，摩擦形式為環(huán)-塊式干滑動摩擦，圓環(huán)對磨件的材料為GCr15（HRC61），試驗載荷40N，轉速200r/min，磨損時間0.5h；使用AEL-200型電子天平（精確度0.0001g）進行材料的失重稱量。

2.2 原材料的選擇

選用熱軋后的45鋼作為試驗材料，試樣尺寸規(guī)格為10mm×10mm×15mm。為提高45鋼試樣對激光的吸收率，在對其進行激光加工前，先對試樣表面進行噴砂處理，再在待加工表面均勻涂抹吸光涂劑。

2.3 激光工藝參數

在前期多次試驗探索的基礎上，在相同掃描速度等參數條件下，分別選取不同（1200W、1400W、1600W）激光功率，進行對比實驗。具體試驗參數見表1。

3 試驗結果與討論

3.1 硬度測試

每組測量5個試樣，每個試樣上分別對硬化表面的5個部位進行洛氏硬度測量，取平均值。45鋼原始組織樣品與3組激光表面硬化試樣的洛氏硬度（HRC）對比表1所示。

由表1可明顯看出，與未淬火態(tài)相比，掃描速度v=600mm/min，輸出功率分別為1200、1400、1600W的三組激光表面硬化試樣組的表面都得到不同程度的淬硬效果。其中功率1600W時硬度最高，功率1400W硬度次之，功率為1200W時硬度最低。45鋼激光表面硬化的主要原因是馬氏體相變硬化，相變后獲得的馬氏體組織含量對硬度起決定作用。在掃描速度等條件相同時，功率越高的激光作用在材料表面上能量越大，溫度就越高，基體中達到奧氏體相變溫度的范圍就越大，冷速足夠快的條件下，獲得馬氏體也就含量越多。因此硬度隨激光功率加大而升高。但激光過高會導致表面熔化破壞材料表面形態(tài)，或是熱輸入量增多相當于對樣件進行保溫處理，導致冷速變慢獲得的馬氏體減少，難以獲得高硬度，因此并不能通過一味的提高激光功率獲得更高硬度。

3.2 顯微組織分析

如圖1（原始）所示，在金相顯微鏡下可以看到45鋼原始組織由黑色的塊狀珠光體及分布其周圍的白色的先共析鐵素體組成。將三組激光表面硬化試樣的表面磨拋腐蝕后，掃描電鏡照片如圖1所示。經過激光表面硬化處理，試樣的表層組織為較均勻的針狀馬氏體和少量殘余奧氏體，1#、2#試樣還存在未轉變鐵素體。

由掃描電鏡照片看出，從組織細小到粗大的次序依次為1#、2#、3#，這主要是因為冷卻速度決定了組織粗大還是細小，由此可知，冷卻速度1#>2#>3#。一般來說，在獲得足夠奧氏體化溫度的條件下，冷速快將獲得更多的馬氏體，從而表現為高硬度。1#試樣激光掃功率最低，獲得的能量少，溫度上升有限，導致奧氏體形核率低，奧氏體化不充分，淬火后獲得的馬氏體最少，因此硬度最低。2#試樣激光功率略有提高，因此原組織奧氏體化好于1#樣品，淬火后馬氏體較多，因此硬度高于1#試樣。3#試樣激光功率最高，樣品獲得能量最高，奧氏體化最為充分，因此圖1（3#）中可觀察到馬氏體最多，表現為硬度最高。

3.3 摩擦磨損試驗

磨損失重量可以用來評定材料耐磨情況，在同樣的實驗條件下，磨損量越小，表明材料耐磨性越好。由圖2可知磨損量從小到大的依次為3#、2#、1#，而之前硬度數據是3#>2#>1#與之相吻合，因此耐磨性能最好的為3#，其次為2#，最差的為1#。

圖3為三組激光表面硬化試樣的磨損后表面形貌電鏡照片。當45鋼試樣與對磨環(huán)GCr15表面接觸并相對滑動時，45鋼與GCr15表面微凸體接觸，因接觸只發(fā)生在幾個分散的微凸體頂端，因此在接觸處很小面積上產生較高的應力，使接觸面發(fā)生塑性流動，造成接觸點間在分子力的作用下粘著和焊合。當摩擦的切向外力大于焊合處的結合力，材料表面將被破壞，剪切發(fā)生在硬度和強度較低的45鋼一側，硬度和強度較高的GCr15對磨環(huán)的表面將黏附有強度較低45鋼的材料，發(fā)生粘著現象。粘著在GCr15上的45鋼在隨后的滑動摩擦過程中在對磨件的表面之間輾轉，而后一部分45鋼表面就會因氧化、疲勞、加工硬化或其他原因而剝落，形成細小的磨屑并從45鋼表面脫落下來，因此產生失重和表面剝落。隨著磨損的進行，脫落的磨屑越積越多，一些磨屑粘附在一起形成較大的顆粒，像刀具一樣，在材料表面產生微觀切削作用，使材料表面出現犁溝而導致材料的磨損。從圖中可以看出，1#、2#試樣磨損表面除了能觀測到犁溝和磨屑，還有不同程度的塑性變形，表明對磨表面上既有粘著磨損又有磨料磨損，且1#劃痕最深，表面脫落也最為嚴重因此失重最高。3#試樣相比磨損情況較輕，表面有輕微的劃痕、犁溝，并粘附有硬質顆粒，試樣表面主要發(fā)生了粘著磨損。

4 結論

（1）在掃描速度600mm/min下，采用1600W激光對45鋼表面硬化可獲得洛氏硬度（HRC）50.4，耐磨性能優(yōu)異的硬化層。

（2）對于功率介于1200-1600W，其他條件下同下，激光功率越高45鋼表面硬度越高，獲得的表面組織越粗大。

（3）在本文條件下，耐磨性優(yōu)異與硬度數據一致，其中激光功率1600W時試樣主要為粘著磨損，1200W和1400W時主要為磨料磨損和粘著磨損。

參考文獻：

[1]劉科，周小燕.電子束掃描45鋼表面合金化處理的研究[J].液壓氣動與密封，2015（5）：29-32.

[2]林茂華.45鋼激光淬火工藝參數研究[D].華南理工大學，2013.

[3]姜新東，張華，孟禮，等.陣列凹坑激光織構化表面耐磨損性能研究[J].應用激光，2018（1）.

[4]馬向東，雷雨，劉睿.激光熔覆合金技術在模具修復中的應用[J].潤滑與密封，2010，35（11）：98-101.

[5]李杰，曾克里，高峰.Cr3C2-25NiCr對鐵基激光熔覆層微觀組織與性能的影響[J].熱噴涂技術，2012，4（1）：36-40.

[6]何柏林，江明明.激光淬火技術在模具表面處理中的應用與展望[J].表面技術，2016，45（11）：180-186.

[7]郝巧玲，申超英，王守忠.活塞環(huán)槽的激光表面硬化研究[J].熱加工工藝，2009，38（6）：150-152.