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
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；而對于一些心部組織要求較高的大型齒輪,對其進(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)700HV以上。然而,滲碳淬火工藝存在生產(chǎn)周期長、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3200W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,研究了激光淬火對兩種預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬化效果的影響,為評估激光淬火代替?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?12cm×10mm。對試驗(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4h空冷+650℃保溫2h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8h空冷+850℃保溫2h空冷+780℃保溫2h+油冷至180℃空冷。采用FFSC-4000F型光纖激光發(fā)生器對預(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20mm,長度為1mm。當(dāng)掃描速度為8mm·s−1時(shí),激光功率分別為1000,1500,2000,2500,3000,3500W；當(dāng)激光功率為2500W時(shí),掃描速度分別為2,4,6,8,10,12mm·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10~15s后,采用Nikon-MA100型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織,并測量硬化層深度。采用MVC-1000B型維氏硬度計(jì)測試截面硬度,載荷為4.9N,保載時(shí)間為15s,從表面向基體方向每隔100μm取點(diǎn)測試,相同深度測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。
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1000W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1500~2500W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2500W時(shí),表層發(fā)生奧氏體化的區(qū)域增大,保溫時(shí)間延長,使得晶粒開始長大,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8mm·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 8mm·s−1and 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1000W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1500W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2500W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3000,3500W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8mm·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 8mm·s−1and different powers
2.2 掃描速度對硬化層組織的影響
由圖4可見,當(dāng)掃描速度為2,4,6,8mm·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,導(dǎo)致奧氏體晶粒長大,得到的是粗大的馬氏體組織。當(dāng)掃描速度大于8mm·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12mm·s−1時(shí)低碳馬氏體分布均勻。
圖 4激光功率2500W、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 2500W and different scanning speeds
由圖5可見：當(dāng)掃描速度為2,4,6mm·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6mm·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8,10,12mm·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2500W、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 2500W and different scanning speeds
2.3 激光功率對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1000W功率下的110.25μm增至3500W功率下的932.26μm,當(dāng)激光功率大于3000W時(shí)硬化層深度的增勢減緩；調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼的硬化層深度由1000W功率下的14.18μm增至3500W功率下的799.08μm。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1000,1500,2000,2500,3000,3500W時(shí),調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬度分別為306.5,445.3,447.8,463.9,425.4,419.2HV?？芍寒?dāng)激光功率大于1000W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315.5HV）。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2500W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210.4HV。當(dāng)激光功率分別為1000,1500,2000,2500,3000,3500W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206.6,378.4,435.4,447.8,415.5,417.5HV?？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2500W時(shí)最高。當(dāng)激光功率為1000W時(shí),由于激光能量密度較低,材料表面幾乎無硬化效果。對比可知,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（700HV）。
2.4 掃描速度對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2mm·s−1增加到4mm·s−1時(shí)減小趨勢最快,大于4mm·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2,4,6,8,10,12mm·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400.7,425.2,431.9,463.9,452.8,473.8HV,調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼表面硬度分別為418.2,402.4,457.9,447.8,443.4,438.2HV。對于調(diào)質(zhì)+偽滲碳預(yù)處理試驗(yàn)鋼,當(dāng)掃描速度為12mm·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12mm·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,表面硬度相對較低。對于調(diào)質(zhì)預(yù)處理試驗(yàn)鋼,當(dāng)掃描速度為6mm·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2500W、掃描速度12mm·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2500W、掃描速度6mm·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475HV）均低于滲碳淬火處理后（700HV）。
文章來源——材料與測試網(wǎng)