于耀華

1. 上海第一機(jī)床廠有限公司 上海 201308 2. 清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 北京 100084

不同冷卻方式對17-4PH鋼激光淬火的影響

于耀華1,2

1. 上海第一機(jī)床廠有限公司 上海 201308 2. 清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 北京 100084

通過試驗研究了不同冷卻介質(zhì)的連續(xù)處理、間斷處理方式對17-4PH(0Cr17Ni4Cu4Nb)鋼表面激光淬火強(qiáng)化處理過程中強(qiáng)化處理層參數(shù)(厚度、硬度等)的影響。結(jié)果表明，干冰間斷處理方式使激光強(qiáng)化處理層參數(shù)相對穩(wěn)定，可以滿足生產(chǎn)要求。

17-4PH鋼； 冷卻方式； 激光淬火

1 研究背景

17-4PH不銹鋼，即0Cr17Ni4Cu4Nb鋼，是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼。從固溶處理溫度快速冷卻至室溫時，組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，再經(jīng)過380～560℃ 時效處理，馬氏體基體沉淀出富銅相，使強(qiáng)度進(jìn)一步提高[1-2]。因14-7PH鋼含碳量較低(≤0.05%)，鋼中不出現(xiàn)碳化物，使合金元素大部分固溶于合金固溶體中，從而具有優(yōu)良的耐蝕性，其耐腐蝕性和可焊性均優(yōu)于普通馬氏體不銹鋼，接近于某些奧氏體不銹鋼。與此同時，由于沉淀相富銅，其減振性能也很優(yōu)良[3]。

激光強(qiáng)化處理是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的高新技術(shù)，并在近10年得到了迅速應(yīng)用，現(xiàn)已成為高能束表面改性技術(shù)中的一種重要手段。激光強(qiáng)化處理一般可以分為激光淬火處理、激光合金化技術(shù)、激光熔覆及激光非晶化技術(shù)等，其中，激光淬火以高能密度激光束快速照射工件，使激光作用區(qū)的溫度急劇上升，形成奧氏體。此時，工件基體仍處于冷態(tài)，與加熱區(qū)之間有極大的溫度梯度，因此，一旦停止激光照射，加熱區(qū)因急冷而自冷淬火，從而達(dá)到改善金屬表面性能的目的[4-7]。激光淬火的主要特點是： ① 激光沒有慣性，可高速啟動和停止，勞動生產(chǎn)率高；② 屬局部處理方法，熱處理形變小，操作方便靈活，適宜處理結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熱處理后不易形變的零部件或大型零件；③ 零部件表面硬化層和硬化區(qū)域可被準(zhǔn)確測定及控制，生產(chǎn)上重復(fù)性好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；④ 零部件表面強(qiáng)化過程中不產(chǎn)生有害射線、磁場，屬無污染處理技術(shù)；⑤ 零部件表面強(qiáng)化時屬局部表層加熱，能耗較小[8]。

基于上述特點，將激光淬火處理技術(shù)應(yīng)用于17-4PH鋼的表面強(qiáng)化處理，可以有效改善其表面性能，使工作表面具有較高的耐磨性和抗熱疲勞性。目前該類鋼的傳統(tǒng)工藝強(qiáng)化處理，尤其是顯微組織和強(qiáng)化性能方面的數(shù)據(jù)在文獻(xiàn)中已有大量報道[9-13]，筆者則重點從不同的冷卻方式(預(yù)處理方式)對厚度、硬度等激光強(qiáng)化處理層參數(shù)的影響方面進(jìn)行試驗分析與研究。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

表1 0Cr17Ni4Cu4Nb棒材化學(xué)成分

元素CSiMnPSNiCrMoCuNNb規(guī)定值≤0.07%≤1.00%≤1.00%≤0.04%≤0.03%3.00%～5.00%15.00%～17.50%—3.00%～4.00%—0.15%～0.45%實測值0.05%0.34%0.46%0.006%0.001%4.22%16.07%—3.61%—0.25%

表2 0Cr17Ni4Cu4Nb棒材力學(xué)性能

試驗名稱室溫性能300℃高溫性能內(nèi)容抗拉強(qiáng)度Rm/MPa規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2/MPa斷后伸長率A斷面收縮率Z沖擊韌性值A(chǔ)K/(J·cm-2)洛氏硬度HRC抗拉強(qiáng)度Rm/MPa規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2/MPa斷后伸長率A斷面收縮率Z沖擊韌性值A(chǔ)K/(J·cm-2)洛氏硬度HRC規(guī)定值≥1176≥1080≥10%≥34%≥50≥39實測實測實測實測實測實測實測值1280124014.5%61.5%8442.2108397213.4%45.6%——

2.2 試驗方法

試驗采用的激光設(shè)備為Nd：YAG脈沖激光器，激光處理參數(shù)見表3。

表3 激光處理參數(shù)

項目數(shù)值脈沖電流/A180脈沖寬度/ms20脈沖頻率/Hz4光斑搭接率40%道搭接率50%掃描速度/(mm·s-1)1.5透鏡焦距/mm150離焦量/mm10(正離焦)

試驗使用LECO公司的LM-247AT顯微硬度計進(jìn)行顯微硬度測試，使用載荷100 g，加載時間15 s。

試驗重點考查激光強(qiáng)化實施過程中不同冷卻方式(間隔冷卻和連續(xù)冷卻)對激光強(qiáng)化處理層參數(shù)的影響。間隔冷卻指在試樣進(jìn)行冰冷預(yù)處理的基礎(chǔ)上，每道激光處理后均對試樣進(jìn)行再冷卻。連續(xù)冷卻指對試樣進(jìn)行冰冷預(yù)處理后，連續(xù)對試樣進(jìn)行3～4道激光處理。冷卻手段和冷卻方式見表4。

表4 冰冷處理方法

冷卻處理手段預(yù)冷卻處理時間處理過程中冷卻方式試樣數(shù)量冰箱-20℃下保存2h間隔冷卻4連續(xù)冷卻4干冰干冰內(nèi)保存5min間隔冷卻4連續(xù)冷卻4

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 激光強(qiáng)化層形貌特征

一般認(rèn)為，聚焦激光束能量分布為高斯?fàn)顟B(tài)，即中心溫度高，周邊溫度低，材料受激光輻照區(qū)域吸收能量不一致，導(dǎo)致激光強(qiáng)化層橫截面為一個月牙形，如圖1所示。

圖1 激光單道強(qiáng)化金相圖

實際激光強(qiáng)化處理過程中，通常采用脈沖激光束對工件進(jìn)行連續(xù)處理，即激光強(qiáng)化層存在一定的搭接量，搭接處理激光強(qiáng)化層橫截面如圖2所示。

圖2 激光50%搭接強(qiáng)化層金相圖

此外，觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)，月牙形激光強(qiáng)化層存在明顯梯度，這是由于馬氏體沉淀硬化不銹鋼的激光熔化區(qū)與普通鋼固溶有較大不同，即具有過熱熔區(qū)、臨界熔區(qū)、固溶區(qū)、高溫時效區(qū)、低溫時效區(qū)，如圖3所示。

圖3 激光輻照區(qū)域熱影響結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合圖1和圖3可見，過熱熔區(qū)晶粒較大，殘余奧氏體較多，硬度較低，通過基體預(yù)冷和高壓氣體強(qiáng)制冷卻，可使熔區(qū)減小，當(dāng)厚度低于0.1mm時即可通過后續(xù)精加工消除。在高溫固溶區(qū)，雖然存在較多的殘余奧氏體，但因為時間很短，晶粒不會有大的改變。在時效區(qū)，對于高于基體時效處理溫度的高溫時效區(qū)域而言，因沉淀相的數(shù)量與形態(tài)不會發(fā)生變化，所以其硬度不會改變；相反，對于低于基體時效處理溫度的低溫時效區(qū)域而言，有可能進(jìn)一步增加一些細(xì)小沉淀相而使硬度提高。

3.2 激光強(qiáng)化層硬度分析

選取激光處理層最深處，從距表面約0.05mm處開始沿深度方向每隔0.05mm測量一次硬化層顯微硬度,繪制固溶后的表層顯微硬度分布曲線，如圖4～圖7所示。

圖4 冰箱連續(xù)冷卻硬度曲線

圖5 干冰連續(xù)冷卻硬度曲線

圖6 冰箱間隔冷卻硬度曲線

圖7 干冰間隔冷卻硬度曲線

經(jīng)綜合分析可以看到，激光強(qiáng)化層最高硬度并不在表面, 而是距表面一定深處，原因在于激光強(qiáng)化處理過程中，試樣受激光輻照吸收光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑼ㄟ^自身基體散熱冷卻，導(dǎo)致基體溫度上升，連續(xù)的激光輻照處理造成基體表面溫度不斷升高，基體自身溫度亦隨之升高，散熱效果不斷降低，不僅降低17-4PH鋼表面固溶速度，引起硬化相轉(zhuǎn)變，還可能引起后道激光處理對相鄰的已被激光處理的表面產(chǎn)生加熱退火影響，導(dǎo)致強(qiáng)化層硬度達(dá)到峰值后逐步降低，并接近母材硬度。

圖4和圖5反映了連續(xù)冷卻方式對激光強(qiáng)化有一定作用，但效果不佳，尤其是在工程實際需要的0～0.35mm深度范圍內(nèi)，硬度數(shù)據(jù)相對離散，主要是隨著激光處理的連續(xù)進(jìn)行，基體溫度不斷升高，降低了激光強(qiáng)化的效果。相較于連續(xù)冷卻，無論是冰箱間隔冷卻(圖6)還是干冰間隔冷卻(圖7)，激光冷卻層參數(shù)在0～0.35mm深度范圍內(nèi)有明顯提高，一是硬度數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，波動較?。欢怯捕葦?shù)值有明顯提高，維氏硬度HV平均值從冰箱連續(xù)冷卻方式的481.2、干冰連續(xù)冷卻方式的455.3提高至冰箱間隔冷卻方式的485.6、干冰間隔冷卻方式的488.7。

進(jìn)一步對比圖6和圖7發(fā)現(xiàn)，干冰間隔冷卻方式的激光冷卻層參數(shù)更趨穩(wěn)定，強(qiáng)化層的維氏硬度HV可達(dá)480～520，且激光強(qiáng)化層與母材基體交界處硬度變化平緩, 無明顯硬度梯度。

試驗過程中還發(fā)現(xiàn)，干冰冷卻效率較高，但成本也相對提升，從工程應(yīng)用角度來說，不同冷卻方式的性價比分析將是下一步工作的重點。

4 結(jié)論

(1) 17-4PH沉淀硬化不銹鋼通過激光處理進(jìn)行強(qiáng)化是可行的，通過處理可以獲取0.40～0.50mm 厚的強(qiáng)化層。

(2) 激光強(qiáng)化處理是一種非均勻固溶時效處理方法，能夠獲得具有梯度過渡分布特性的強(qiáng)化層，但后道激光處理易對相鄰的已處理表面產(chǎn)生退火影響，可通過加工時對工件的持續(xù)冷卻來保證強(qiáng)化效果。

(3) 通過對比可得出，干冰間隔冷卻降低樣品表面的溫度，需要盡量減小加工過程中樣品的溫升，保證馬氏體轉(zhuǎn)變所需的溫度梯度，這樣使強(qiáng)化處理效果最佳。

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Experimental study had been conducted to find the impacts of continuous processing of different cooling medium and intermittent treatments to hardening layer parameters(thickness, hardness, etc.) during surface hardening process of 17-4PH(0Cr17Ni4Cu4Nb) steel via laser hardening. The results prove that the intermittent treatment with carbon dioxide ice could achieve relative stable parameters on the layers quenched by laser and it can satisfy the production requirements.

17-4PH Steel； Cooling Method； Laser Hardening

2016年3月

于耀華(1983— )，男，碩士，工程師，主要從事核島主設(shè)備控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)加工工藝技術(shù)工作， E-mail: yuyh3@shanghai-electric.com

TM93;TG156.91

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1674-540X(2016)03-035-04