桑嘉新，沈 駿，張賢坤

(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

20CrMnTi齒輪鋼激光淬火的研究

桑嘉新，沈 駿，張賢坤

(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

評估了齒輪通過激光淬火代替?zhèn)鹘y(tǒng)滲碳淬火的可行性。通過用電子顯微鏡、顯微硬度計、銷盤磨損儀、電化學(xué)工作站，確定了不同激光參數(shù)對于20CrMnTi齒輪鋼激光淬火試樣性能的影響關(guān)系。結(jié)果表明：20CrMnTi齒輪鋼經(jīng)過激光淬火后，在試樣表面形成了致密的細小的馬氏體組織，表面及亞表面顯微硬度得到了極大的提高。當(dāng)光斑直徑為1 mm，掃描速度為16 mm/s，脈寬為2.5 ms、頻率為10 Hz、電流為180 A，選取試樣淬火后效果最好，淬火層深度可達240 μm，表面硬度達到了739 HV，超過原始試樣545 HV，超過滲碳淬火試樣85 HV。雖然淬火層低于滲碳淬火后滲碳淬火層深度，但獲得的力學(xué)性能、耐磨性能、耐蝕性能均優(yōu)勝于滲碳淬火。

齒輪鋼；激光淬火；性能

0 前 言

齒輪鋼材料種類繁多，取材廣泛，諸多國家都因地制宜，根據(jù)國內(nèi)資源條件及相應(yīng)的性能需求，制定本國的齒輪用鋼系列。我國錳礦資源儲備豐富，Mn元素又是齒輪鋼的最主要的合金化元素之一，能明顯提高齒輪鋼的淬透性，改善其力學(xué)性能，因而，長期以來我國汽車用齒輪鋼以低滲碳的Mn-Cr鋼為主，這其中20CrMnTi齒輪鋼又占據(jù)著主導(dǎo)性地位[1-2]。

隨著汽車制造工業(yè)的發(fā)展，汽車零部件也發(fā)展迅速。齒輪作為其中傳導(dǎo)力矩、承載傳動作用的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)，不但要求其具有較高的抗接觸疲勞強度以及心部韌性，而且對齒輪的表面硬度、耐磨性、耐蝕性等性能要求也日益增高[3-4]。近年來，材料表面激光改性技術(shù)發(fā)展迅速[5-7]，其中激光淬火能在相當(dāng)短的時間內(nèi)加熱材料和使材料冷卻，比傳統(tǒng)熱處理縮減了時間和成本，而且由于大功率激光器的投入使用，使得激光淬火后材料性能更為優(yōu)良[8]。

綜上所述，本文將針20CrMnTi齒輪鋼開展激光淬火試驗研究，確定激光選用參數(shù)與淬火后齒輪鋼性能之間的影響關(guān)系，以及評估淬火后齒輪鋼的綜合性能，為生產(chǎn)實踐作出指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為某公司生產(chǎn)的20CrMnTi齒輪鋼。試驗中以滲碳淬火齒輪鋼試樣為參考，該參考試樣材料同樣購買自網(wǎng)絡(luò)銷售平臺，其熱處理工藝為預(yù)處理等溫退火+940℃滲碳+850℃淬火。

1.2 試驗設(shè)備與方法

試驗采用的試驗設(shè)備為深圳大族激光科技集團生產(chǎn)的YAG-100E激光焊機，試驗中，通過線切割對齒輪鋼板材進行切割，試驗為了簡單易行采用碳素法[9]對齒輪鋼試樣進行黑化處理，先通過對試驗試樣用酒精進行超聲清洗10 min后，在試樣表面涂覆一層碳素墨汁，風(fēng)干后即得到一層黑色沉積層，繼而進行激光淬火試驗。

相關(guān)研究[10]表明，淬火深度主要受到激光輸出功率和光斑直徑，以及掃描速度的影響，而采用YAG-100E激光焊機對齒輪鋼進行淬火熱處理時，其輸出功率P的主要影響參數(shù)有激光焊機的電流I、脈寬、頻率f。有學(xué)者對YAG激光器的參數(shù)關(guān)系進行深入研究，得到其平均輸出功率與電壓、脈寬、頻率之間的相互關(guān)系，如下公式[10]所示：

P=k×tp×f×U

(1)

式中 k——影響因數(shù)；

U——激光選用電壓。

在實驗中選用YAG-100E激光焊機，其電壓與選用電流呈正相關(guān)關(guān)系，因此，可通過以上公式對激光器的輸出功率進行初步估算，以此進行激光淬火試驗的方案設(shè)計，探究不同工藝參數(shù)對于激光淬火后齒輪鋼性能的影響，來確定齒輪鋼淬火的適宜參數(shù)。

采用YAG-100E激光器，其掃描速度需要進行手動控制，為避免誤差太大，因此采用模糊控制的方法固定其掃描速度為1.6 mm/s，光斑直徑大小固定為1 mm。由于其掃描速度和光斑直徑固定，因此試驗主要探究了激光輸出功率P(由電流I、頻率f、脈寬tp決定)對齒輪鋼淬火后各項性能的影響。在進行激光淬火過程中，具體參數(shù)設(shè)置如下所示。

1)固定電流為150 A，頻率為10 Hz，脈寬依次選擇為2，2.5，3.5，5 ms。

2)固定電流為150 A，脈寬為2.5 ms，頻率為8，10，12，15 Hz。

3)固定脈寬為2.5 ms，頻率為10 Hz，電流大小為100，120，150，180 A。

1.3 金相制備及分析檢測方法

各試樣淬火后，通過砂紙打磨和砂輪拋光機進行拋光處理，清洗后利用4%硝酸酒精溶液對試樣縱截面逐一腐蝕，用電子顯微鏡(TESCAN VEGA 2 SEM)觀察其淬火層顯微組織形貌。之后通過顯微硬度計(HX-1000TM)，在200 g加載，加載時間為10 s的條件下分別測定試樣表面硬度及淬火層硬度分布狀況。試樣耐磨性用匯錦梯爾銷盤磨損儀進行，試驗中選擇加載為10 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，加載時間為10 min，對選取試樣進行耐磨性試驗，試驗后通過電子天平稱取重量差，即磨損量。通過RST5000電化學(xué)工作站測定各試樣的極化曲線來反應(yīng)試樣的耐腐蝕性能，試驗電解液選擇質(zhì)量分數(shù)為3.5%的NaCl溶液，溶液配比過程中選取500 mL蒸餾水，18.135 g NaCl粉末混合后通過85-2磁力懸浮攪拌儀攪拌1 h使得溶液混合充分。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微硬度及微觀組織分析

對20CrMnTi原始組織和滲碳淬火式樣的顯微組織和表面硬度進行了檢測分析，結(jié)果表明20CrMnTi原始組織為板條狀珠光體和鐵素體組織，表面硬度值為194 HV；20CrMnTi滲碳淬火后組織為板條狀馬氏體和殘余奧氏體組織，表面硬度值為653 HV，滲碳淬火層深度約為0.9～1.1 mm。激光淬火后，各式樣顯微組織形貌如圖1所示，淬火層顯微硬度變化如圖2所示。

結(jié)果表明：經(jīng)過激光淬火后，在試樣表面形成了較為致密的馬氏體組織層，試樣表面和亞表面顯微硬度分布得到了極大的提高，并且，在其他參數(shù)固定的條件下，隨著脈寬、頻率、電流的增加，激光輸出功率增加，馬氏體形貌由板條狀向著細針狀過渡，變得更為致密和細小，淬火層的深度隨之增加，試樣同一位置的顯微硬度也隨之增加。

在對20CrMnTi齒輪鋼采用不同激光參數(shù)進行激光淬火后，部分試樣淬火效果良好，淬火后表面力學(xué)性得到了極大的提升，超過了20CrMnTi齒輪鋼滲碳淬火后的表面硬度。這其中當(dāng)脈寬為2.5 ms，頻率為10 Hz，電流為180 A時，試樣激光淬火后效果尤其顯著，其淬火層顯微硬度分布如圖3所示，在電子顯微鏡下放大500倍及2 000倍的顯微形貌如圖4所示。

從圖3和4中可以看出：試樣經(jīng)過激光淬火以后，成型形貌較好，顯微組織形貌轉(zhuǎn)變明顯，在齒輪鋼表面形成了組織變化均勻的熱影響區(qū)，與原始組織相比，試樣表面顯微硬度得到了極大的提高。淬火層熱影響區(qū)可以分為兩層。第1層即是表面致密均勻的細針狀馬氏體組織層，這一層顯微組織硬度極高，細針狀的馬氏體組織無規(guī)則的致密分布，這是因為在激光作用下，齒輪鋼被加熱的速度非常快，使材料熔化和過熱，同時由于熔化層和過熱層非常窄，因而液態(tài)層的冷卻速度極快，可達106℃/s[11]。在這種冷卻速度下，熔體尚來不及分離，或只有部分分離，碳無法完全以滲碳體的形式析出，而停留在固溶體內(nèi)或部分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，最后形成無規(guī)則自由分布的致密馬氏體組織。第2層是馬氏體組織向著原始組織的過渡區(qū)，這一層的顯微硬度較之第1層已經(jīng)大幅度的下降，但要高于原始組織的硬度。并且從圖中可以看出：這一層的馬氏體大多在珠光體和鐵素體晶粒邊界處形成，這是因為鐵素體結(jié)塊邊界上的含碳量較高，在激光作用下奧氏體首先在邊界上形成，奧氏體冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，因為過渡層的馬氏體組織較為分散呈粗大的板條狀分布，這也導(dǎo)致過渡區(qū)顯微硬度要高于原始組織。通過對試樣的顯微組織形貌觀察，以及顯微硬度分布的測量，可以發(fā)現(xiàn)20CrMnTi齒輪鋼的淬火層深度大約為0.24 mm，其淬火層深度要低于滲碳淬火后滲碳層深度。

圖1 不同激光參數(shù)下各式樣淬火層顯微組織形貌

a 脈寬；b 頻率；c 電流

2.2 試樣耐磨性和耐蝕性分析

對該試樣、原始試樣以及滲碳淬火試樣通過銷盤磨損儀在10 N，200 r/min加載下,測定其加載10 min后的磨損量，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以直觀的看出，20CrMnTi齒輪鋼試樣經(jīng)過滲碳淬火和激光淬火后耐磨性明顯增加，經(jīng)過激光淬火后的試樣耐磨性最為優(yōu)良，在磨損10 min后，磨損量只有0.028 g。

圖3 試樣不同區(qū)域的顯微硬度分布

a 500X; b 2 000X

a 原始材料試樣；b 滲碳淬火試樣；c 激光淬火試樣

采用電化學(xué)工作站測定各試樣極化曲線來反應(yīng)各試樣腐蝕性，其中靜置時間為10 s，掃描速率為0.01 V/s，采樣間隔為0.001 V，電極面積為3.14 cm2，其余相關(guān)參數(shù)有試樣材料特性決定。20CrMnTi齒輪鋼各試樣的極化曲線如圖6所示，極化曲線擬合數(shù)據(jù)如表1所示。

a 原始試樣；b 滲碳淬火試樣；c 激光淬火試樣

試樣腐蝕電位E/V腐蝕電流密度對數(shù)腐蝕電流密度/(A·cm-2)原始試樣-1.091-4.9951.01×10-5激光淬火試樣-0.863-5.4823.30×10-6滲碳淬火試樣-0.625-5.4293.72×10-6

從圖6和表1中可以看出：20CrMnTi齒輪鋼經(jīng)過各淬火工藝處理后，相比原始試樣而言，各試樣腐蝕電位都向著正方向移動，這表明各淬火試樣的陰極和陽極反應(yīng)都得到了抑制，并且最后都呈現(xiàn)出陰極控制的趨勢，各淬火試樣電流密度對數(shù)都低于原始試樣，說明經(jīng)過淬火處理后，陰極反應(yīng)受到了很強烈的抑制。因而，可以很直觀的看出20CrMnTi齒輪鋼各試樣的耐蝕性性能，其中滲碳淬火和激光淬火后試樣耐蝕性增加顯著，其腐蝕電流密度比原始材料增加了1個數(shù)量級。而經(jīng)過激光淬火的試樣極化曲線明顯偏離右下方，表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐腐蝕性能。

3 結(jié) 論

通過激光淬火方法對20CrMnTi齒輪鋼材料進行淬火試驗，采用不同參數(shù)，探究激光輸出功率的改變對齒輪鋼淬火后性能的影響，得出以下結(jié)論。

1)在固定其他參數(shù)不變的條件下，隨著脈寬、頻率、電流的增加，激光輸出功率得到提高，20CrMnTi齒輪鋼激光淬火層深度隨之增加，試樣淬火層同一位置的硬度值隨之增加，兩種齒輪鋼淬火后表面及亞表面顯微硬度較之原始組織硬度得到了極大地提高。

2)進行激光淬火后，當(dāng)光斑直徑為1 mm，掃描速度為16 mm/s，脈寬為2.5 ms、頻率為10 Hz、電流為180 A，選取試樣淬火后效果最好。淬火后，在試樣表面形成了均勻致密的細小針狀馬氏體組織，淬火層深度可達240 μm，表面硬度達到了739 HV，超過原始試樣545 HV，超過滲碳淬火試樣85 HV。

3)通過選用激光對齒輪鋼進行激光淬火處理是可行的，雖然淬火層低于滲碳淬火后滲碳層深度，但其淬火后獲得的力學(xué)性能、耐磨性能、耐蝕性能均優(yōu)勝于滲碳淬火。

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A Study on the Laser Quenching of 20CrMnTi Gear Steel

SANG Jiaxin, SHEN Jun, ZHANG Xiankun

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

This paper studied the laser quenching method as an alternative to traditional carburizing method in 20CrMnTi gear steel strengthening. The influence of different laser parameters on the properties of 20CrMnTi gear steel was studied by electron microscope, microhardness tester, pin wear tester and electrochemical workstation. The results show that dense fine martensite structure is formed on the surface of the 20CrMnTi sample after laser quenching processing. The microhardness is greatly improved compared to the original material. The property of sample is optimized when the spot diameter is 1 mm. The scanning speed is 16 mm/s, the pulse width is 2.5 ms. The frequency is 10 Hz, and the current is 180 A with the quenching thickness about 240 μm. The highest surface hardness reaches 739 HV, exceeding 545 HV to the original sample and 85 HV to the carburizing quenching sample. Despite the relative thinner quenching layer with comparison to traditional carburizing and quenching method, the mechanical properties can wear resistance and corrosion resistance, as is greatly improved.

Gear steel; Laser quenching; Performance

2017-05-29

國家自然科學(xué)基金(51375511)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計劃(cstc2016jcyjA0167)；重慶市沙坪壩區(qū)社會發(fā)展領(lǐng)域科技項目(SF201602)；蘇州市相城區(qū)重點產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新專項(XJ201608)；重慶市北碚區(qū)科技專項(2016-27)

桑嘉新(1992-)，男，甘肅人，在讀碩士研究生，研究方向：金屬材料表面工程，手機：13830246462；通訊作者：沈駿(1974-)，男，四川人，教授，研究方向：金屬材料及微電子封裝材料，手機：13883111150，E-mail：shenjun@cqu.edu.cn.

TG162

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.04.032