周勇

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江西贛州 341000)

45鋼是一種被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)中的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，常用來制造各種零件部，例如齒輪、軸承和軸套等[1-2]。它價(jià)格低廉，易于機(jī)械加工，并且經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，但其硬度和耐磨性能不足，有待進(jìn)一步提高[3]。實(shí)際工程運(yùn)用中，很多零部件(如齒輪、軸承、軸套等)常常運(yùn)行在彎曲、扭轉(zhuǎn)等交變載荷及摩擦、高溫腐蝕等惡劣的工況下，這就要求零部件不僅要具有耐磨、耐腐蝕的表面，而且其心部材料要有足夠的韌性和強(qiáng)度以抵抗交變載荷及變形。同時(shí)，磨損已經(jīng)成為機(jī)械零部件失效或報(bào)廢的主要方式。在我國(guó)，零件和元件因磨損的損失是一年100億元，造成了巨大的材料消耗[4]。所以，如何提高零部件表面的硬度和耐磨性能是一個(gè)亟待解決的問題。目前，解決該問題的工藝方案就是激光表面強(qiáng)化處理。

激光表面強(qiáng)化是利用高能激光照射材料表面，使其在短時(shí)間內(nèi)迅速升溫，然后切斷激光源，快速冷卻，從而使材料表層得到相變硬化的熱處理工藝。該工藝過程有如下特點(diǎn)：因加熱和冷卻時(shí)間短，表層材料的晶粒迅速細(xì)化成奧氏體[5-6]；被加熱的材料受到空氣的冷卻會(huì)發(fā)生自淬火而得到貝氏體或馬氏體[7-8]；表層材料因?yàn)榉欠€(wěn)態(tài)相和固溶體而具有高硬度、耐磨性和耐腐蝕性能[9]。目前，國(guó)內(nèi)外激光表面處理技術(shù)主要有激光重熔、激光熔覆和激光表面淬火等。這些技術(shù)都是通過利用高能激光作用在材料表面使其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使材料的硬度、耐磨性能和耐腐蝕性能得到了提升。

大量研究表明，激光加工工藝參數(shù)對(duì)材料表面強(qiáng)化層的性能有重大的影響，具體參數(shù)有激光功率、掃描速度、光斑直徑和搭接率等。激光加工工藝參數(shù)的變化能改變激光束能量的大小，試樣表面所能吸收的能量就會(huì)隨之變化，材料晶體結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生不同的變化，從而使得試樣表面的顯微硬度和耐磨性能發(fā)生較大差異。近年來，有不少學(xué)者對(duì)單個(gè)工藝參數(shù)對(duì)激光強(qiáng)化層性能的影響規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。然而，材料表面的綜合性能是眾多復(fù)雜因素交互作用的結(jié)果，單獨(dú)考慮一個(gè)因素的影響規(guī)律不全面也不精確。因此，本文作者采用正交試驗(yàn)方法，利用激光表面強(qiáng)化技術(shù)在45鋼表面制備了激光強(qiáng)化層，并測(cè)試了該強(qiáng)化層的顯微硬度和磨損率，然后采用正交分析方法評(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果，旨在獲得最佳的激光加工工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 基體材料

試驗(yàn)材料選用直徑為60 mm的鋼棒，其化學(xué)成分及物理性能如表1、2所示。試驗(yàn)前，利用鋸床將45鋼棒加工成厚度為10 mm的小板塊后，再用銑床將其加工成50 mm×20 mm×10 mm的小方塊，然后對(duì)試樣進(jìn)行840 ℃×0.3 h(保溫后水冷)+600 ℃×1 h(保溫后空冷)的調(diào)質(zhì)處理，最后用目數(shù)為600、1 000和1 500的砂紙依次打磨試樣，直至其表面光潔且無雜物。

表1 45鋼化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 45 steel %

表2 45鋼物理性能Table 2 Physical properties of 45 steel

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

激光表面強(qiáng)化所選設(shè)備為東莞奧信激光焊接設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為AXL-700AW激光重熔機(jī)；選用型號(hào)為HR-150A的洛氏硬度儀測(cè)量45鋼表面激光強(qiáng)化層的顯微硬度；利用型號(hào)為 MMG-10 高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行耐磨性能試驗(yàn)，摩擦方式為大銷盤式摩擦，摩擦過程中摩擦試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)實(shí)時(shí)記錄摩擦因數(shù)，摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)：載荷為400 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，試驗(yàn)溫度為25 ℃，試驗(yàn)時(shí)間為30 min。用型號(hào)為 STM7 的光學(xué)顯微鏡觀測(cè)激光強(qiáng)化層的磨損形貌。依據(jù)Archard的簡(jiǎn)單磨損計(jì)算理論，磨損率的計(jì)算公式如下：

式中：ω是磨損率(mm3/(N·m))；V是磨損體積(mm3)，V=AD，A是磨損軌跡的橫向面積，D是磨損軌跡的直徑；F是法向載荷(N)；L是總的磨損滑動(dòng)距離(m)。

1.3 試驗(yàn)方法

評(píng)價(jià)材料表面性能的指標(biāo)眾多，其中顯微硬度對(duì)零部件的使用壽命起著至關(guān)重要的作用[10]，而磨損率是最能直觀衡量材料耐磨性能的標(biāo)準(zhǔn)[11]。所以，文中選擇顯微硬度和磨損率這2個(gè)指標(biāo)作為正交設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。為了保證顯微硬度測(cè)量值的精確性，測(cè)試時(shí)沿著試樣表面激光掃描方向等距離取10個(gè)點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并取10個(gè)測(cè)量值的算術(shù)平均值作為最終的顯微硬度值。每組磨損率的最終取值均為該組工藝參數(shù)條件下3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

選擇激光功率、掃描速度、光斑直徑和脈寬4個(gè)激光加工工藝參數(shù)作為正交試驗(yàn)因素，各因素之間無交互作用且均有3個(gè)水平值，依據(jù)四因素三水平的試驗(yàn)原理L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)，該正交試驗(yàn)的因素水平如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)的因素和水平表Table 3 Factorand levels of orthogonal testTable

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)優(yōu)化分析

各組不同激光加工工藝參數(shù)下所得的激光表面強(qiáng)化層的顯微硬度及磨損率測(cè)量結(jié)果如表4所示。

文中采用實(shí)用而且直觀簡(jiǎn)單的極差分析方法來處理正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，運(yùn)用綜合加權(quán)評(píng)分的方法來評(píng)價(jià)試樣表面的綜合性能。該方法可用以下公式[10]表示：

Yi=mi1ni1+mi2ni2+......+mijnij

式中：mij是指標(biāo)系數(shù)；nij是試驗(yàn)指標(biāo)值；下標(biāo)i,j代表第i號(hào)試驗(yàn)的第j個(gè)指標(biāo)值。

2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的浮動(dòng)范圍是：

K1=57.5-49.5=8，K2=21.3×10-5-8.7×10-5=

12.6×10-5

假設(shè)綜合評(píng)分總分為100分，顯微硬度和磨損率滿分均為50分，則指標(biāo)系數(shù)為(磨損率越大則試樣表面性能越差，故此系數(shù)為負(fù)值)：mi1=50/K1=6.25,mi2=50/K2=-3.97

表4 正交試驗(yàn)表及綜合性能分析結(jié)果Table 4 Orthogonal testingTable and analytical results of comprehensive performance

故各組試驗(yàn)的綜合評(píng)分的計(jì)算公式為：Yi=6.25×ni1-3.97×ni2，各因素的綜合評(píng)分如表4所示。由綜合得分的極差計(jì)算結(jié)果可以得到：4種因素對(duì)激光強(qiáng)化層性能影響程度的主次順序是光斑直徑、脈寬、掃描速度、激光功率。

圖1所示是4個(gè)因素對(duì)綜合評(píng)分的影響示意圖。分析認(rèn)為：(1) 光斑直徑即激光束的加工范圍的大小，它決定了單位時(shí)間內(nèi)整個(gè)試樣接受能量的密度，而表面材料的吸收能量的多少直接影響著其晶體的變化行為，故該因素對(duì)表面材料綜合性能的影響最顯著[12]；(2)脈寬就是激光輸出的時(shí)間，時(shí)間越短能量越高。該因素也顯著影響著材料吸收能量的多少；(3) 掃描速度決定了熔池加熱和冷卻的速度。掃描速度較低時(shí)，熔池的熔融時(shí)間長(zhǎng)，凝固速度慢，會(huì)形成組織均勻的結(jié)構(gòu)。另外，熔池內(nèi)熱量積累較多，晶核在較長(zhǎng)的凝固時(shí)間內(nèi)會(huì)生長(zhǎng)出粗大的晶粒，導(dǎo)致平均硬度降低[13]。掃描速度較高時(shí)，晶核來不及生長(zhǎng)即開始凝固，形成了細(xì)小的晶粒，強(qiáng)化層的平均硬度會(huì)增大[4]；(4)激光功率即單位時(shí)間內(nèi)激光器釋放的激光能量的多少。增大激光功率會(huì)使激光能量密度變大，被熔材料將會(huì)增多，同時(shí)熔池的尺寸變大，熔融區(qū)和熱影響區(qū)范圍被擴(kuò)大，最終導(dǎo)致激光強(qiáng)化層的厚度增大[14]，強(qiáng)化層的組織會(huì)更加均勻；但如果激光功率過大，在熔池內(nèi)的材料會(huì)產(chǎn)生“汽化”，從而使激光強(qiáng)化層的孔隙率增大，同時(shí)在熔融區(qū)和冷卻區(qū)的截面處會(huì)因?yàn)闇囟忍荻冗^大而產(chǎn)生裂紋或者內(nèi)應(yīng)力曲變[15]。

圖1 各因素對(duì)綜合評(píng)分的影響示意圖Fig 1 Sketch map of the influence of various factors on the comprehensive scores

經(jīng)過上述的計(jì)算和分析，可以確定激光表面強(qiáng)化的優(yōu)化工藝參數(shù)為：激光功率650 W，掃描速度100 mm/min，光斑直徑4 mm，脈寬2.4 ms。

2.2 激光優(yōu)化工藝驗(yàn)證試驗(yàn)2.2.1 優(yōu)化前后顯微硬度和磨損率比較

采用上述優(yōu)化工藝參數(shù)在45鋼表面制備激光強(qiáng)化層，以檢驗(yàn)在該工藝條件下所制備的試樣表面強(qiáng)化層的顯微硬度和磨損率的綜合評(píng)分值是否為最高值。試驗(yàn)結(jié)果顯示，顯微硬度的平均值為HRC56.4 ，磨損率為9.3×10-5mm3/(N·m)。則其綜合評(píng)分的計(jì)算公式為

Y=mi1×ni1+mi2×ni2=6.25×56.4-3.97×9.3=315.58

同表4中其他工藝組合所制備的表面強(qiáng)化層比較可知，采用正交優(yōu)化參數(shù)制備的強(qiáng)化層具有較高的顯微硬度值和較低的磨損率，故其綜合性能最好。如圖2所示為表4中工藝參數(shù)優(yōu)化前3、5、7號(hào)試樣及優(yōu)化后試樣的表面顯微硬度值的對(duì)比?？梢钥吹剑簝?yōu)化后試樣的激光強(qiáng)化層硬度值分布較為均勻，且其硬度值也較高。如圖3所示為表4中工藝參數(shù)優(yōu)化前2、4、6號(hào)試樣與優(yōu)化后試樣的磨損率，可知優(yōu)化后試樣的磨損率明顯降低。

圖2 參數(shù)優(yōu)化前后試樣顯微硬度對(duì)比Fig 2 Comparison of microhardness of samples before and after parameter optimization

圖3 參數(shù)優(yōu)化前后試樣磨損率對(duì)比Fig 3 Comparison of wear rate of samples before and after parameter optimization

2.2 磨損形貌

圖4所示為表4中工藝參數(shù)優(yōu)化前2、4、6號(hào)試樣與優(yōu)化后試樣的激光強(qiáng)化層的磨損形貌對(duì)比。由圖4(a)可以看到：第2號(hào)試驗(yàn)試樣表面出現(xiàn)了裂紋，同時(shí)有表面材料的脫落，其磨損機(jī)制是典型的疲勞磨損。該強(qiáng)化層的性能最差，因而其綜合得分也最低。圖4(b)中的試樣磨損表面有大量的溝紋和條痕，磨損機(jī)制是磨粒磨損。由圖4(c)中試樣磨損表面的錐刺和脫落坑，可以判斷其磨損機(jī)制是黏著磨損，磨損試驗(yàn)時(shí)會(huì)有大量的表面材料的損失。由圖4(d)可以看到：采用正交優(yōu)化參數(shù)制備的試樣，其磨損表面僅有一些微小的劃痕，這說明其硬度值很高，耐磨性能也得到了提高?？梢?，采用正交優(yōu)化的激光加工工藝參數(shù)達(dá)到了優(yōu)化效果，制備出了顯微硬度值高、耐磨性能優(yōu)異的激光表面強(qiáng)化層。

圖4 參數(shù)正交優(yōu)化前后試樣激光表面強(qiáng)化層磨損形貌Fig 4 Wear morphology of laser surface hardening layer of samples before and after parameter optimization

3 結(jié)論

(1)4種參數(shù)對(duì)45鋼激光強(qiáng)化層綜合性能影響程度的主次順序是光斑直徑、脈寬、掃描速度、激光功率。

(2)利用正交實(shí)驗(yàn)得到的45鋼激光強(qiáng)化最優(yōu)工藝參數(shù)是：激光功率650 W，掃描速度100 mm/min，光斑直徑4 mm，脈寬2.4 ms。

(3)采用正交優(yōu)化工藝參數(shù)制備的激光強(qiáng)化層的顯微硬度值為HRC55.4，磨損率為9.3×10-5mm3/(N·m)。

(4)優(yōu)化前試樣磨損機(jī)制為疲勞磨損、磨粒磨損、黏著磨損，優(yōu)化后試樣磨損表面僅有一些微小的劃痕，耐磨性能明顯改善。