繆小吉，宋 璐，麻 恒，，顧曉明，孫 斐，，胡 靜

（1.常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代裝備制造學(xué)院，常州 213164；2.常州大學(xué)材料科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，常州 213164；3.常州天山重工機(jī)械有限公司，常州 213019）

18CrNiMo7-6是一種低碳表面硬化鋼，廣泛應(yīng)用于變速箱齒輪，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行表面滲碳或滲氮，可獲得高表面硬度、耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度等[1-3]。目前，提高齒輪表面硬度、耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度等綜合性能的表面改性方法主要包括：滲碳、滲氮、氮碳共滲等。其中氣體滲碳可獲得比滲氮厚得多的硬化層深，廣泛用在大型齒輪表面改性領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)氣體滲碳存在滲碳周期長(zhǎng)、能源消耗大的問(wèn)題。因此，提高齒輪鋼氣體滲碳效率一直是研究者關(guān)注的課題[4-8]。

近年來(lái)，將噴丸或噴砂作為氣體滲碳預(yù)處理得到了快速發(fā)展[9-12]。工件經(jīng)噴丸或噴砂預(yù)處理后，表層產(chǎn)生的晶格畸變有利于促進(jìn)隨后氣體滲碳過(guò)程中C原子的吸附與擴(kuò)散，從而有效提高氣體滲碳效率。

激光沖擊強(qiáng)化（Laser Shock Peening，LSP）是通過(guò)強(qiáng)激光誘導(dǎo)的沖擊波在金屬表層產(chǎn)生塑性變形，使表層位錯(cuò)密度增加，提高工件表層硬度和抗疲勞性，同時(shí)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的新型表面強(qiáng)化技術(shù)[13-15]。相對(duì)于噴丸或噴砂表面預(yù)處理方法，激光沖擊強(qiáng)化具有非接觸、無(wú)熱影響區(qū)、能耗低、可控性強(qiáng)及強(qiáng)化效果顯著等突出優(yōu)點(diǎn)。由此，本課題組預(yù)測(cè)，激光沖擊強(qiáng)化可能比噴丸或噴砂預(yù)處理對(duì)氣體滲碳具有更顯著的促進(jìn)作用。

為此，本研究首次采用激光沖擊作為氣體滲碳前預(yù)處理，探索其對(duì)氣體滲碳效率及組織性能的影響，旨在獲得效率顯著提升且組織性能優(yōu)良的高效快速氣體滲碳新技術(shù)。

試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為18CrNiMo7-6鋼，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：0.18C、0.21Si、0.70Ni、1.72Cr、0.26Mo，其余為Fe。采用線切割將18CrNiMo7-6 鋼切割成尺寸為10mm×10mm×5mm的試樣，再對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。將經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后的試樣分別用240～2000 目的SiC 砂紙進(jìn)行打磨拋光，并置于無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗15min，以得到潔凈的試樣表面。

激光沖擊處理在西北有色金屬研究院完成，設(shè)備為Nd：YAG 高功率激光沖擊強(qiáng)化裝置。具體步驟和工藝參數(shù)為：將試樣裝夾到激光沖擊裝置上，約束層為2mm 厚的流動(dòng)水介質(zhì)，吸收層為0.1mm 厚的碳黑膠帶，搭接率為50%。激光沖擊工藝參數(shù)為：激光波長(zhǎng)1064nm，光斑直徑3mm，脈沖寬度15ns，激光能量5J。

激光沖擊后對(duì)試樣進(jìn)行氣體滲碳，具體步驟為：將試樣放入氣體滲碳多用爐中，升溫到800℃，保溫2h，保持0.4%碳勢(shì)進(jìn)行滲碳，然后升溫至910℃，保持碳勢(shì)1.15%進(jìn)行4h強(qiáng)滲碳，再降低碳勢(shì)到0.68%進(jìn)行4h 擴(kuò)散，隨后爐冷至825℃，保溫2h后取出試樣放入50℃油中冷卻。氣體滲碳具體工藝流程如圖1所示。

采用DMI-3000M型光學(xué)顯微鏡觀察試樣滲層的組織形貌；TIME?3200 手持式粗糙度儀對(duì)LSP處理前后的試樣分別進(jìn)行了表面粗糙度測(cè)量，取樣長(zhǎng)度L為0.8mm，評(píng)定長(zhǎng)度為5L，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，濾波方式為Rc，量程為±80μm；采用HXD-1000TMC型顯微硬度計(jì)對(duì)硬度進(jìn)行測(cè)量，所用載荷為50g，保

結(jié)果與分析

1 激光沖擊后表面粗糙度和表面形貌

激光沖擊處理后試樣表層產(chǎn)生塑性變形，改變了表面微觀形貌。圖2為激光沖擊處理前后試樣的表面形貌?？梢钥闯?，激光沖擊后試樣表面不如沖擊前那樣光滑平整，形成了大量微凹坑。通過(guò)對(duì)試樣表面粗糙度測(cè)量，得出激光沖擊前試樣表面粗糙度為0.12μm，激光沖擊處理后試樣表面粗糙度的顯著增大到0.57μm。表面粗糙度的提高有利于提高滲碳過(guò)程中活性碳原子在表面吸附。

圖1 氣體滲碳流程圖Fig.1 Flow chart of gas carburization

圖2 激光沖擊處理前后試樣表面形貌Fig.2 Surface morphology of sample before and after laser shock treatment

圖3 激光沖擊處理前后試樣的截面硬度曲線Fig.3 Cross-section hardness curve of sample before and after laser shock treatment

2 激光沖擊后截面硬度分析

圖3為激光沖擊處理前后試樣的截面硬度曲線?？梢钥闯觯c未經(jīng)壓時(shí)間為15s，離表面相同距離測(cè)量3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，取平均值為該距離的硬度值，并由截面硬度曲線測(cè)量計(jì)算滲碳層深，滲碳層深為硬度為550HV0.05處到表面的距離[10]。采用HT-600摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在200r/min 轉(zhuǎn)速和2mm 旋轉(zhuǎn)半徑下，對(duì)磨時(shí)間20min，載荷為200g 進(jìn)行磨損試驗(yàn)，磨損試驗(yàn)后采用金相顯微鏡觀察磨痕形貌。激光沖擊處理試樣相比，激光沖擊試樣表層得到強(qiáng)化，表面硬度明顯提高，比基體提高約95HV0.05；同時(shí)，厚度約220μm 區(qū)域內(nèi)硬度都不同程度提高，說(shuō)明激光沖擊處理使表層約220μm 深度范圍內(nèi)產(chǎn)生了塑性變形，且越靠近表面，顯微硬度越高，說(shuō)明塑性變形程度越大，位錯(cuò)密度越高；隨著距表面距離增加，顯微硬度緩慢降低，達(dá)到非變形區(qū)域后硬度為基體硬度。

3 顯微組織分析

圖4為激光沖擊處理前后試樣表面晶粒度及氣體滲碳后顯微組織。其中，圖4（a）為對(duì)應(yīng)無(wú)激光沖擊預(yù)處理；圖4（b）為對(duì)應(yīng)激光沖擊預(yù)處理?？梢钥闯?，激光沖擊使試樣表面晶粒顯著細(xì)化，從而使表面自由能提高，促進(jìn)C原子在表面吸附。同時(shí)，由于C原子沿晶界擴(kuò)散速度大大高于晶內(nèi)擴(kuò)散，晶粒細(xì)化將有利于提高C原子擴(kuò)散速度，從而提高氣體滲碳速度。

4 截面顯微硬度分析

圖5給出了有無(wú)激光沖擊預(yù)處理?xiàng)l件下氣體滲碳試樣的截面顯微硬度。可以看出，試樣表面硬度由表及里逐漸降低，相比于未經(jīng)激光沖擊預(yù)處理的試樣，激光沖擊試樣表面硬度略高且硬度梯度下降變緩。同時(shí)，相同氣體滲碳條件下，可獲得更高的滲碳層深，滲層深度由1.24mm 增加到1.49mm，即滲碳效率提高了約20%，滲碳層深以硬度為550HV0.05處到表面的距離為準(zhǔn)。

5 耐磨性分析

為直觀比較激光沖擊對(duì)氣體滲碳試樣耐磨性的影響，對(duì)試樣進(jìn)行了磨損試驗(yàn)并對(duì)比分析磨痕形貌。圖6為有無(wú)激光沖擊預(yù)處理?xiàng)l件下氣體滲碳試樣的磨痕形貌。可以看出，未經(jīng)激光沖擊預(yù)處理試樣表面產(chǎn)生了嚴(yán)重的劃痕和平行的溝槽，而經(jīng)過(guò)激光沖擊預(yù)處理的試樣，形成了較小的磨痕，且表面比較平整。由此說(shuō)明，激光沖擊預(yù)處理使試樣耐磨性提高。

機(jī)理討論

上述研究結(jié)果表明，在相同氣體滲碳工藝條件下，激光沖擊預(yù)處理后氣體滲碳效率顯著增加。同時(shí)，激光沖擊后氣體滲碳試樣表層硬度從680HV0.05提高到700HV0.05，且截面硬度梯度下降較緩，可提升滲碳層與基體結(jié)合力。

圖4 激光沖擊處理前后試樣表面晶粒度及氣體滲碳后顯微組織Fig.4 Surface grain size and microstructure of sample before and after laser shock treatment

圖5 有無(wú)激光沖擊預(yù)處理?xiàng)l件下氣體滲碳試樣的截面顯微硬度Fig.5 Cross-section microhardness of a gas carburized sample with or without laser shock pretreatment

圖6 有無(wú)激光沖擊預(yù)處理?xiàng)l件下氣體滲碳試樣的磨痕形貌Fig.6 Morphology of gas carburized samples with or without laser shock pretreatment

結(jié)合激光沖擊處理對(duì)試樣的表面形貌特性及截面硬度影響，可以得出激光沖擊預(yù)處理提高氣體滲碳效率和性能的作用機(jī)理為：

（1）激光沖擊使表面粗糙度提高，特別是表層晶粒細(xì)化，因而表面自由能增加，有利于活性C原子在試樣表面吸附。

（2）激光沖擊產(chǎn)生的變形層內(nèi)形成了大量亞晶界和位錯(cuò)密度等微觀晶體缺陷，由擴(kuò)散理論可知，C原子沿亞晶界及位錯(cuò)等晶體缺陷的擴(kuò)散速度大大高于體擴(kuò)散速度，因而激光沖擊有利于提高C原子向基體內(nèi)的擴(kuò)散速度，從而使變形層內(nèi)具有較高的C 濃度。

結(jié)論

采用現(xiàn)有氣體滲碳工藝流程對(duì)18CrNiMo7-6 齒輪鋼進(jìn)行氣體滲碳，通過(guò)添加激光沖擊預(yù)處理工序，研究激光沖擊對(duì)氣體滲碳的影響及作用機(jī)理，得出如下結(jié)論：

（1）激光沖擊使試樣表面粗糙度提高，從0.12μm 增大到0.57μm，有利于活性C原子吸附。

（2）激光沖擊處理后形成了厚度約220μm的變形層，表層硬度提高，從而有利于活性C原子吸附和向內(nèi)擴(kuò)散。

（3）激光沖擊對(duì)氣體滲碳具有良好的促進(jìn)作用。相同滲碳工藝條件下，滲碳層厚度由1.24mm 提升到1.49mm，相當(dāng)于滲碳效率提高了約20%。

（4）激光沖擊后氣體滲碳試樣具有更高的表面硬度、緩和的截面硬度梯度，同時(shí)耐磨性提高。