張劍平，蔣克全，羅軍明

(1.南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330063；2.中國(guó)航空工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

激光強(qiáng)化熱處理也稱為激光相變硬化處理或激光淬火，其原理是利用高能密度的激光束快速掃射工件待處理部位，工件在瞬間將吸收的激光能轉(zhuǎn)為熱能而使工件局部溫度快速上升到奧氏體化溫度，在激光掃射停止后，因急冷而使奧氏體發(fā)生馬氏體相變，實(shí)現(xiàn)工件的自冷淬火。激光相變硬化后的硬度高于普通淬火[1-3]。因此激光熱處理在工業(yè)上金屬構(gòu)件硬化方面得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。

CrWMn是冷作模具鋼，經(jīng)常規(guī)淬火熱處理后其硬度一般在59～61 HRC左右，耐磨性較差，使用壽命較低[7-8]。目前，用于鈦合金孔冷擠壓強(qiáng)化棒，一般要求熱處理后硬度為63～66 HRC，然而CrWMn冷作模具鋼現(xiàn)有熱處理工藝難于滿足該要求。

本文采用激光相變硬化熱處理技術(shù)對(duì)CrWMn合金進(jìn)行激光表面熱處理，以期獲得所需的硬度和耐磨性。研究激光淬火工藝(激光功率、掃描速度等)對(duì)硬化層顯微組織、結(jié)構(gòu)和深度的影響規(guī)律，探討CrWMn鋼激光淬火的硬化機(jī)制，為CrWMn鋼激光淬火應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和方法

基體材料為CrWMn冷作模具鋼，其主要化學(xué)成分見表1。

表1 CrWMn鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

為了獲得良好的機(jī)械性能，先對(duì)試樣進(jìn)行真空淬火和回火處理，作為其表面激光熱處理的預(yù)處理。真空淬火爐型號(hào)為ZC2-65，回火爐型號(hào)為SX-2.5-10，工藝參數(shù)為：830 ℃× 60 min 淬火+200 ℃×3 h 火空冷，預(yù)處理后試樣硬度為60～62 HRC。激光熱處理前為去除表面的油污等，利用超聲清洗儀對(duì)預(yù)處理后的試樣進(jìn)行清洗，然后用酒精擦拭干凈，干燥后將試樣進(jìn)行1 h的磷化處理，晾干備用。為防止激光熱處理對(duì)試樣燒損，提出了控制試樣表面溫度的設(shè)想，在激光器旁配置了紅外測(cè)溫儀。運(yùn)用紅外測(cè)溫儀監(jiān)控試樣表面的溫度，然后通過(guò)調(diào)節(jié)激光的實(shí)時(shí)輸出功率來(lái)調(diào)控試樣表面溫度。本試驗(yàn)所有激光熱處理器型號(hào)為HGLaser6060，其工藝參數(shù)見表2，其中光斑直徑為3 mm。

表2 激光熱處理工藝參數(shù)

采用XJT-02型立式顯微鏡觀察組織，HR-150A洛氏硬度計(jì)測(cè)定硬度。采用WTM-2E型磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)磨頭(上試片)為GCrl5，轉(zhuǎn)速為400 r/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 金相組織

圖1為CrWMn試樣激光熱處理的心部和表面顯微組織(功率1.5 kW，掃描速度4.0 mm/s)?？梢钥闯?，材料經(jīng)過(guò)激光強(qiáng)化處理后，表層的顯微組織比心部的更細(xì)小，表層淬硬區(qū)組織為隱晶馬氏體+合金碳化物+殘留奧氏體，淬硬區(qū)組織較細(xì)小。這是因?yàn)樵诩す飧吣芰棵芏裙馐丈湎?，工件表面產(chǎn)生較大的過(guò)熱度，使得相變驅(qū)動(dòng)力增大，導(dǎo)致奧氏體形核率升高；同時(shí)，彌散的碳化物阻礙了奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，使奧氏體晶粒超細(xì)化，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的馬氏體組織。

(a)心部組織；(b) 表面硬化層組織圖1 CrWMn試樣激光熱處理的顯微組織(a)microstructure of core;(b) microstructure of surface hardened layerFig.1 Microstructure of CrWMn specimen by laser heat treatment

2.2 表面硬度及表面硬化層硬度梯度

表3為功率1.5 kW和不同掃描速度條件下試樣的硬度值。可以看出，當(dāng)掃描功率為1.5 kW時(shí)，隨掃描速度增加其表面硬度先增加后減小，掃描速度為4 mm/s時(shí)其硬度最大，平均達(dá)到64.1 HRC，比真空熱處理表面硬度提高了3～4 HRC。

表3 激光熱處理后表面硬度值(HRC)

硬度測(cè)試部位為沿激光熱處理帶中間切開，經(jīng)打磨拋光后，按一定間距從邊沿向內(nèi)部逐點(diǎn)測(cè)試，測(cè)試載荷為200 g。圖2為激光熱處理功率1.5 kW和掃描速度為4.0 mm/s條件下試樣的硬度梯度分布圖。從圖中可以看出，激光表面熱處理強(qiáng)化后的硬度分布曲線為表面硬度高，然后由表面向中間逐漸降低，再逐漸上升至中心區(qū)常規(guī)熱處理后的硬度。這是因?yàn)榧す獗砻鎻?qiáng)化處理過(guò)程中試樣由表及里按照受熱程度分為相變區(qū)、熱影響區(qū)和中心區(qū)[9]。由于試樣表面受到激光高能束的照射，溫度瞬間升高，達(dá)到相變溫度以上，從而發(fā)生相變；而且冷卻速度較快，形成淬火組織導(dǎo)致表層硬度較高，但有時(shí)最表面會(huì)有輕微脫碳現(xiàn)象，因此最高硬度處有可能不是最表面。本實(shí)驗(yàn)表面層硬度很高，最高硬度超過(guò)920 HV。這是因?yàn)榧す饧訜釙r(shí)，表面升溫速度可達(dá)104～105℃/s，使工件表面的溫度快速達(dá)到奧氏體化溫度，隨后通過(guò)自身熱傳遞以104℃/s的冷速冷卻。如此快的加熱冷卻過(guò)程，一方面造成很大的過(guò)熱度及相變驅(qū)動(dòng)力，奧氏體形核率劇增，并在快速加熱的瞬間使奧氏體化晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，轉(zhuǎn)變成極細(xì)小的馬氏體[10]；另一方面，在激光加熱條件下，鋼材內(nèi)的原子擴(kuò)散不充分，來(lái)不及進(jìn)行均勻化，因此奧氏體中的碳和合金元素的偏析程度也增大，從而導(dǎo)致奧氏體中含碳量相似的微觀區(qū)域變小。隨后，在快速冷卻條件下，不同的微觀區(qū)域內(nèi)馬氏體形成溫度差異性增大，也是導(dǎo)致細(xì)小馬氏體組織形成的一個(gè)因素。

圖2 CrWMn鋼激光熱處理后的硬度梯度分布Fig.2 Hardness gradient distribution of CrWMn steel after laser heat treatment

綜上所述，激光相變硬化提高材料性能的機(jī)理是淬火過(guò)程中急熱急冷，促進(jìn)極細(xì)馬氏體、高位錯(cuò)密度、高晶格缺陷和表面壓應(yīng)力的形成，進(jìn)而提高了材料的硬度、耐磨性。從圖中可以看出，表層硬度超過(guò)800 HV(相當(dāng)于64 HRC)，硬化層厚度超過(guò)0.60 mm，說(shuō)明其硬化層比較厚，對(duì)提高其表面耐磨性起到很好作用。緊接著相轉(zhuǎn)變的區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)，該區(qū)域大小受材質(zhì)本身的導(dǎo)熱性影響而不同，其特點(diǎn)是硬度比正常預(yù)備熱處理低。這是因?yàn)樵诩す鈴?qiáng)化處理前通常經(jīng)過(guò)真空熱處理強(qiáng)化，而熱影響區(qū)的溫度達(dá)不到相變溫度，進(jìn)行激光熱處理強(qiáng)化過(guò)程中熱影響區(qū)相當(dāng)于進(jìn)行一次高溫回火，因此硬度會(huì)比中心區(qū)硬度(亦即之前常規(guī)熱處理后的硬度)還要低，而且其降低幅度與構(gòu)件尺寸和材質(zhì)有關(guān)(實(shí)際是構(gòu)件的儲(chǔ)熱能力)。最后區(qū)域?yàn)橹行膮^(qū)，即構(gòu)件真空熱處理后區(qū)域，該部分區(qū)域沒(méi)有受到激光熱量的影響，其組織和硬度與原始一樣[11]。

2.3 磨損試驗(yàn)

在球盤式摩擦磨損機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，選擇載荷400 g，摩擦副選用直徑為4 mm的 Gr15小球，磨損時(shí)間為40 min。

圖3為激光熱處理前后磨損量對(duì)比。從圖可知，激光強(qiáng)化處理試樣磨損量比普通熱處理試樣的磨損量大約減少50%，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)強(qiáng)化處理后，從表至里，硬化層硬度呈梯度下降趨勢(shì)，即表面硬度最高，耐磨性最好。但隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，表層將逐漸被磨去，其摩擦接觸面的硬度值隨之逐漸降低，造成磨損隨之加劇，最終使零件因磨損量過(guò)大而失效。而經(jīng)過(guò)激光熱處理強(qiáng)化后，雖然在磨損過(guò)程中表層也被磨損掉，但次表層的硬度仍然較高，耐磨性較好，因而不會(huì)發(fā)生磨損隨之逐漸加劇的現(xiàn)象，從而大大提高了模具零件的耐磨損壽命，故激光相變硬化模具的使用壽命能提高幾倍甚至十幾倍[12]。

圖3 CrWMn激光熱處理前后磨損量對(duì)比Fig.3 Comparison of the weight loss of CrWMn sample before and after laser heat treatment

圖4為激光熱處理前后摩擦系數(shù)的對(duì)比，由于激光熱處理試樣淬火層的硬度比未激光熱處理試樣高，從而降低了粘著磨損程度和表面粗糙度，所以其摩擦因數(shù)比未激光熱處理試樣低[13-14]。隨著磨損試驗(yàn)的進(jìn)行，激光淬火層被磨損掉，摩擦因數(shù)開始逐漸上升并且趨于穩(wěn)定，達(dá)到0.4左右。

圖4 CrWMn激光熱處理前后摩擦系數(shù)對(duì)比Fig.4 Comparison of the friction coefficient of CrWMn sample before and after laser heat treatment

2.4 應(yīng)用

中國(guó)航空工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)鈦合金孔冷擠壓強(qiáng)化棒現(xiàn)采用CrWMn制造，目前采用真空熱處理硬度59～61 HRC，在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其耐磨性較差，使用壽命很短，擠壓一次后就報(bào)廢。主要原因是CrWMn普通熱處理后組織較粗大，硬度不高，耐磨性差，因而壽命差。而采用本實(shí)驗(yàn)工藝對(duì)鈦合金孔冷擠壓強(qiáng)化棒進(jìn)行激光熱處理，其表面硬度達(dá)到64 HRC以上，至少使用5次，有的甚至可以使用8～10次。目前已經(jīng)使用600多根擠壓棒，擠壓次數(shù)均超過(guò)5次，其使用壽命顯著提高且穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1)CrWMn鋼激光熱處理較普通熱處理所獲得的金相組織更細(xì)小，其表層淬硬區(qū)的組織為隱晶馬氏體+合金碳化物+殘留奧氏體。

2)CrWMn鋼激光熱處理表面硬化層厚度約為0.6 mm，且表面硬度明顯高于基體。

3)CrWMn鋼激光熱處理較普通熱處理有較好的耐磨性和更低的摩擦系數(shù)，其磨損量比普通熱處理后試樣的磨損量大約減少50%。

4)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明鈦合金孔冷擠壓強(qiáng)化棒采用激光熱處理比普通熱處理使用壽命提高5倍以上。