張永輝， 張雙杰,2， 王 偉， 馬世博,3， 閆華軍,4

(1. 河北科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050018；2. 河北省汽車沖壓模具技術(shù)創(chuàng)新中心, 河北 泊頭 062150；3. 汽車沖壓模具工程研究中心, 河北 泊頭 062150；4. 河北省汽車沖壓模具產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 河北 泊頭 062150)

汽車覆蓋件模具服役環(huán)境復(fù)雜，模具承受摩擦、擠壓等不同形式的載荷，對(duì)模具的質(zhì)量和壽命產(chǎn)生一定程度的影響，而模具的表面狀態(tài)直接影響著使用壽命和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。模具行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，對(duì)模具的要求日益提高，經(jīng)過(guò)表面強(qiáng)化技術(shù)處理的模具的表面性能(如耐磨性、耐蝕性及表面粗糙度)能夠得到很大的改善[2-3]。沖壓模具最主要的失效形式為磨損失效[4]，而磨損失效大多發(fā)生在模具表面或者是從模具的表面開始。鐵爭(zhēng)鳴[5]利用響應(yīng)面法并通過(guò)DEFORM軟件對(duì)沖壓成形效果進(jìn)行了仿真模擬，得出模具硬度是對(duì)凹模磨損極為重要的影響因素，影響大小僅次于模具預(yù)熱溫度。因此，提升模具工作表面的性能愈發(fā)重要。而激光表面淬火工藝相較于其他表面強(qiáng)化工藝在汽車覆蓋件模具的生產(chǎn)中具有更大的優(yōu)勢(shì)。

激光表面淬火又稱為激光相變硬化，適用于鋼鐵和鑄鐵等材料，由于激光束具有非常高的能量密度，能使材料表面被激光照射的部位快速被加熱到相變溫度以上，升溫速度可達(dá)104～106℃/s[6]，同時(shí)又由于材料的其他部位仍為室溫，在不需要借助油或水等冷卻介質(zhì)的條件下通過(guò)自身傳熱急劇冷卻，產(chǎn)生極大的過(guò)冷度，使材料的基體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я＜?xì)小的馬氏體，并且在材料表面形成壓應(yīng)力，提高材料的表面硬度、抗疲勞強(qiáng)度、耐磨性等性能[7]。同時(shí)又由于激光淬火技術(shù)的可控性好，產(chǎn)生的熱變形小等優(yōu)點(diǎn)，使得其在汽車、模具制造等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[8]。崔陸軍等[9]對(duì)50CrV鋼螺絲刀刃口進(jìn)行激光淬火試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)淬火工藝進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用激光淬火工藝，相變硬化層更深，強(qiáng)化效果更好。楊振等[10]研究了激光功率對(duì)40CrNiMoA鋼的影響，得出通過(guò)激光淬火處理后的試樣表面耐磨性得到較大的提升，黏著現(xiàn)象得到有效抑制的結(jié)論。何畏等[11]對(duì)42CrMo鋼牙輪鉆頭球面固定套軸承進(jìn)行了激光淬火模擬研究，結(jié)果表明表層組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到90%，表層硬度達(dá)到基體的3倍左右。

Telasang 等[12-13]研究了AISI H13工具鋼激光淬火后的組織與性能，并將其淬火后組織分為熔化區(qū)與熱影響區(qū)，熔化區(qū)組織為殘留奧氏體、馬氏體、枝晶和碳化物，熱影響區(qū)以馬氏體、彌散碳化物和粗碳化物為主。Chen等[14]對(duì)激光淬火后的40Cr鋼進(jìn)行了磨損分析，采用25 mm×6 mm的矩形光斑、1150 W的激光功率、480 mm/min的橫向掃描速度淬火后得到40Cr鋼的表面硬度為700 HV，硬化層厚度為0.9 mm，且耐磨性得到提高。Anusha等[15]在氬氣環(huán)境中對(duì)100Cr6鋼進(jìn)行了激光相變硬化，得出馬氏體細(xì)化會(huì)顯著影響表面殘余應(yīng)力。Hu等[16]研究了激光淬火時(shí)工藝參數(shù)與晶粒尺寸的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)增加激光功率、降低掃描速度使得材料表面宏觀晶粒尺寸增大。這是由于在更高的激光能量密度下，發(fā)生相變的區(qū)域增加，導(dǎo)致產(chǎn)生更多的等軸奧氏體晶粒。

以上研究均表明，激光淬火是提高模具表面性能，進(jìn)而提高模具整體壽命的有效手段。但是，目前對(duì)于鉻鉬鑄鐵的激光淬火工藝的研究仍然較少。因此，本文通過(guò)分析不同激光功率和掃描速度對(duì)鉻鉬鑄鐵的顯微組織、表面硬度及硬化層深度的影響，以獲得最優(yōu)的激光表面淬火工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為汽車覆蓋件模具用CrMo鑄鐵，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。在VEGA3掃描電鏡下觀察到原始微觀組織為珠光體+鐵素體+球狀石墨，如圖1所示。球化級(jí)別為3級(jí)，大部分石墨呈球狀，部分石墨呈團(tuán)絮狀。初始硬度為276.1 HV0.3。采用TH-3DC3000型激光加工系統(tǒng)對(duì)CrMo鑄鐵進(jìn)行激光表面淬火處理，激光光斑尺寸為5 mm×20 mm，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定激光淬火的工藝參數(shù)，見(jiàn)表2。經(jīng)激光表面淬火后，利用線切割沿垂直于掃描方向切取試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm。對(duì)試樣橫截面進(jìn)行打磨拋光后，利用TMVS-1型顯微硬度計(jì)測(cè)定顯微維氏硬度，測(cè)試點(diǎn)間隔取0.1 mm，加載載荷砝碼為0.3 kg，保荷時(shí)間為10 s。經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精溶液腐蝕后，利用VEGA3掃描電鏡觀察顯微組織。

表1 CrMo鑄鐵的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 CrMo鑄鐵顯微組織Fig.1 Microstructure of the CrMo cast iron

表2 激光表面淬火工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硬度分析

圖2為激光功率分別為2000、2300和2500 W時(shí)不同掃描速度下CrMo鑄鐵沿深度方向的顯微硬度分布。圖3為不同激光淬火參數(shù)下硬化層的深度。由圖2 可知，除2000 W、0.005 m/s和2000 W、0.006 m/s，其余激光淬火工藝參數(shù)下得到的硬化層的硬度均在400 HV0.3 以上，當(dāng)激光功率為2500 W、掃描速度為0.004 m/s時(shí)，表面硬度達(dá)到最大值804.3 HV0.3。對(duì)比基體的硬度可知，經(jīng)過(guò)激光表面淬火處理后，CrMo鑄鐵的表面硬度可以達(dá)到基體硬度的2.5～3倍。從硬化層表面開始，試樣沿深度方向的顯微硬度大致呈先在一定范圍內(nèi)波動(dòng)然后下降的趨勢(shì)。當(dāng)深度到達(dá)過(guò)渡區(qū)時(shí)，硬度曲線會(huì)出現(xiàn)陡降，且過(guò)渡區(qū)的范圍較窄。對(duì)比不同激光功率下試樣的表面硬度值發(fā)現(xiàn)，表面硬化效果的規(guī)律為2500 W>2300 W>2000 W。這是因?yàn)椴捎幂^大激光功率時(shí)，試樣表面吸收的能量更多，溫度迅速升高，表面能夠充分奧氏體化，相變驅(qū)動(dòng)力更強(qiáng)，利于馬氏體轉(zhuǎn)變。從圖3可以看出，在一定范圍內(nèi)，硬化層深度隨激光功率的增加而增加，因?yàn)樵谙嗤募す庾饔脮r(shí)間下，即掃描速度相同時(shí)，激光功率越大，試樣表面吸收的能量越多，加熱溫度更高，導(dǎo)致向下傳熱的深度越大，所以淬火后硬化層的深度更深。

圖2 不同激光功率下CrMo鑄鐵沿深度方向的硬度分布Fig.2 Hardness distribution along depth direction of the CrMo cast iron under different laser powers(a) 2000 W; (b) 2300 W; (c) 2500 W

圖3 不同激光淬火工藝參數(shù)下CrMo鑄鐵硬化層深度Fig.3 Depth of hardened layer of the CrMo cast iron under different laser quenching process parameters

分析掃描速度對(duì)CrMo鑄鐵表面硬度和硬化層深度的影響發(fā)現(xiàn)，掃描速度越快，表面硬度相對(duì)較低且硬化層深度較淺。這是因?yàn)閽呙杷俣瓤?，試樣表面加熱時(shí)間少，吸收的能量不充足，組織不能完全奧氏體化。但是需要指出的是，當(dāng)激光功率為2500 W時(shí)，掃描速度越慢，表面硬化層的深度反而越淺，這是由于當(dāng)激光功率過(guò)高時(shí)，掃描速度過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱、微熔現(xiàn)象發(fā)生，從而使硬化層深度減小。

在2300 W、0.003 m/s，2300 W、0.004 m/s，2500 W、0.005 m/s和2500 W、0.006 m/s參數(shù)下硬化層深度較深，均達(dá)到1 mm以上，且表面硬度較高，均在660 HV0.3 以上。其中，在2300 W、0.003 m/s參數(shù)下試樣的硬度變化較為平緩，有利于提高模具的使用壽命，故激光功率2300 W、掃描速度0.003 m/s為較優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

2.2 顯微組織分析

圖4為在2300 W、0.003 m/s工藝參數(shù)下，CrMo鑄鐵沿深度方向的SEM照片?？梢钥闯鲈嚇咏孛婵梢苑譃橛不瘏^(qū)、過(guò)渡區(qū)和基體3部分，并且發(fā)生相變的區(qū)域與基體之間有明顯的分界線。

圖4 激光功率2300 W、掃描速度0.003 m/s下激光淬火后CrMo鑄鐵的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM image of the CrMo cast iron laser quenched under laser power of 2300 W and scanning speed of 0.003 m/s

圖5為在2300 W、0.003 m/s參數(shù)下CrMo鑄鐵硬化區(qū)和過(guò)渡區(qū)的SEM照片。由圖5(a～c)可以看出，硬化區(qū)微觀組織由隱晶馬氏體、球狀石墨和殘留奧氏體組成。圖5(c)為圖5(a，b)中標(biāo)識(shí)的馬氏體組織在高倍掃描電鏡下的觀察結(jié)果。試樣表面經(jīng)過(guò)激光的輻射后，溫度迅速升高到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以上，CrMo鑄鐵基體的原始組織珠光體和鐵素體快速轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織，由于溫度迅速升高，金屬具有極大的過(guò)熱度，試樣表面的奧氏體形核數(shù)目急劇增加，此時(shí)，奧氏體的形核與生長(zhǎng)和石墨中碳原子的溶解同時(shí)進(jìn)行，由于球狀石墨中幾乎全是碳原子，使得在冷卻階段奧氏體生成的馬氏體組織中碳含量很高。并且因?yàn)樵诩す鈷呗雍罄鋮s速度極大，生成的隱晶馬氏體較為細(xì)小均勻，使得硬化區(qū)硬度很高。

由圖5(d～f)可以看出，過(guò)渡區(qū)組織由隱晶馬氏體、球狀石墨和珠光體組成。圖5(f)為圖5(d，e)中標(biāo)識(shí)的珠光體組織在高倍掃描電鏡下的觀察結(jié)果。由于隨著淬火層深度的增加，試樣表面吸收的熱量傳遞到過(guò)渡區(qū)時(shí)已經(jīng)減少很多，過(guò)渡區(qū)所能達(dá)到的最大瞬間溫度也降低，并且由于冷卻速度很快，奧氏體形核后沒(méi)有充分的時(shí)間長(zhǎng)大，使得轉(zhuǎn)變生成的馬氏體組織較為細(xì)小，呈環(huán)狀分布在球狀石墨周圍。同時(shí)，還能在過(guò)渡區(qū)看到存留少量的珠光體組織。

圖5 激光功率2300 W、掃描速度0.003 m/s下激光淬火后CrMo鑄鐵不同區(qū)域的SEM照片(a～c)硬化區(qū); (d～f)過(guò)渡區(qū)Fig.5 SEM images of different zones of the CrMo cast iron laser quenched under laser power of 2300 W and scanning speed of 0.003 m/s(a-c) hardened zone; (d-f) transition zone

總體來(lái)看，在經(jīng)過(guò)激光表面淬火后，試樣硬化層的主要顯微組織由珠光體和鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)殡[晶馬氏體，由于馬氏體具有高強(qiáng)度和高硬度，所以試樣的表層硬度得到顯著提高。隨著激光功率增加，掃描速度減小，且試樣表面未產(chǎn)生過(guò)熱時(shí)，材料表層達(dá)到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以上的區(qū)域增大，碳原子的擴(kuò)散加速，奧氏體化更為充分，所以由高激光功率、低掃描速度淬火得到的試件表層硬度值更高。試樣過(guò)渡區(qū)的主要顯微組織為隱晶馬氏體和珠光體。過(guò)渡區(qū)的溫度低于硬化區(qū)，并且熱量作用時(shí)間較短，鑄鐵奧氏體化不充分，殘留了部分珠光體，形成的馬氏體的數(shù)量也要遠(yuǎn)低于硬化區(qū)，所以過(guò)渡區(qū)的硬度相較于硬化區(qū)有下降的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

1) 當(dāng)激光功率為2300 W，掃描速度為0.003 m/s時(shí)，CrMo鑄鐵表面硬度較高，達(dá)到760 HV0.3，硬化層分布比較均勻，平均硬度值為724 HV0.3，并且硬化層深度較深，可達(dá)到1.4 mm以上，激光表面淬火效果最好。

2) CrMo鑄鐵經(jīng)2300 W、0.003 m/s參數(shù)的激光表面淬火后，硬化區(qū)組織為隱晶馬氏體、球狀石墨和少量殘留奧氏體，馬氏體組織分布比較均勻。過(guò)渡區(qū)由隱晶馬氏體、球狀石墨和部分尚未轉(zhuǎn)變的珠光體組成。