伏 利，陳小明，劉 偉，霍嘉翔，李育洛，張 凱

(1. 水利部 a. 產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所， b. 杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，浙江 杭州 310012；2. 北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

[收稿日期] 2022-02-01

[基金項(xiàng)目] 浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2019C04019)；浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(G C19E090001)資助

[通信作者] 伏 利(1982-)，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榧す馊鄹布夹g(shù)，金屬表面強(qiáng)化，腐蝕與磨損防護(hù)技術(shù)，電話：0571-88082819，E - mail:fulitop@163.com

0 前 言

0Cr13Ni4Mo不銹鋼因具有優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性、耐磨性、可鑄造性和焊接性，被廣泛應(yīng)用于水力機(jī)械的過流部件中，以提高其抗磨、抗腐蝕和抗沖蝕性能。但受材料本身硬度低(約240 HV1 N)的限制，當(dāng)服役在高泥沙水流環(huán)境中時(shí)，仍然無法解決磨蝕、腐蝕、磨損等問題，大大縮短了過流部件的壽命，嚴(yán)重影響了水電站及泵站運(yùn)行效率和安全性能，這也對(duì)水力機(jī)械過流部件的抗磨、抗蝕性能提出了更高的要求[1-4]。目前，應(yīng)用最為廣泛的是通過熱噴涂技術(shù)和激光熔覆技術(shù)制備抗磨、抗蝕涂層從而提高水力機(jī)械過流部件抗磨、抗蝕性能，但這2類技術(shù)在制備抗磨、抗蝕涂層時(shí)需要大量的氣體、粉末等原材料，成本較高[5-7]。激光淬火又稱激光相變硬化，是利用激光將金屬材料加熱到相變點(diǎn)以上但低于熔點(diǎn)，依靠金屬材料自身傳導(dǎo)快速冷卻從而達(dá)到淬火目的，實(shí)現(xiàn)馬氏體相變硬化的表面技術(shù)。激光淬火技術(shù)具有功率密度高、冷卻速度快、熱變形小、淬火層硬度高、非接觸式加熱、激光束發(fā)散角很小的特點(diǎn)，并且具有很好的指向性，還可以實(shí)現(xiàn)精確定量、定位精確的數(shù)控淬火，適用于軋輥、導(dǎo)軌、大型齒輪、軸頸、汽缸內(nèi)壁、模具等部件的表面強(qiáng)化[8-10]。而且激光淬火技術(shù)不需要外加材料，可大大降低成本，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

在激光淬火工藝中，影響淬火層質(zhì)量的有：激光功率、熔覆速度、光斑尺寸等。本工作進(jìn)行了激光功率對(duì)水泵常用材料0Cr13Ni4Mo不銹鋼淬火層性能影響的研究，為水輪機(jī)、水泵等過流部件耐磨耐蝕提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣前處理與激光熔覆

本實(shí)驗(yàn)用的基體材料0Cr13Ni4Mo不銹鋼其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：C≤0.060，Si≤0.800，Mn≤1.000，P≤0.035，S≤0.025，Cr 11.500～13.500，Ni 3.500～5.000，Mo 0.400～1.000。在激光淬火前，先將基體表面用酒精清洗干凈，再放置于保溫箱中烘干備用。激光淬火設(shè)備采用LDF 4000 - 100 VGP半導(dǎo)體光纖耦合激光器，并采用KUKA機(jī)器人夾持激光頭控制熔覆速度。激光淬火的光斑為矩形光斑，光斑尺寸：L=16.5 mm，D=2.5 mm。本實(shí)驗(yàn)激光功率P分別為2.5，3.0，3.5 kW，熔覆速度v均為12 mm/s，對(duì)應(yīng)的試樣記為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)。

1.2 測(cè)試表征

將淬火后試樣線切割成10 mm×10 mm方形，利用PRESI Mecapress 3型鑲嵌機(jī)對(duì)切割后的試樣進(jìn)行鑲嵌；利用BUEHLER MetaServ250型磨拋機(jī)對(duì)鑲嵌后的試樣進(jìn)行打磨、拋光；利用HXD - 1000TMC/LCD顯微硬度測(cè)試儀測(cè)試熔覆層的顯微硬度，測(cè)試條件為1 N載荷，加載時(shí)間10 s，試樣測(cè)試時(shí)沿縱向每間隔50 μm取點(diǎn)打硬度，取點(diǎn)方向：由表及里。

利用落球沖擊韌性試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣做沖擊韌性試驗(yàn)，在光學(xué)輪廓儀下觀察涂層沖擊后的凹坑，得到凹坑直徑和深度數(shù)據(jù)，將通過凹坑直徑和深度對(duì)比分析試樣的抗沖擊韌性。沖擊韌性試驗(yàn)參數(shù)：鋼球質(zhì)量m=880 g，鋼球下落高度h=1.5 m，沖擊能量E=mgh=12.94 J。

利用HT - 1000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的抗磨損性能，摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)：加載力5 N，試驗(yàn)時(shí)間180 min。利用高精度天平對(duì)試驗(yàn)前后的試樣進(jìn)行稱重，通過失重分析比較3種淬火層的抗磨性能。并利用ULTRA55場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察淬火層的摩擦磨損形貌，分析其磨損機(jī)理。

2 結(jié)果與分析

2.1 淬火層的硬度與顯微組織

表1為3種功率下0Cr13Ni4Mo不銹鋼激光淬火層縱向顯微硬度統(tǒng)計(jì)表。

表1 不同功率激光淬火層顯微硬度 HV1 N

從表中可以看出當(dāng)激光功率為2.5 kW時(shí)，淬火層硬度最大約為478.8 HV1 N，當(dāng)激光功率為3.0 kW時(shí)，淬火層硬度最大約為612.5 HV1 N，當(dāng)激光功率為3.5 kW時(shí)，淬火層硬度最大約為669.8 HV1 N，均大于基體0Cr13Ni4Mo的硬度約240 HV1 N。這主要是由于激光淬火過程是快速加熱冷卻的過程，加熱速度可達(dá)104～109℃/s，基體表層區(qū)域瞬間吸收一部分熱量后以極快的速度升到奧氏體化溫度以上、熔點(diǎn)以下，當(dāng)停止激光作用后，由于熱傳導(dǎo)作用，溫度迅速下降，冷卻速度可達(dá)104～105℃/s，從而實(shí)現(xiàn)工件的表面自冷淬火，形成了馬氏體和殘余奧氏體，提高了淬火層的硬度、強(qiáng)度及耐磨性[11-13]。

圖1為3種功率下激光淬火層縱向顯微硬度變化規(guī)律曲線。3種功率下的淬火層硬度均表現(xiàn)為表層硬度略低于內(nèi)部，但隨深度的增加又呈降低趨勢(shì)，直至接近基體的硬度。1號(hào)淬火層的硬度在第6個(gè)點(diǎn)時(shí)硬度降到269.4 HV1 N，2號(hào)淬火層的硬度在第11個(gè)點(diǎn)時(shí)硬度降到268.3 HV1 N，3號(hào)淬火層的硬度在第20個(gè)點(diǎn)時(shí)硬度降到247.6 HV1 N，均接近基體硬度，說明激光淬火熱影響在此處已減弱為零，由此可以計(jì)算出3種激光功率下的淬火層深度分別約為：200，450，900 μm。

2.3 抗沖擊韌性

圖2是3種功率下的激光淬火層以及基體在沖擊韌性試驗(yàn)后，置于光學(xué)輪廓儀下觀察所得到的凹坑度圖，通過軟件分析得到基體0Cr13Ni4Mo沖擊凹坑深度約82 μm，直徑約5.0 mm ；在2.5 kW時(shí)激光淬火層的沖擊凹坑深度約65 μm，直徑約4.0 mm；在3 kW時(shí)激光淬火層的沖擊凹坑深度約50 μm，直徑約3.8 mm；在3.5 kW時(shí)激光淬火層的沖擊凹坑深度約40 μm，直徑約3.5 mm。

隨著功率的增大，淬火層的凹坑深度和凹坑直徑均是逐漸減小的。這主要是因?yàn)榛w表面在激光淬火后形成了一層馬氏體硬質(zhì)層，硬質(zhì)層的硬度直接影響沖擊韌性，從硬度和沖擊韌性變化關(guān)系可知，淬火層的抗沖擊韌性與其硬度成正比例關(guān)系。

2.4 抗磨損性能

圖3為3種功率下的激光淬火層摩擦系數(shù)對(duì)比圖。

3種淬火層的起始摩擦系數(shù)均在0.75左右，隨著摩擦?xí)r間的推移發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)均呈下降趨勢(shì)，1號(hào)淬火層的摩擦系數(shù)在第50 min后呈逐漸上升的趨勢(shì)， 最終穩(wěn)定在0.80左右；2號(hào)淬火層的摩擦系數(shù)下降緩慢，在第100 min后瞬間降低至0.65左右，隨后上升穩(wěn)定在0.70左右；3號(hào)淬火層的摩擦系數(shù)下降后穩(wěn)定在0.55左右。較低的摩擦系數(shù)可提高材料的抗磨損性能。

表2為3種功率下的激光淬火層與基體經(jīng)過180 min磨損后的失重對(duì)比數(shù)據(jù)，基體失重>1號(hào)淬火層失重>2號(hào)淬火層失重>3號(hào)淬火層失重，3種激光淬火層的磨損失重隨著功率的增大而減小，抗磨損性則反之。

表2 0Cr13Ni4Mo不銹鋼與激光淬火層摩擦磨損失重

圖4為3種激光淬火層經(jīng)過180 min摩擦磨損后的表面微觀形貌。

圖4a，4c,4e為3種淬火層的低倍圖，由圖可以看出摩擦磨損的痕跡呈逐漸減弱的趨勢(shì)，在2.5 kW時(shí)淬火層有較大的凹坑和較深的犁溝，在3.0 kW時(shí)凹坑和犁溝明顯減弱，但仍存在一定量的凸起，在3.5 kW時(shí)淬火層摩擦磨損痕跡較為平整光滑，存在較輕的磨痕。在高倍下觀察(如圖4b，4d，4f)可以看出，在2.5 kW時(shí)淬火層的犁溝較深，并有較大的凹坑，這主要是淬火層硬度較低，在切應(yīng)力的循環(huán)作用下大量剝落形成的；在3.0 kW時(shí)淬火層呈明顯的魚鱗狀翹片和一定的凹坑，這主要是在磨損過程中，較軟的淬火層在切應(yīng)力下刮傷形成磨屑堆積在粗糙表面上，在壓應(yīng)力作用下造成的黏著磨損引起的翹片，再加上摩擦過程中的閃溫作用，磨屑堆積在表面也易產(chǎn)生塑性變形，隨著磨損時(shí)間的推移，其中一部分翹片被剝落下來形成了凹坑；在3.5 kW時(shí)淬火層呈較輕的魚鱗狀翹片和相對(duì)較輕的犁溝，這主要是該淬火層硬度相對(duì)較高，抗顯微犁削能力較強(qiáng)。

從磨損機(jī)理來看，3種功率下的激光淬火層均為黏著磨損。黏著磨損量Q可用Archard公式表示如下[14]：

(1)

式中σs≈P/3，σs為壓縮屈服極限，MPa；P為顯微硬度，MPa；k為磨損系數(shù)，k與摩擦系數(shù)μ成正比例關(guān)系；F為加載的載荷，N；L為磨損距離，mm。

由式(1)可以看出，在法向作用力F和磨損距離L相同的情況下，激光淬火層的磨損量Q與磨損系數(shù)k成正比例關(guān)系，也就是與摩擦系數(shù)μ成正比例關(guān)系；而與顯微硬度P成反比例關(guān)系。因此，降低磨損系數(shù)k或者提高淬火層的顯微硬度P可降低磨損量Q，從而提高材料的抗磨損性能。通過比較3種激光功率下淬火層的磨損量與摩擦磨損系數(shù)、顯微硬度的關(guān)系也證明了這一點(diǎn)。

3 結(jié) 論

(1)0Cr13Ni4Mo不銹鋼經(jīng)過激光淬火后，淬火層因快速加熱冷卻呈馬氏體，提高了涂層的硬度和抗磨損性能。

(2)在激光淬火功率分別為2.5，3.0，3.5 kW下制備的3種淬火層的顯微硬度、抗沖擊韌性、抗磨損性能與激光功率變化關(guān)系綜合比較發(fā)現(xiàn)，淬火層的顯微硬度、抗沖擊韌性、抗磨損性能均隨激光淬火功率的增大而呈增大的趨勢(shì)。

(3)淬火層的磨損機(jī)理是黏著磨損。降低摩擦系數(shù)和提高顯微硬度可提高涂層的抗磨損性能。