分享：激光淬火对不同预处理合金钢表面组织和硬度的影响

0.   引言

18CrNiMo7-6钢是制造渗碳齿轮常用的钢材,在制造齿轮时,通常会对该钢进行调质处理,再进行表面渗碳淬火处理；而对于一些心部组织要求较高的大型齿轮,对其进行调质预处理后,还需再进行伪渗碳处理来调整心部的显微组织,最后进行表面渗碳淬火处理以改善表面性能。经过上述处理后18CrNiMo7-6钢“外强内韧”[1],表面硬度可达700 HV以上。然而,渗碳淬火工艺存在生产周期长、效率低、成本高、会产生有害气体等问题[2]。激光淬火作为一种高效的表面强化技术,具有淬火表面质量高、适应性好以及易实现局部淬火等优点,在不同合金钢上得到了应用[3-4]。杨俊龙等[5]研究了高功率激光淬火对35CrMo钢表层组织和耐磨性能的影响,发现当激光功率为3 200 W时,材料表面硬度最高,磨损率最小。REN等[3]研究发现,激光淬火后45钢表面能够达到的最大硬度取决于材料本身,当材料硬度提升到一定程度时激光功率与扫描速度对其硬度的提升不再明显。WANG等[4]研究发现,激光淬火后铸铁的表面硬度提高了4倍以上,表面残余应力由拉应力变为压应力,摩擦因数也显著提高。然而,目前未见关于激光淬火后18CrNiMo7-6钢表面硬化效果的研究。18CrNiMo7-6钢具有良好的淬透性,理论上可以更好地吸收激光能量并保持较高的温度梯度,从而产生较好的硬化效果。 

作者对调质预处理和调质+伪渗碳处理后的18CrNiMo7-6钢在不同激光功率和不同扫描速度下进行激光淬火处理,研究了激光淬火对两种预处理试验钢表面硬化效果的影响,为评估激光淬火代替传统渗碳淬火表面强化工艺的可能性提供参考。 

1.   试样制备与试验方法

试验材料为18CrNiMo7-6钢,由沈阳鼓风机有限公司提供,供货态为正火态,其化学成分（质量分数/%）为0.18C,0.29Si,0.58Mn,1.59Ni,0.006P,0.001S,1.64Cr,0.31Mo,尺寸为?12 cm×10 mm。对试验钢分别进行调质预处理和调质+伪渗碳预处理：调质预处理工艺为950 ℃保温4 h空冷+650 ℃保温2 h空冷,调质+伪渗碳预处理工艺为调质预处理+930 ℃保温8 h空冷+850 ℃保温2 h空冷+780 ℃保温2 h+油冷至180 ℃空冷。采用FFSC-4000F型光纤激光发生器对预处理后的试验钢进行单道激光淬火处理,光斑为矩形,宽度为20 mm,长度为1 mm。当扫描速度为8 mm·s−1时,激光功率分别为1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,3 500 W；当激光功率为2 500 W时,扫描速度分别为2,4,6,8,10,12 mm·s−1。 

在激光淬火后的试验钢表层取样,经打磨抛光、体积分数4%硝酸乙醇溶液腐蚀10~15 s后,采用Nikon-MA100型光学显微镜观察显微组织,并测量硬化层深度。采用MVC-1000B型维氏硬度计测试截面硬度,载荷为4.9 N,保载时间为15 s,从表面向基体方向每隔100 μm取点测试,相同深度测3个点取平均值。 

2.   试验结果与讨论

2.1   激光功率对硬化层组织的影响

由图1可见：调质+伪渗碳预处理后试验钢的组织为低碳马氏体+铁素体,马氏体呈现板条状,未观察到残余奥氏体；调质预处理后试验钢的组织为索氏体。 

图  1  不同预处理后试验钢的显微组织

Figure  1.  Microstructure of test steel after different pretreatments: (a) quenching-tempering + pseudo-carburizing pretreatment and (b) quenching-tempering pretreatment

激光淬火后试验钢表层可分为表面硬化层、热影响区和基体[6]。由图2可见,不同功率激光淬火处理后,调质+伪渗碳预处理试验钢表面硬化层组织仍主要为低碳马氏体。激光快速加热使试验钢表面发生奥氏体转变,经快速冷却后形成以低碳马氏体为主的组织。当激光功率为1 000 W时,由于功率较低,试验钢表面奥氏体化程度不完全,表面组织未发生明显变化；当激光功率在1 500~2 500 W时,随着激光功率增加,奥氏体相变更加完全,晶粒细化,马氏体数量增加；当激光功率超过2 500 W时,表层发生奥氏体化的区域增大,保温时间延长,使得晶粒开始长大,形成粗大的马氏体组织[7],同时表面出现熔化现象,熔化区域出现粗大的板条马氏体。 

图  2  扫描速度8 mm·s−1、不同功率激光淬火后调质+伪渗碳预处理试验钢表面硬化层组织

Figure  2.  Microstructure of surface hardened layer of quenching-tempering + pseudo-carburizing pretreatment test steel after laser quenching at scanning speed of 8 mm·s−1 and different powers

由图3可见,不同激光功率下,调质预处理试验钢的表面硬化层组织基本以低碳马氏体为主。当激光功率为1 000 W时,调质预处理试验钢的表面硬化层组织仍为索氏体,这是因为较低激光功率下表面未达到奥氏体化起始温度,未形成奥氏体,也就没有发生马氏体相变；当激光功率增至1 500 W时,试验钢表面发生奥氏体转变,并在快速冷却过程中形成少量马氏体,硬化层组织为低碳马氏体和未转变的索氏体；随着激光功率的继续增加,达到奥氏体化温度的区域增大,区域内发生完全奥氏体化,因此硬化层组织完全转变为马氏体；当激光功率为2 500 W时,试验钢表面出现熔凝组织[图3（d）最上端],马氏体组织发生粗化；当激光功率为3 000,3 500 W时,试验钢表面同样出现熔化凝固现象,组织中出现粗大的板条马氏体。 

图  3  扫描速度8 mm·s−1、不同功率激光淬火后调质预处理试验钢表面硬化层组织

Figure  3.  Microstructure of surface hardened layer (a–f) of quenching-tempering pretreatment test steel after laser quenching at scanning speed of 8 mm·s−1 and different powers

2.2   扫描速度对硬化层组织的影响

由图4可见,当扫描速度为2,4,6,8 mm·s−1时,调质+伪渗碳预处理试验钢表面出现熔化现象,硬化层表层组织主要为粗大的板条状马氏体,硬化层内部组织为低碳马氏体,随着扫描速度增加马氏体尺寸有所减小。当扫描速度过慢时,材料表面吸收的能量增大,冷却后虽然得到了马氏体组织,但是由于保温时间更长,导致奥氏体晶粒长大,得到的是粗大的马氏体组织。当扫描速度大于8 mm·s−1时,试验钢表面未发生熔化,硬化层组织主要为低碳马氏体,当扫描速度为12 mm·s−1时低碳马氏体分布均匀。 

图  4  激光功率2 500 W、不同扫描速度激光淬火后调质+伪渗碳预处理试验钢表面硬化层组织

Figure  4.  Microstructure of surface hardened layer of quenching-tempering + pseudo-carburizing pretreatment test steel after laser quenching at laser power of 2 500 W and different scanning speeds

由图5可见：当扫描速度为2,4,6 mm·s−1时,调质预处理试验钢表面发生熔化,未熔化区域发生完全奥氏体化,形成的硬化层组织与调质+伪渗碳预处理试验钢相似,为低碳马氏体；随着扫描速度的增大,马氏体组织变得细小,当扫描速度为6 mm·s−1时硬化层组织全部为晶粒细小的板条马氏体；当扫描速度为8,10,12 mm·s−1时奥氏体化不完全,调质预处理试验钢表面硬化层组织为低碳马氏体+索氏体。 

图  5  激光功率2 500 W、不同扫描速度激光淬火后调质预处理试样表面硬化层组织

Figure  5.  Microstructure of surface hardened layer of quenching-tempering pretreatment test steel after laser quenching at laser power of 2 500 W and different scanning speeds

2.3   激光功率对硬化层深度及显微硬度的影响

由图6可见：随着激光功率的增大,不同预处理试验钢的硬化层深度均增大。调质+伪渗碳预处理试验钢的硬化层深度由1 000 W功率下的110.25 μm增至3 500 W功率下的932.26 μm,当激光功率大于3 000 W时硬化层深度的增势减缓；调质预处理试验钢的硬化层深度由1 000 W功率下的14.18 μm增至3 500 W功率下的799.08 μm。激光功率的增加使得材料表面温度升高,热量向基体传递,导致奥氏体化区域增大,从而使硬化层深度增加。激光淬火后调质+伪渗碳预处理试验钢的硬化层深度更大,这是由原始组织的形核能力决定的[8]。调质+伪渗碳预处理试验钢的原始组织主要为低碳马氏体,在奥氏体化时,奥氏体更容易形核和长大,奥氏体化区域增大导致硬化层深度更大。 

图  6  不同功率激光淬火后不同预处理试验钢的硬化层深度

Figure  6.  Depth of hardened layer of different pretreatment test steel after laser quenching with different powers

当激光功率分别为1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,3 500 W时,调质+伪渗碳预处理试验钢表面硬度分别为306.5,445.3,447.8,463.9,425.4,419.2 HV。可知：当激光功率大于1 000 W时激光淬火后调质+伪渗碳预处理试验钢表面硬度大幅提升（基体硬度约315.5 HV）。随着激光功率的增加,表面硬度先增加后减小,当激光功率为2500 W时表面硬度最高。这是因为激光功率的增加会增加材料表面吸收的能量,提高相变驱动力,加快碳原子的扩散速率,促使奥氏体的形核,细化奥氏体晶粒,从而提高材料表面的硬度；当激光功率过高时,碳的扩散速率更快,导致马氏体碳含量降低,硬度降低,从而降低了表面硬度[9]。 

调质预处理试验钢基体的硬度为210.4 HV。当激光功率分别为1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,3 500 W时,激光淬火后调质预处理试验钢表面硬度分别为206.6,378.4,435.4,447.8,415.5,417.5 HV。可知随着激光功率的增加,调质预处理试验钢表面硬度也先增后减,当激光功率为2 500 W时最高。当激光功率为1 000 W时,由于激光能量密度较低,材料表面几乎无硬化效果。对比可知,相同激光功率下调质+伪渗碳预处理试验钢的硬化层硬度略高,但低于渗碳淬火处理后（700 HV）。 

2.4   扫描速度对硬化层深度及显微硬度的影响

由图7可见：随着扫描速度的增大,调质+伪渗碳预处理和调质预处理试验钢的硬化层深度均减小,当扫描速度由2 mm·s−1增加到4 mm·s−1时减小趋势最快,大于4 mm·s−1后变慢。相同扫描速度下,调质+伪渗碳预处理试验钢的硬化层深度大于调质预处理试验钢。 

图  7  不同扫描速度激光淬火后不同预处理试验钢的硬化层深度

Figure  7.  Depth of hardened layer of different pretreatment test steel after laser quenching at different scanning speeds

当扫描速度分别为2,4,6,8,10,12 mm·s−1时,调质+伪渗碳预处理试验钢表面硬度分别为400.7,425.2,431.9,463.9,452.8,473.8 HV,调质预处理试验钢表面硬度分别为418.2,402.4,457.9,447.8,443.4,438.2 HV。对于调质+伪渗碳预处理试验钢,当扫描速度为12 mm·s−1时,其表面硬度最大,此时表面组织为分布均匀的低碳马氏体；当扫描速度小于12 mm·s−1时,该钢表面熔化,虽然也得到了马氏体组织,但是马氏体组织较粗大,表面硬度相对较低。对于调质预处理试验钢,当扫描速度为6 mm·s−1时其表面硬度最大,这是因为该条件下表面组织全部为晶粒细小的板条马氏体。对比可知,相同扫描速度下调质+伪渗碳预处理试验钢的表面硬度略高,但低于渗碳淬火处理后。 

3.   结论

（1）经过调质+伪渗碳预处理和调质预处理的18CrNiMo7-6钢在激光淬火后,表面硬化层组织基本以低碳马氏体为主。 

（2）随着激光功率的增加或扫描速度的减小,2种预处理试验钢的硬化层深度均增加,对比可知,激光淬火后调质+伪渗碳预处理试验钢的硬化层深度更大,表面硬度更高。调质+伪渗碳预处理试验钢在激光功率2 500 W、扫描速度12 mm·s−1时,表面硬度最高；调质预处理试验钢在激光功率2 500 W、扫描速度6 mm·s−1时表面硬度最高。激光淬火处理后2种预处理试验钢的表面硬度（不高于475 HV）均低于渗碳淬火处理后（700 HV）。

文章来源——材料与测试网