0.   引言

18CrNiMo7-6鋼是制造滲碳齒輪常用的鋼材,在制造齒輪時,通常會對該鋼進行調質處理,再進行表面滲碳淬火處理；而對于一些心部組織要求較高的大型齒輪,對其進行調質預處理后,還需再進行偽滲碳處理來調整心部的顯微組織,最后進行表面滲碳淬火處理以改善表面性能。經過上述處理后18CrNiMo7-6鋼“外強內韌”[1],表面硬度可達700 HV以上。然而,滲碳淬火工藝存在生產周期長、效率低、成本高、會產生有害氣體等問題[2]。激光淬火作為一種高效的表面強化技術,具有淬火表面質量高、適應性好以及易實現局部淬火等優點,在不同合金鋼上得到了應用[3-4]。楊俊龍等[5]研究了高功率激光淬火對35CrMo鋼表層組織和耐磨性能的影響,發現當激光功率為3 200 W時,材料表面硬度最高,磨損率最小。REN等[3]研究發現,激光淬火后45鋼表面能夠達到的最大硬度取決于材料本身,當材料硬度提升到一定程度時激光功率與掃描速度對其硬度的提升不再明顯。WANG等[4]研究發現,激光淬火后鑄鐵的表面硬度提高了4倍以上,表面殘余應力由拉應力變為壓應力,摩擦因數也顯著提高。然而,目前未見關于激光淬火后18CrNiMo7-6鋼表面硬化效果的研究。18CrNiMo7-6鋼具有良好的淬透性,理論上可以更好地吸收激光能量并保持較高的溫度梯度,從而產生較好的硬化效果。 

作者對調質預處理和調質+偽滲碳處理后的18CrNiMo7-6鋼在不同激光功率和不同掃描速度下進行激光淬火處理,研究了激光淬火對兩種預處理試驗鋼表面硬化效果的影響,為評估激光淬火代替傳統滲碳淬火表面強化工藝的可能性提供參考。 

1.   試樣制備與試驗方法

試驗材料為18CrNiMo7-6鋼,由沈陽鼓風機有限公司提供,供貨態為正火態,其化學成分（質量分數/%）為0.18C,0.29Si,0.58Mn,1.59Ni,0.006P,0.001S,1.64Cr,0.31Mo,尺寸為?12 cm×10 mm。對試驗鋼分別進行調質預處理和調質+偽滲碳預處理：調質預處理工藝為950 ℃保溫4 h空冷+650 ℃保溫2 h空冷,調質+偽滲碳預處理工藝為調質預處理+930 ℃保溫8 h空冷+850 ℃保溫2 h空冷+780 ℃保溫2 h+油冷至180 ℃空冷。采用FFSC-4000F型光纖激光發生器對預處理后的試驗鋼進行單道激光淬火處理,光斑為矩形,寬度為20 mm,長度為1 mm。當掃描速度為8 mm·s−1時,激光功率分別為1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,3 500 W；當激光功率為2 500 W時,掃描速度分別為2,4,6,8,10,12 mm·s−1。 

在激光淬火后的試驗鋼表層取樣,經打磨拋光、體積分數4%硝酸乙醇溶液腐蝕10~15 s后,采用Nikon-MA100型光學顯微鏡觀察顯微組織,并測量硬化層深度。采用MVC-1000B型維氏硬度計測試截面硬度,載荷為4.9 N,保載時間為15 s,從表面向基體方向每隔100 μm取點測試,相同深度測3個點取平均值。 

2.   試驗結果與討論

2.1   激光功率對硬化層組織的影響

由圖1可見：調質+偽滲碳預處理后試驗鋼的組織為低碳馬氏體+鐵素體,馬氏體呈現板條狀,未觀察到殘余奧氏體；調質預處理后試驗鋼的組織為索氏體。 

圖  1  不同預處理后試驗鋼的顯微組織

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

激光淬火后試驗鋼表層可分為表面硬化層、熱影響區和基體[6]。由圖2可見,不同功率激光淬火處理后,調質+偽滲碳預處理試驗鋼表面硬化層組織仍主要為低碳馬氏體。激光快速加熱使試驗鋼表面發生奧氏體轉變,經快速冷卻后形成以低碳馬氏體為主的組織。當激光功率為1 000 W時,由于功率較低,試驗鋼表面奧氏體化程度不完全,表面組織未發生明顯變化；當激光功率在1 500~2 500 W時,隨著激光功率增加,奧氏體相變更加完全,晶粒細化,馬氏體數量增加；當激光功率超過2 500 W時,表層發生奧氏體化的區域增大,保溫時間延長,使得晶粒開始長大,形成粗大的馬氏體組織[7],同時表面出現熔化現象,熔化區域出現粗大的板條馬氏體。 

圖  2  掃描速度8 mm·s−1、不同功率激光淬火后調質+偽滲碳預處理試驗鋼表面硬化層組織

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

由圖3可見,不同激光功率下,調質預處理試驗鋼的表面硬化層組織基本以低碳馬氏體為主。當激光功率為1 000 W時,調質預處理試驗鋼的表面硬化層組織仍為索氏體,這是因為較低激光功率下表面未達到奧氏體化起始溫度,未形成奧氏體,也就沒有發生馬氏體相變；當激光功率增至1 500 W時,試驗鋼表面發生奧氏體轉變,并在快速冷卻過程中形成少量馬氏體,硬化層組織為低碳馬氏體和未轉變的索氏體；隨著激光功率的繼續增加,達到奧氏體化溫度的區域增大,區域內發生完全奧氏體化,因此硬化層組織完全轉變為馬氏體；當激光功率為2 500 W時,試驗鋼表面出現熔凝組織[圖3（d）最上端],馬氏體組織發生粗化；當激光功率為3 000,3 500 W時,試驗鋼表面同樣出現熔化凝固現象,組織中出現粗大的板條馬氏體。 

圖  3  掃描速度8 mm·s−1、不同功率激光淬火后調質預處理試驗鋼表面硬化層組織

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   掃描速度對硬化層組織的影響

由圖4可見,當掃描速度為2,4,6,8 mm·s−1時,調質+偽滲碳預處理試驗鋼表面出現熔化現象,硬化層表層組織主要為粗大的板條狀馬氏體,硬化層內部組織為低碳馬氏體,隨著掃描速度增加馬氏體尺寸有所減小。當掃描速度過慢時,材料表面吸收的能量增大,冷卻后雖然得到了馬氏體組織,但是由于保溫時間更長,導致奧氏體晶粒長大,得到的是粗大的馬氏體組織。當掃描速度大于8 mm·s−1時,試驗鋼表面未發生熔化,硬化層組織主要為低碳馬氏體,當掃描速度為12 mm·s−1時低碳馬氏體分布均勻。 

圖  4  激光功率2 500 W、不同掃描速度激光淬火后調質+偽滲碳預處理試驗鋼表面硬化層組織

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

由圖5可見：當掃描速度為2,4,6 mm·s−1時,調質預處理試驗鋼表面發生熔化,未熔化區域發生完全奧氏體化,形成的硬化層組織與調質+偽滲碳預處理試驗鋼相似,為低碳馬氏體；隨著掃描速度的增大,馬氏體組織變得細小,當掃描速度為6 mm·s−1時硬化層組織全部為晶粒細小的板條馬氏體；當掃描速度為8,10,12 mm·s−1時奧氏體化不完全,調質預處理試驗鋼表面硬化層組織為低碳馬氏體+索氏體。 

圖  5  激光功率2 500 W、不同掃描速度激光淬火后調質預處理試樣表面硬化層組織

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   激光功率對硬化層深度及顯微硬度的影響

由圖6可見：隨著激光功率的增大,不同預處理試驗鋼的硬化層深度均增大。調質+偽滲碳預處理試驗鋼的硬化層深度由1 000 W功率下的110.25 μm增至3 500 W功率下的932.26 μm,當激光功率大于3 000 W時硬化層深度的增勢減緩；調質預處理試驗鋼的硬化層深度由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溫度升高,熱量向基體傳遞,導致奧氏體化區域增大,從而使硬化層深度增加。激光淬火后調質+偽滲碳預處理試驗鋼的硬化層深度更大,這是由原始組織的形核能力決定的[8]。調質+偽滲碳預處理試驗鋼的原始組織主要為低碳馬氏體,在奧氏體化時,奧氏體更容易形核和長大,奧氏體化區域增大導致硬化層深度更大。 

圖  6  不同功率激光淬火后不同預處理試驗鋼的硬化層深度

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

當激光功率分別為1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,3 500 W時,調質+偽滲碳預處理試驗鋼表面硬度分別為306.5,445.3,447.8,463.9,425.4,419.2 HV。可知：當激光功率大于1 000 W時激光淬火后調質+偽滲碳預處理試驗鋼表面硬度大幅提升（基體硬度約315.5 HV）。隨著激光功率的增加,表面硬度先增加后減小,當激光功率為2500 W時表面硬度最高。這是因為激光功率的增加會增加材料表面吸收的能量,提高相變驅動力,加快碳原子的擴散速率,促使奧氏體的形核,細化奧氏體晶粒,從而提高材料表面的硬度；當激光功率過高時,碳的擴散速率更快,導致馬氏體碳含量降低,硬度降低,從而降低了表面硬度[9]。 

調質預處理試驗鋼基體的硬度為210.4 HV。當激光功率分別為1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,3 500 W時,激光淬火后調質預處理試驗鋼表面硬度分別為206.6,378.4,435.4,447.8,415.5,417.5 HV。可知隨著激光功率的增加,調質預處理試驗鋼表面硬度也先增后減,當激光功率為2 500 W時最高。當激光功率為1 000 W時,由于激光能量密度較低,材料表面幾乎無硬化效果。對比可知,相同激光功率下調質+偽滲碳預處理試驗鋼的硬化層硬度略高,但低于滲碳淬火處理后（700 HV）。 

2.4   掃描速度對硬化層深度及顯微硬度的影響

由圖7可見：隨著掃描速度的增大,調質+偽滲碳預處理和調質預處理試驗鋼的硬化層深度均減小,當掃描速度由2 mm·s−1增加到4 mm·s−1時減小趨勢最快,大于4 mm·s−1后變慢。相同掃描速度下,調質+偽滲碳預處理試驗鋼的硬化層深度大于調質預處理試驗鋼。 

圖  7  不同掃描速度激光淬火后不同預處理試驗鋼的硬化層深度

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

當掃描速度分別為2,4,6,8,10,12 mm·s−1時,調質+偽滲碳預處理試驗鋼表面硬度分別為400.7,425.2,431.9,463.9,452.8,473.8 HV,調質預處理試驗鋼表面硬度分別為418.2,402.4,457.9,447.8,443.4,438.2 HV。對于調質+偽滲碳預處理試驗鋼,當掃描速度為12 mm·s−1時,其表面硬度最大,此時表面組織為分布均勻的低碳馬氏體；當掃描速度小于12 mm·s−1時,該鋼表面熔化,雖然也得到了馬氏體組織,但是馬氏體組織較粗大,表面硬度相對較低。對于調質預處理試驗鋼,當掃描速度為6 mm·s−1時其表面硬度最大,這是因為該條件下表面組織全部為晶粒細小的板條馬氏體。對比可知,相同掃描速度下調質+偽滲碳預處理試驗鋼的表面硬度略高,但低于滲碳淬火處理后。 

3.   結論

（1）經過調質+偽滲碳預處理和調質預處理的18CrNiMo7-6鋼在激光淬火后,表面硬化層組織基本以低碳馬氏體為主。 

（2）隨著激光功率的增加或掃描速度的減小,2種預處理試驗鋼的硬化層深度均增加,對比可知,激光淬火后調質+偽滲碳預處理試驗鋼的硬化層深度更大,表面硬度更高。調質+偽滲碳預處理試驗鋼在激光功率2 500 W、掃描速度12 mm·s−1時,表面硬度最高；調質預處理試驗鋼在激光功率2 500 W、掃描速度6 mm·s−1時表面硬度最高。激光淬火處理后2種預處理試驗鋼的表面硬度（不高于475 HV）均低于滲碳淬火處理后（700 HV）。

文章來源——材料與測試網