杜成明，李 勇，孫 影，樊湘芳，朱錦云，李 勝

(1. 南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001；2. 衡陽(yáng)中鋼衡重設(shè)備有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421000)

[收稿日期] 2022-01-28

[基金項(xiàng)目] 衡陽(yáng)市科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2018KJ170)資助

[通信作者] 樊湘芳(1963-)，教授，研究方向?yàn)榻饘俨牧媳砻娓男?，電話?7773435311，E - mail：hefanyibang@163.com

0 前 言

熱軋卷筒延伸軸是冶金設(shè)備 - 熱軋地下卷取機(jī)筒的重要零部件，在其服役過(guò)程中長(zhǎng)期經(jīng)受鋼板熱量、卷取張力及表面滑動(dòng)摩擦等作用，極易使表面產(chǎn)生龜裂紋、過(guò)量變形等現(xiàn)象，降低了使用壽命[1]。熱軋卷取機(jī)卷筒延伸軸的材質(zhì)為42CrMo鋼，42CrMo鋼是一種中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)[2，3]。國(guó)內(nèi)外研究關(guān)于42CrMo鋼常見的表面強(qiáng)化處理手段有滲氮、涂層技術(shù)、高頻感應(yīng)淬火、噴丸等[4-6]。但經(jīng)過(guò)這些傳統(tǒng)工藝處理后的材料有時(shí)仍存在著表面硬化層分布無(wú)規(guī)律、組織分布不均勻等缺陷。

激光淬火具有淬硬層硬度高、工藝周期短、加熱軌跡易于控制以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[7-10]；而且，在激光淬火過(guò)程中，恒定的功率和掃描速度保證了相變硬化層的均勻性[11，12]；使用激光淬火對(duì)42CrMo鋼進(jìn)行表面處理已有一些基礎(chǔ)研究[13，14]。本工作采用激光淬火技術(shù)對(duì)冶金設(shè)備-熱軋卷取機(jī)筒延伸軸42CrMo鋼進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，使用大光斑尺寸進(jìn)行加工，對(duì)不同工藝處理后試樣的組織、性能進(jìn)行分析對(duì)比，以期為冶金企業(yè)降低生產(chǎn)成本、延長(zhǎng)冶金重要零部件的使用壽命提供激光淬火新工藝方法和應(yīng)用依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 制備實(shí)驗(yàn)材料與樣品

實(shí)驗(yàn)所選基材為經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的42CrMo鋼，其尺寸為100 mm×100 mm×30 mm，化學(xué)成分如表1所示。

表1 42CrMo鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

實(shí)驗(yàn)前，用粗砂紙對(duì)試樣待加工表面進(jìn)行打磨，并將打磨好的試樣放入盛有丙酮和無(wú)水乙醇混合液的容器內(nèi)，在KQ - 500E型超聲波清洗儀中清洗試樣表面油污。將碳素墨汁均勻地涂于試樣表面，使試樣表面均勻地覆蓋一層碳黑層，以增加試樣表面對(duì)激光的吸收率，烘干后待用。試驗(yàn)采用RFL - C3300光纖激光器對(duì)42CrMo鋼基材進(jìn)行單道激光掃描，光斑為矩形光斑，尺寸為12 mm×2 mm，其工藝參數(shù)如表2。

表2 激光工藝參數(shù)

使用線切割機(jī)對(duì)經(jīng)激光淬火后的試樣進(jìn)行加工，沿垂直于激光掃描方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行切割，制成尺寸為14 mm×8 mm×10 mm的試樣若干塊。采用XQ - 2B 鑲嵌機(jī)進(jìn)行鑲樣，試樣經(jīng)320，600，800，1 000，1 200，1 500，2 000目砂紙逐級(jí)打磨，然后采用PG - 2A拋光機(jī)進(jìn)行拋光，最后將拋光好的試樣放入4%硝酸酒精溶液中腐蝕10 s左右，制成金相試樣；使用線切割機(jī)沿垂直于激光掃描方向?qū)⒃嚇忧懈畛砷L(zhǎng)14 mm，直徑φ4.7 mm的圓柱狀摩擦磨損試樣。

1.2 檢測(cè)表征

使用HVS - 1000AV維氏顯微硬度計(jì)檢測(cè)試樣淬硬層的硬度及深度，載荷2 N，保壓10 s。在試樣橫截面沿由表及里的方向每隔0.1 mm進(jìn)行一次硬度檢測(cè)，在同一深度梯度處測(cè)量5次并取平均值；使用MMW - 1B立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫干滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)樣品的耐磨性，對(duì)磨材料GCr15，載荷15 N，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速100 r/min，磨損時(shí)間30 min，使用BS210S型電子天秤測(cè)量試樣磨損前后的質(zhì)量，精度0.1 mg，每個(gè)試樣測(cè)量3次，取其平均值，使用XJP - 200型光學(xué)顯微鏡觀察試樣磨損后的表面形貌；使用JSZ6D型體視顯微鏡觀察試樣的橫截面整體形貌；使用MP14800047型電子掃描電鏡(SEM)觀察試樣橫截面的顯微組織。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 淬硬層硬度

圖1為使用不同激光工藝參數(shù)掃描淬火后試樣的橫截面硬度曲線。其中曲線a、b、c對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)序號(hào)分別為1、2、3，淬火后42CrMo鋼表面平均硬度為660 HV2 N左右。由曲線a、b可以看出，試樣瞬間吸收照射在其表面的高能量密度激光束的光能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)表面溫度升高超過(guò)相變點(diǎn)之后，試樣表面的顯微組織轉(zhuǎn)化為奧氏體狀態(tài)，在激光掃描后的區(qū)域，試樣快速冷卻，表層組織由奧氏體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為細(xì)小的馬氏體組織，晶界面積得到增加，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，晶粒細(xì)化提高了42CrMo鋼的強(qiáng)度。從曲線c可以看出，在增加了激光功率的同時(shí)降低掃描速度，淬火后表面出現(xiàn)了微熔，在微熔區(qū)顯微組織中存在少量殘余奧氏體，同時(shí)高能量密度的激光照射在材料表面也造成了部分碳燒損，使該部位硬度較內(nèi)層低；內(nèi)側(cè)組織及硬度與a、b曲線相同。

2.2 淬硬層深度分析

試樣經(jīng)激光淬火掃描之后，在截面可以看到明顯的“月牙狀”淬硬層，由于 42CrMo 鋼的傳熱系數(shù)相對(duì)較高，在激光淬火過(guò)程中熱量快速傳遞，同時(shí)材料中的合金元素提高了淬透性，使得材料在激光淬火后具有明顯的淬硬層。圖2為不同激光工藝參數(shù)下激光淬火外觀特征，圖2a,2b,2c分別代表3種不同的激光工藝參數(shù)，可以看出，在掃描速度相同時(shí)，激光功率增大，更多的光能轉(zhuǎn)化為熱能從材料表面向內(nèi)部傳遞，傳遞距離加深，淬硬層深度增加；在激光功率相同時(shí)，掃描速度降低，激光光束停留在試樣表面的時(shí)間延長(zhǎng)，熱能向距表面更深的距離傳遞，淬硬層深度增加。

2.3 摩擦磨損性能

圖3是在同樣條件下42CrMo鋼基體和使用不同激光工藝參數(shù)淬火后試樣的摩擦系數(shù)曲線?？梢钥闯觯嚇颖砻娼?jīng)過(guò)1、2號(hào)激光工藝參數(shù)激光淬火后，瞬時(shí)摩擦系數(shù)較基體明顯下降，這是由于試樣表面的硬度遠(yuǎn)高于基材的，摩擦?xí)r塑性變形程度較小，摩擦性能得到改善，減摩效果顯著；3號(hào)激光工藝參數(shù)下試樣表面經(jīng)過(guò)激光淬火后，表層出現(xiàn)了微熔，耐磨性下降。

根據(jù)表3基材及3種試樣的磨損量數(shù)據(jù)可知，激光淬火提高了42CrMo鋼的耐磨性，在相同的掃描速度下，試樣的磨損量隨著激光功率的增大而減少；在激光功率相同時(shí)，掃描速度降低，試樣的磨損量增加。綜上，試樣在使用2號(hào)激光工藝參數(shù)進(jìn)行激光淬火后的耐磨性最好，其磨損量?jī)H為42CrMo鋼基材的23.8%。

表3 試樣的磨損量

圖4為42CrMo鋼的摩擦磨損形貌。

觀察圖4a發(fā)現(xiàn)，基材表面出現(xiàn)了很深的磨痕，對(duì)磨件對(duì)基材產(chǎn)生了很強(qiáng)的犁削作用，基材表面呈現(xiàn)出很深的犁痕形貌，并有脫落現(xiàn)象；與圖4a相比，圖4b的激光淬火試樣表面相對(duì)較為平整，劃痕較淺，表面嵌有磨粒；對(duì)比圖4c和圖4b，可以看出，增大激光功率，試樣表面劃痕減少，表面更加平整，磨粒較少；對(duì)比圖4d和圖4c可以看出，降低掃描速度，高能量密度的激光束停留在42CrMo鋼表面的時(shí)間加長(zhǎng)，表層出現(xiàn)微熔，試樣經(jīng)過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)后，表面劃痕明顯加深。綜上可得，圖4c試樣的耐磨性最好。由此可見，42CrMo鋼使用激光功率為2 200 W，掃描速度為20 mm/s的激光工藝參數(shù)淬火后可以有效地提高其耐磨性。主要原因是基體表面的硬度較低，當(dāng)對(duì)磨件端面的微小凸起嵌入基體時(shí)，基體自身發(fā)生塑性流動(dòng)而被犁削出一道道較深的犁溝。經(jīng)激光掃描后，42CrMo 鋼表面的顯微組織轉(zhuǎn)化為細(xì)小的馬氏體組織，比原始狀態(tài)的組織更加致密、均勻，增強(qiáng)了材料表面的強(qiáng)度，故耐磨性得到了提高。

2.4 淬硬層顯微組織

由以上分析可知，當(dāng)激光功率為2 200 W，掃描速度為20 mm/s時(shí)，42CrMo鋼經(jīng)激光淬火后試樣的表層硬度最高、耐磨性最好。圖5為使用此激光工藝參數(shù)進(jìn)行淬火后得到的試樣橫截面的整體形貌和顯微組織。

觀察圖5a中42CrMo激光淬火試樣的整體形貌，可以看到明顯的月牙形激光淬火處理痕跡；其顯微組織如圖5b所示，共分為3層，第1層為淬硬層，在淬硬層主要存在的顯微組織是大量細(xì)小的馬氏體，該區(qū)域瞬間升溫至遠(yuǎn)高于Ac1(珠光體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度) 以上的溫度從而獲得顆粒細(xì)小的奧氏體晶粒，在快速冷卻后，奧氏體晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я＜?xì)小的馬氏體組織。第2層為過(guò)渡層，該區(qū)域由于熱量輸入和輸出都比較大，熱平衡溫度處于奧氏體形成下限溫度，形成了基體、馬氏體、殘余奧氏體的整合組織；第3層為基體，其顯微組織主要為鐵素體和片狀珠光體。

3 結(jié) 論

(1)42CrMo鋼經(jīng)過(guò)激光淬火處理后，表面顯微組織得到細(xì)化，顯微硬度提高，表面耐磨性提高，其淬硬層深度隨激光功率的增大和掃描速度的降低而增大。

(2)使用激光功率為2 200 W，掃描速度為20 mm/s，光斑尺寸為12 mm×2 mm的矩形光斑進(jìn)行對(duì)42CrMo鋼激光淬火掃描，試樣橫截面整體形貌質(zhì)量最好；淬硬層顯微組織主要為細(xì)小的馬氏體組織、少量殘余奧氏體組織及彌散的細(xì)小碳化物；淬硬層的平均硬度達(dá)到660 HV2 N，平均深度為0.6 mm；摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.4～0.6，磨損量為0.5 mg。