激光熱處理對小尺寸鉚釘QPQ滲層的影響

■ 李文川，沈華勤，陳東惠

QPQ處理是金屬表面強化技術之一。其工藝過程是在金屬鹽浴復合處理后，為了降低表面、粗糙度值，對工件表面進行一次拋光，然后再在鹽浴中做一次氧化。用途主要集中在提高產品的耐磨性、耐蝕性和減少產品變形方面。

近年來，激光熱處理技術得到廣泛的應用。由于激光熱處理冷速極快，因此激光處理后的表面晶粒比常規淬火更細，激光淬火后表面硬度也比常規淬火或高頻感應淬火后表面硬度高。采用兩種或多種表面處理技術的復合處理已經成為一種趨勢，也出現了深冷和QPQ技術的復合處理、激光硬化和QPQ技術的復合處理。

我公司開發的鋸石鏈產品最常見的失效方式是鉚釘的磨損引起節距拉長，導致鏈條與導輪無法很好地配合。QPQ處理后能提高鉚釘表面的耐磨性，但QPQ的白亮層一旦磨損，內部硬度更低的擴散層并無很好的耐磨性，鉚釘就會加速失效。為了進一步提高鉚釘表面的耐磨性，我們采用了QPQ+激光熱處理的方法。

本文主要探索了不同激光熱處理工藝對QPQ后的鉚釘表面層的影響。

圖1 鉚釘結構示意（虛線處需要激光淬火）

圖2 鉚釘激光處理過程示意

圖3 鉚釘QPQ后金相組織

1. 試驗方法

試驗采用鉚釘實物零件，結構如圖1所示，虛線部分進行激光淬火處理。材料采用軸承鋼，為了減少QPQ處理工藝的影響，試驗過程中采用的是同一批QPQ處理后的零件。

激光熱處理過程中采用的是LDM2000-60光纖耦合半導體激光器，功率選擇了350～600 W，離焦量選擇205mm，使得矩形激光光斑剛好覆蓋鉚釘需要處理部分的長度。激光處理過程采用圖2所示的兩種方式。圖2a中，先讓鉚釘自轉，轉速一定，再打開激光控制開關，激光照射一定時間后，依次關閉激光控制開關和鉚釘旋轉開關。圖2b中，先讓鉚釘自轉，轉速一定，再打開激光控制開關，激光照射一定時間后，激光頭沿圖示方向移動，待光斑全部離開鉚釘之后關閉激光控制開關和鉚釘停止轉動。整個過程由程序控制。

通過金相顯微鏡（BM-4XF）、顯微硬度計（HV-1M）對激光熱處理后的組織金相觀察、硬度測試。為了更好反映鉚釘激光熱處理后表面一圈的情況，檢測部位選擇鉚釘圓截面“十”字方向的4個位置。

2. 試驗結果及分析

（1）激光功率對QPQ層的影響 圖3是鉚釘QPQ后的金相組織圖，從圖中可以看出QPQ后，鉚釘的表面由白亮層和擴散層組成。整個白亮層和擴散層厚度約為0.07mm。由于白亮層太薄，硬度測量比較困難，對擴散層進行硬度測試（距離表面0.04mm處），硬度為476HV，硬度測試壓力載荷0.3kg·f（1kg·f=9.8N，下同）。

對鉚釘激光熱處理采用的激光功率分別是450W、500W和600W，激光照射時間是均為0.65s，在鉚釘的轉速一定的條件下，該時間剛好處理到鉚釘的一圈。

圖4是功率450W時鉚釘截面不同部位的金相。從圖中可以看出，在該功率處理下，鉚釘的白亮層變薄，同時擴散層并沒有加深。擴散層的硬度為744.1HV（距離表面0.04mm處）（見圖4e），比單純QPQ后擴散層的硬度明顯提高。在4個部位的擴散層與基體交接處（距離表面約0.07mm距離）硬度分別為478.8HV、387.2HV、637.2HV、591.2HV，可見其硬度不均勻。

圖5是功率500W時鉚釘截面不同部位的金相圖。從圖5的4幅圖中可以看出，圖5b表面白亮層消失了，其余圖白亮層變??；從圖中擴散層與基體的界限距表面距離可以看出，擴散層并沒有增厚。白亮層仍存在的部位，擴散層和基體交界處的硬度比較接近，分別為527.9HV、525.3HV、575.9HV，平均值為543.03HV，而白亮層完全溶解的部位（見圖5b），在擴散層與基體交接處硬度約為674.2HV，硬度明顯比白亮層存在的部位高。從白亮層完全消失，我們推測可能是該處吸收的能量高，淬火溫度高，最終淬火硬度比白亮層存在部位更高。

圖6是功率600W時鉚釘截面不同部位的金相。從圖中檢測的四個部位可以看出，有1/2白亮層完全消失了，其余1/2白亮層變?。辉诎琢翆尤源嬖诘牟课?，擴散層和基體交界處的硬度值分別為655.6HV、623.8HV；圖6c白亮層完全消失的部位，擴散層與基體的界面較模糊，硬度為678HV（與圖5b結構類似）；圖6d則完全看不清QPQ的擴散層，在距離表面0.07mm處測量其硬度為641.2HV，距離表面0.04mm處硬度為465.4HV（見圖6e）。對于過共析鋼，如果加熱溫度超過Accm，碳化物完全溶入奧氏體中，不僅使得奧氏體中含碳的質量分數提高，還會使點Ms和Mf降低，淬火后殘留奧氏體增加，使得鋼的硬度和耐磨性降低。圖6d與圖6c、圖5b相比，這可能是因為該處吸收的能量更多，導致熱處理時溫度更高，使得接近表面部分過量的碳溶入奧氏體中，導致淬火時硬度反而降低。

圖4 功率450W時的鉚釘截面不同部位金相組織

圖5 功率500W時的鉚釘截面不同部位的金相組織

從功率450W、500W和600W的處理結果可以發現。經過激光熱處理之后可以使得QPQ擴散層硬度提高；隨著功率的提高，使得白亮層消失，功率進一步提高，還可以使得擴散層消失。從金相組織來看，在功率450W時，鉚釘一圈的白亮層變薄，但是激光淬火后的硬度不均勻；在功率500W時，鉚釘一圈內有1/4部分白亮層消失，其余部分白亮層變薄；在功率600W時，有1/4部分白亮層消失，有1/4部分白亮層和擴散層都消失，1/2部分白亮層變薄。QPQ處理后表面有白亮層，白亮層主要是氮化物。在激光的作用下，表面溫度升高，白亮層會與基體發生作用，白亮層會變薄，或者溶入基體改變表面化學成分。

（2）掃描方式對QPQ層的影響 為了獲得鉚釘一圈范圍內較均勻的硬度，我們采用了不同的激光掃描方式。從上文所述可以發現，功率低的時候（450W），有軟點出現；功率高的時候有部分白亮層已經溶解完了，甚至沒有擴散層（600W）。因此我們采用了兩種方法來提高均勻性：①采用更低的功率（350W），對鉚釘表面掃描兩圈。②采用相對高的功率，掃描了3/4圈之后光斑平移走，選擇500W功率。

圖7是功率350W、激光照射時間1.3s（對鉚釘表面掃描兩圈）的激光熱處理后的金相組織。從圖中可以看出，在該功率處理下，鉚釘的白亮層變薄。擴散層的硬度為835.8HV（見圖7e）。在4個部位的擴散層與基體交接處硬度分別為597.5HV、607.2HV、607.2HV、597.3HV，與之前熱處理一圈相比，硬度更均勻。

圖6 功率600W時鉚釘截面不同部位的金相組織

圖7 功率350W、時間1.3s的鉚釘截面不同部位的金相組織

圖8 是功率500W、照射時間0.49s后平移激光光斑方式的熱處理后的金相組織。從圖中可以看出，鉚釘各部位的白亮層仍然存在。我們對各部位從表面往下0.05mm和0.10mm處進行硬度測試，結果如附表所示。從表中可以看出，不同部位距表面相同距離的硬度較均勻。

對比可以發現，通過低功率掃描兩圈和相對高的功率掃描3/4圈之后，光斑平移走的處理方式獲得的硬度比單圈掃描獲得的硬度更均勻。其原因可能是鉚釘整體比較小、熱存量相對較小。在激光光斑掃描一圈時，最后光斑照射的部位溫度比最初光斑照射的部位溫度更高，從而導致淬火層硬度不均勻以及白亮層或擴散層溶解的程度不同。用更低功率掃描兩圈時，能夠降低最初和最后光斑照射部位的溫度差，從而降低淬火層硬度不均勻性。采用相對高的功率、掃描了3/4圈之后光斑平移走的掃描方式。由于圓弧的存在，該方式最后1/4部位正離焦量變大，相對來說降低了單位面積吸收的能量，從而降低最后照射點的溫度，縮小最初和最后光斑照射部位的溫度差，從而降低淬火層硬度不均勻性。

圖8 功率500W、照射時間0.49s后平移激光光斑方式的各部位金相組織

圖8 中各部位距表面不同位置的硬度 （HV）

3. 結語

（1）激光熱處理后可以使得鉚釘表面QPQ擴散層硬度提高。

（2）在光斑照射一圈的情況下，功率為450W、500W和600W時所處理的鉚釘的表面淬硬層硬度不均勻。同時，450W時，鉚釘的白亮層都存在；500W時，鉚釘表面有1/4區域白亮層消失；600W時，有1/2區域白亮層消失。

（3）通過350W激光光斑照射兩圈或者采用500W激光光斑照射3/4圈之后光斑平移走的處理方式，獲得的硬度比光斑照射單圈獲得的激光淬火硬度更均勻。

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