45Mn鋼發動機鏈板激光淬火表面的組織及力學性能

李 梟, 楊 勇, 鞏春紅

(1. 青島理工大學 機械與汽車工程學院, 山東 青島 266520;2. 夏津縣產業融合發展中心, 山東 德州 253200)

滾子鏈作為機械裝備的核心基礎零部件,廣泛應用于車輛、船舶、農業機械等行業。近年來我國對于鏈輪的需求量增長迅速,但我國中高端鏈傳動產品制造業起步較晚,中高檔汽車發動機鏈條國產化低,主要依靠國外進口,大功率船用發動機鏈條甚至被國外壟斷[1]。發動機鏈條長時間在結構振動和交變應力作用下發生微動損傷[2],不僅導致鏈條實際使用壽命下降,還嚴重降低發動機的性能。一般解決磨損問題的方法是直接更換新的鏈條,這在增加成本的同時并未解決發動機鏈條磨損的根本問題。目前針對大型船舶發動機鏈條磨損問題的研究多是建立機械磨損預測模型和采用傳統熱處理工藝處理[3],效果都不是很好。

激光淬火表面改性技術避免了工件在傳統淬火工藝后易發生變形、開裂等缺陷,能夠保持原材料的表面粗糙度,在提高材料表面硬度、耐磨性、耐腐蝕性等方面具有明顯優勢[4-5]。國內外許多學者對激光淬火表面改性技術進行了大量研究,Zhao等[6]通過建立激光離散淬火鋼軌的三維彈塑性模型,分析并研究了U71Mn鋼軌的滾動接觸磨損和疲勞性能,結果表明經激光離散淬火處理的鋼軌的磨損壽命可提高93.81%～155.65%,磨損率可降低40.67%～50.62%,但幾乎不改變輪軌滾動接觸疲勞壽命。Patwa等[7]根據激光工藝參數和初始微觀結構提出了激光硬化過程的準確熱動力學預測模型,結果表明該模型可以準確地預測AISI5150H鋼硬化層的硬度和深度,并顯示預測溫度和測量溫度之間的良好一致性。郭士銳等[8]利用ANSYS對420B不銹鋼牙骨鑿表面進行激光淬火溫度場數值模擬,確定了刃口表面無熔化現象且淬火效果較好的工藝參數。目前對激光淬火的研究大多數是建立數學模型分析、利用計算機進行數值模擬預測等,結果會有一定偏差,實用性差。對于不同材料激光淬火的關鍵工藝參數不盡相同,尤其是對于零件大面積的激光淬火研究更少。

基于上述背景,本文提出采用激光淬火技術針對45Mn鋼船舶發動機鏈板易磨損部位進行激光淬火,研究了不同工藝參數對鏈板力學性能的影響規律和多道搭接表面激光淬火的回火軟化問題,最終獲得高硬度和耐磨性能優異的鏈板表面,為解決大型船舶發動機鏈板磨損問題提供了理論與數據支撐。

1 試驗材料及方法

試驗材料為船舶發動機鏈板用45Mn鋼,其化學成分(質量分數,%)為0.42～0.5C、0.17～0.34Si、0.7～1.0Mn、≤0.035S、≤0.035P、≤0.25Cr、≤0.25Ni、≤0.25Cu。先在拋磨機上將試樣表面用400目紗紙打磨,再用丙酮和無水乙醇清洗試樣表面后烘干,然后進行表面激光淬火試驗,試驗裝置為FL020型光纖激光器、KR30-3型6軸機械手臂、冷卻系統和數控操作臺組成的激光淬火系統。光纖激光器的光斑為圓形光斑,直徑為φ4 mm,掃描方式為單道掃描和多道掃描,單道激光掃描的工藝參數如表1所示,多道激光掃描的激光功率大小為600 W,掃描速度為10 mm/s,搭接率為10%～40%。

對45Mn鋼試樣表面分別進行單道、多道激光淬火之后用DK7745線切割機進行切割,制備金相試樣,在磨拋機上將截面用200～2000目砂紙打磨并進行拋光,再用3%～4%(體積分數)硝酸酒精溶液腐蝕40 s,然后用FEI Quanta FEG 250掃描電鏡進行組織觀察。采用HV-1000顯微硬度計對淬火試樣橫截面的硬度進行測量,載荷9.8 N,保荷10 s,每點間隔0.2 mm。

采用MFT-EC4000型摩擦磨損試驗機對試樣淬火表面進行磨損性能測試,對磨材料選用氮化硅鋼球,載荷為20 N,摩擦往復頻率為2 Hz,運動行程為6 mm,測試時間為20 min,無潤滑劑。

2 試驗結果及分析

2.1 激光淬火后的表面形貌及微觀組織

激光淬火后的表面質量是研究過程中容易被忽視的一點,它直接決定了被加工完的試樣能否投入后續生產。激光淬火是一個多因素共同影響的復雜加工過程,其主要的工藝參數為激光功率、掃描速度、光斑直徑,這些共同決定了激光淬火后的表面質量。由于圓形光斑所釋放的能量呈高斯分布,主要集中在光斑中心且沿深度方向擴散,淬火區兩側邊緣能量較少,所以激光淬火后的表面形貌中間白亮的為馬氏體區,兩側發黑的為過渡區,如圖1所示。由圖1可以看出,當掃描速度為10 mm/s時,激光功率為600 W的激光淬火表面質量較好,基本不改變表面粗糙度,無裂紋、微熔、燒結等缺陷。當激光功率增加到900 W時,試樣表面出現燒結、微熔現象,嚴重影響表面質量。當激光功率為600 W,掃描速度增加到20 mm/s時,由于掃描速度過快,淬火區寬度遠小于光斑直徑,硬化不均勻,且能量更加集中,出現少量燒結點。

圖1 不同激光功率和掃描速度下45Mn鋼激光淬火后的表面形貌

激光功率600 W、掃描速度10 mm/s,試樣淬火區的橫截面形貌如圖2所示,呈月牙形狀。根據溫度擴散方向,在試件邊緣處溫度向內部擴散,中部溫度可擴散至四周,故基體自身的冷卻速度從表面開始由慢到快再逐漸減小[9],溫度梯度大導致激光淬火區主要分為相變硬化區、過渡區和熱影響區3個部分。

圖2 45Mn鋼激光淬火后的顯微形貌(600 W,10 m/s)

圖3為在激光功率600 W、掃描速度10 mm/s下,45Mn鋼表面激光淬火區的顯微組織。在相變硬化區域內,隨著溫度梯度沿縱向增加,其組織相變也有所不同。試樣表面在吸收激光能量后溫度急劇升高,冷卻時主要依靠試樣自身傳熱,與外界之間的熱傳導較慢,所以靠近表面冷卻速度相對較慢。此外由于奧氏體含碳量的不同,所形成的馬氏體也不同,含碳量在0.2%～0.6%的奧氏體形成板條馬氏體和片狀馬氏體的混合組織[10]。45Mn鋼的含碳量為0.45%,當試樣表面在吸收激光能量后溫度急劇升高到Ac3之上時,由于冷卻速度和碳含量的因素,此處奧氏體主要轉變為較為粗大的板條馬氏體與片狀馬氏體的混合組織,如圖3(a)所示。隨著深度的增加,由于過熱度變大、熱擴散不可控,各微觀區域的溫度值實際上并不均勻,這共同導致快速升溫時奧氏體形核數量增加但來不及長大,并在之后的冷卻時轉變為細小的馬氏體[11-12],如圖3(b)所示,因此細晶強化作用更加明顯,硬度值也有所上升。隨著深度的繼續增加,在過渡區域內的溫度擴散方向不穩定,溫度較相變硬化區變低,一般在Ac1和Ac3之間,加熱時間短且冷卻速度大,奧氏體轉變不完全[13],形成的組織較為復雜,主要是隱晶馬氏體+殘留奧氏體+鐵素體,如圖3(c)所示。在熱影響區和基體交界處由于熱量散失達不到相變溫度屬于高溫回火,組織為回火索氏體,如圖3(d)所示。

圖3 在激光功率600 W、掃描速度10 mm/s下45Mn鋼激光淬火后的顯微組織

2.2 激光功率和掃描速度對硬度的影響

對不同激光功率和掃描速度下45Mn鋼表面激光淬火區進行硬度測試,測試位置如圖2所示。沿深度方向的硬度測試結果如圖4所示。由圖4(a, b)可以看出,在相同的掃描速度下,激光功率增加時淬火區的硬化深度明顯提升,但硬度大小變化不大,隨深度增加,整個淬火區的硬度先從表面逐漸上升,趨于穩定后又迅速下降至基體硬度,該趨勢與淬火區內部組織的分析結果相對應,靠近表面的組織因升溫迅速但來不及冷卻,獲得的馬氏體組織較為粗大,而次表面區域的組織因急冷急熱而獲得更為細化的馬氏體,所以表面的硬度較低而次表面的硬度最高。隨著深度增加,熱影響區的硬度略有降低,但在靠近基體時驟降至原始硬度。由圖4(c)可以看出,當激光功率為600 W時,激光淬火區的硬度隨掃描速度的增加變化較小,但淬火區的硬化深度隨著掃描速度的增加而明顯減小,當掃描速度超過15 mm/s時,硬化深度減小的趨勢變緩。

圖4 不同激光功率和掃描速度下45Mn鋼激光淬火后的硬度分布

由于激光功率與掃描速度共同作用影響了淬火區的硬度,采用能量密度來分析這兩個因素的綜合作用。根據激光能量密度E=P/VD(D為光斑直徑,V為掃描速度,P為激光功率)計算出1～11號工藝對應的能量密度,如表2所示。圖5為沿橫向測試不同激光功率和掃描速度下45Mn鋼的相變硬化區、過渡區和熱影響區的平均硬度,結合表2可以看出,不同激光能量密度下次表面、中部、底部分別對應相變硬化區、過渡區和熱影響區的硬度均先上升再下降,在中部硬化區最高,其次是次表面區,底部略低于中部,但各區域之間的硬度差別并不大,次表面、中部、底部的硬度差在100 HV左右,這是因為鋼中碳含量是決定硬度值大小的主要因素[14]。

圖5 不同激光淬火工藝的激光能量密度與45Mn鋼淬火區硬度的對應關系

綜合來看,經激光淬火后45Mn鋼的表面硬度明顯增加,基體硬度為245 HV左右,不同的激光功率和掃描速度下進行激光淬火后的表面硬度在850～950 HV。單一地改變激光功率或掃描速度對提升硬度的效果不佳,而在同一能量密度下,高功率和高掃描速度的淬火區硬度值更高,硬化更均勻[15],如工藝1和工藝5的激光能量密度同為15.0 J·mm-2,而工藝5的淬火區平均硬度(855.66 HV)比工藝1高18.49 HV,又如工藝2和工藝7的激光能量密度同為20.0 J·mm-2,而工藝7的淬火區平均硬度值(849.87 HV)比工藝2高43.84 HV。激光淬火的快速加熱和快速冷卻使得細晶強化作用明顯,淬火區的硬化深度和寬度明顯增加,可見激光表面淬火技術在改變金屬表面硬度方面有著明顯優勢。

2.3 激光功率和掃描速度對硬化深度與寬度的影響

圖6為不同激光功率和掃描速度下45Mn鋼表面激光淬火區的深度和寬度。由圖6(a)可以發現,在掃描速度和光斑直徑不變的情況下,激光功率越大,淬火區的硬化深度越深,寬度也越寬。這是由于試樣吸收的能量與激光器發射的能量之間存在損耗,且圓形光斑能量密度中間較大,所以激光器的光斑直徑并不等同于工件淬火區的寬度。當光斑直徑和掃描速度不變時,激光功率越大,能量密度也越高,工件所能吸收的熱量也就越高,淬火區的硬化深度和寬度也就越高。由圖6(b)可以發現,在激光功率和光斑直徑不變的情況下,掃描速度與硬化深度和寬度成反比,即掃描速度越快,淬火區的硬化深度越淺,寬度也越窄。由于掃描速度增加,工件所能吸收能量的時間就變短,導致深度和寬度都有所下降。

圖6 45Mn鋼淬火區硬化深度與寬度隨激光功率(a)和掃描速度(b)的變化曲線

2.4 激光淬火表面的摩擦磨損性能

不同激光功率、掃描速度10 mm/s下45Mn鋼表面激光淬火區的摩擦因數和磨損體積如圖7所示。由圖7(a)可知,當激光功率為600、700、800和900 W時,摩擦400 s后穩定磨合期摩擦因數的平均值分別為0.351、0.363、0.373、0.387,與未經激光淬火時的平均摩擦因數0.321差別不大,提升幅度僅0.030～0.066,可見激光淬火后的試樣表面依然可保持原有的表面粗糙度。由圖7(b)可知,未經激光淬火時試樣表面磨損體積為0.368 mm3,經過激光淬火后的試樣表面磨損體積為0.166～0.186 mm3,可見經激光淬火后的表面耐磨性能顯著提升,磨損體積僅為未處理時的45.1%～53.0%。這是由于激光淬火后獲得的細小馬氏體具有高硬度和高耐磨性。綜合摩擦因數和磨損體積的變化不難得出,采用激光淬火對零件局部強化之后既可以保持零件表面粗糙度不改變,還能大幅提高工件的耐磨性能。

圖7 不同激光功率下45Mn鋼激光淬火后的表面摩擦因數(a)和磨損體積(b)

2.5 多道激光淬火區形貌

根據單道激光淬火形貌質量、硬化深度和寬度,選取單道激光淬火的合理參數,激光功率600 W,掃描速度10 mm/s,光斑直徑φ4 mm進行多道搭接激光淬火試驗,圖8為不同搭接率下45Mn鋼激光淬火后的表面形貌,可以看出,搭接率為10%和20%時,搭接區主要在每道次激光淬火的熱影響區,道次中間的馬氏體區幾乎沒有變化,這是因為搭接率過小時多道次的激光淬火對馬氏體的影響較小[16]。搭接率為30%時,每道次的馬氏體區銜接良好,表面未出現明顯的燒結點。當搭接率為40%時,道次間開始出現微熔燒結現象。因此,搭接率過小易導致硬化深度不均,而搭接率過大時回火軟化現象嚴重,因此選擇合理的搭接率是多道激光淬火的關鍵。

圖8 不同搭接率下45Mn鋼多道激光淬火后的表面形貌

一般來說,搭接區和后一道次的熱影響區是多道激光淬火的研究重點,而其他區域組織變化與單道激光淬火的組織基本一致。圖9為30%搭接率下相鄰兩道次搭接區的截面形貌,可以看出,多道激光淬火時,各道次的硬化深度不是全部一致的。隨著道次增加,硬化深度先增加然后趨于穩定。這是因為在搭接區,由于前一道次已經形成了馬氏體為主的組織結構,由于急冷急熱下形成的馬氏體會出現位錯和大角度晶界等大量高密度晶格缺陷,這些晶格缺陷為后續加熱時奧氏體逆轉變提供了形核位點[17]。由于高加熱速率形成大量塊狀奧氏體,接著在快速冷卻時轉變為新的馬氏體,塊狀奧氏體與原奧氏體的取向不同導致奧氏體逆轉變組織更加細化。隨著道次的增加,熱量不斷積累使碳化物溶解和碳擴散更加均勻,奧氏體化所需溫度降低,奧氏體化區域進而增大,最終達到碳含量與晶粒尺寸的相對平衡,所以硬化深度隨著道次增加呈先增加后達到穩定的狀態[18-21]。溫度場的徑向分布決定了后一道次的激光淬火一定會對前一道次激光淬火后的馬氏體產生不同程度的回火。靠近搭接區為高溫回火區,主要為回火索氏體,隨著回火溫度向外遞減,馬氏體中的含碳量下降,形成回火托氏體和回火馬氏體,從而出現回火軟化現象。

圖9 45Mn鋼多道激光淬火后的搭接區形貌(搭接率30%)

2.6 多道搭接激光淬火的硬度值

對不同搭接率下45Mn鋼多道激光淬火搭接區進行硬度測試,以反映回火軟化程度,測試位置如圖9所示,測試結果如圖10所示。可以看出,多道激光淬火的回火軟化問題是不可避免的。距表面0.1 mm處的次表面區硬度受回火效果影響最小,當搭接率為40%時次表面的平均硬度明顯降低。距表面0.3 mm處的過度區的回火軟化較為明顯,在搭接率為10%、20%、30%和40%時的軟化區寬度分別為0.56、0.61、0.68和0.73 mm,可見隨著搭接率的增加,回火軟化越明顯。距表面0.5 mm處的熱影響區的硬度明顯降低,且在搭接率為10%和20%時有未搭接區域出現,故此處的硬度值突然降至未處理基體的水平,熱影響區和回火軟化區交疊造成了硬度值大小起伏明顯,搭接率為30%和40%時硬度變化較為平緩,沒有出現未搭接的區域。整體看來搭接率越大,回火軟化區越寬,但硬度值波動減小,各深度的硬度值更為接近。綜合評價搭接率為30%時能夠獲得硬度較為均勻的淬火區。

圖10 不同搭接率下45Mn鋼多道激光淬火后的硬度分布

3 結論

1) 45Mn鋼在激光功率為600 W、在掃描速度為10 mm/s、光斑直徑為φ4 mm的條件下激光淬火后,表面形貌質量、硬度和耐磨性能良好。激光淬火區主要分為相變硬化區、過渡區和熱影響區,淬火區形成了板條馬氏體、細小馬氏體為主的組織。激光能量密度決定了淬火區的寬度與深度,在相同的能量密度下,高功率和掃描速度有利于獲得硬度更高的淬硬層。

2) 激光淬火后表面摩擦因數較未處理基體提升0.030～0.066,提升幅度較小,基本未改變表面粗糙度,表面平均硬度值為850～950 HV,磨損體積為未激光淬火時的45.1%～53.0%。

3) 通過對比不同搭接率的多道激光淬火硬化區的回火軟化現象,發現回火軟化帶的寬度隨著搭接率的增加而增加,30%搭接率的多道激光淬火后整體的硬度值分布均勻,回火軟化區寬度0.68 mm。