激光熱處理對X100管線鋼摩擦磨損性能的影響

顧正家，嚴春妍，吳 晨，吳立超，張可召，包曄峰

河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022

0 前言

石油的需求日益增長，在其開采和運輸過程中，高強度管線用鋼占據著越來越重要的地位［1-3］。復雜的加工工藝和惡劣的服役環境對管線鋼表面造成的腐蝕是導致管道失效的主要原因，而不同程度的表面磨損也會加重管道的腐蝕與破壞，同時容易引發管壁減薄、表面凹坑等缺陷，造成管道使用壽命大幅縮減以及維護成本的增加［4-6］。

激光熱處理（Laser Heat Treatment，LHT）是一種比較高效的表面強化處理技術，選用合適功率的激光作為熱源，對材料表面進行加工處理，以改善材料表面質量、抗拉強度、耐磨性等性能［7-8］。Mullo［9］等人研究了激光熱處理對AISI 1045 鋼和2017-T4鋁合金旋轉摩擦焊接的輔助作用，結果顯示激光熱處理可以將接頭的抗拉強度提升約28%，同時可以讓旋轉摩擦焊接的用時減少約25%。Luo［10］等人對低合金超高強度鋼激光焊接接頭進行了激光熱處理研究，發現試樣經過熱處理后在回火區形成了較多的回火馬氏體，并伴隨著碳化物的析出，同時在靠近表面的區域形成了鐵素體和馬氏體的雙相組織，有效改善了接頭的硬度分布。Farshidianfar［11］等人通過紅外成像技術對激光熱處理進行實時熱監測，結果發現在一定范圍內增加冷卻速率馬氏體形成量卻有所減少。雖然激光熱處理已被廣泛應用，但是目前針對激光熱處理對管線鋼表面摩擦磨損性能的優化研究還比較匱乏。因此，本文以X100管線鋼為試驗材料，研究了激光熱處理對X100 管線鋼摩擦磨損性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗材料選用X100 管線鋼，尺寸為200 mm×200 mm×18.4 mm，化學成分如表1所示。

表1 X100管線鋼的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical compositions of X100 pipeline steel （wt.%）

激光熱處理設備采用德國IPG Photonics 公司制造的YSL-10000-S2型激光發射器。激光熱處理前將板材進行噴砂處理，去除表面油污和鐵銹，然后在X100 管線鋼表面涂上黑漆做黑化處理，以增加激光的吸收率，防止因鋼板過度反射造成表面硬化深度較淺。然后采用三種功率進行激光熱處理，熱處理過程中通入氬氣作為保護氣，流量30 L/min。具體的激光熱處理工藝參數如表2所示。

表2 激光熱處理工藝參數Table 2 Laser heat treatment process parameters

將X100 管線鋼母材和經過激光熱處理后的鋼板加工成10 mm×10 mm×18.4 mm 的試樣，將試樣打磨拋光，而后使用4%硝酸酒精進行腐蝕。采用上海點應光學蔡司Axiolab 5 型金相顯微鏡觀察顯微組織，采用Olympus BX53M體視顯微鏡測量激光熱處理后的硬化層（Hardened zone，HZ）深度。使用HXD-1000TMC 顯微硬度計對試樣硬化層進行顯微維氏硬度測試，試驗載荷200 g，加載時間15 s。

采用干式滑動摩擦磨損試驗對激光熱處理后的管線鋼磨損性能進行研究，分析激光熱處理前后材料的摩擦系數和磨損形貌。試驗原理如圖1 所示。激光熱處理后X100 管線鋼板加工成10 mm×20 mm×10 mm的試樣，打磨拋光后用超聲波清洗儀清洗5 min并烘干，使用梅特勒托利多ML4002電子分析天平稱重，并記錄數據。將試驗樣品安裝到自制的干式滑動摩擦磨損試驗裝置上，其中上試樣采用的是球徑5 mm 的二氧化鋯（ZrO2）球頭，下試樣為激光熱處理試樣。試驗溫度20 ℃，載荷為10 N，摩擦速度為0.05 m/s，摩擦時間1 h，由摩擦磨損測試系統直接采集摩擦系數。將經過摩擦磨損試驗的樣品放入超聲波清洗儀中清洗2 min 后烘干，稱重并記錄結果，再將記錄后的試驗樣品放在掃描電鏡下（SEM）觀察磨損形貌。

圖1 摩擦磨損試驗原理Fig.1 Schematic diagram of friction wear test

2 結果與討論

2.1 顯微組織和硬度

X100 管線鋼激光熱處理的硬化層深度與平均硬度分別如表3、表4 所示，可見經過激光熱處理試樣的硬化層平均硬度明顯大于母材，且硬化深度與平均硬度值隨著激光功率的提升越來越大。

表3 不同激光功率下硬化層深度Table 3 Depths of hardened zone with different laser powers

表4 X100管線鋼激光熱處理前后平均硬度Table 4 The average hardness of X100 pipeline steel with and without laser heat treatment

母材和三組不同功率激光熱處理試樣的顯微組織在光學顯微鏡（OM）下的照片如圖2所示，不同激光功率熱處理后的硬化層顯微組織的掃描電鏡照片如圖3所示。由圖2a可知，X100管線鋼母材的顯微組織主要為細小的貝氏體和少量鐵素體。圖2b、2c、2d 可以明顯看出硬化層和母材的分界。硬化層的金屬由于迅速升溫至相變溫度Ac1 以上，在激光束離開之后，周圍的母材金屬大量吸熱，使硬化層急速冷卻，從而獲得細小且硬度較高的馬氏體組織。由圖3可知，X100管線鋼母材經過激光熱處理后形成大量細小的馬氏體組織，馬氏體組織的形成有利于提高管線鋼的硬度。隨著激光功率的增加，激光熱處理得到的硬化層范圍也逐漸擴大，硬化深度也逐漸增加。

圖2 激光熱處理前后試樣微觀組織Fig.2 Microstructures of specimens with and without LHT

圖3 激光熱處理硬化層顯微組織Fig.3 Laser heat treatment microstructures of hardened zone

2.2 摩擦磨損性能

采用干式滑動摩擦磨損試驗，對試驗前后的樣品稱重結果采用失重法［12］分析，公式如下：

式中k為失重率；W1為磨損前稱重；W2為磨損后稱重；ρ為密度；L為總滑動距離；N為施加載荷。

采集得到的X100 管線鋼母材和三組熱處理樣品的摩擦系數如圖4所示。所有摩擦系數曲線一般都可以分為磨合階段和穩定階段［13］。由圖4 可知，試驗開始時的磨合階段，樣品表面由于經過拋光較為光滑，摩擦系數從0開始迅速增大；試驗進行到穩定階段時，母材摩擦系數約為0.34，1 000 W 功率的摩擦系數約為0.31，當激光功率增加到1 400 W時，試樣的摩擦系數降低到了約0.25。這是由于母材并未經過激光熱處理，且顯微組織主要為大量貝氏體和少量鐵素體，因此整體硬度偏低。隨著激光功率的增加，硬化層的深度增加，馬氏體數量增多、分布范圍更大，硬度得到提升，因此耐磨性較好，呈現出激光功率越大摩擦系數越低的趨勢。同時在摩擦磨損試驗中后期，部分試樣的摩擦系數出現了大幅度偏移，這是因為在試驗過程中樣品表面出現了磨屑附著或者較薄的硬化層已經被磨損等原因，從而導致摩擦系數曲線的陡變。

圖4 X100管線鋼激光熱處理前后的摩擦系數Fig.4 Friction coefficients of X100 pipeline steel with and without laser heat treatment

X100 管線鋼母材和激光熱處理后試樣經過摩擦磨損試驗的磨痕形貌如圖5所示。母材由于含有較多貝氏體，整體硬度相對偏低，塑韌性好，所以剝落現象嚴重且犁溝溝痕較深，同時表面存在部分黏著磨損跡象和試驗導致的局部塑性變形。經過激光熱處理后，試樣表面附著硬化層，含有較多硬度偏高的馬氏體。所以經過激光熱處理的試樣表面犁溝溝痕相對較淺，且剝落點大量減少，整體磨損形貌相比母材得到改善。X100 管線鋼母材激光熱處理前后失重結果如表5 所示，可以看出，X100 管線鋼母材摩擦磨損試驗的失重率約1.68×10-4mm3·m-1·N-1，超過激光熱處理試樣的失重率。1 000 W功率試樣失重率約為1.20×10-4mm3·m-1·N-1，隨著激光熱處理功率提升，1 400 W 功率的試樣失重率僅為0.83×10-4mm3·m-1·N-1，失重率明顯下降，耐磨損性能也得到一定程度的提高。

圖5 X100管線鋼激光熱處理前后試樣的磨痕形貌Fig.5 Abrasion morphology of X100 pipeline steel with and without laser heat treatment

表5 X100管線鋼激光熱處理前后失重Table 5 Comparison of weight loss of X100 pipeline steel with and without laser heat treatment

3 結論

本文主要針對X100 管線鋼激光熱處理前后顯微組織和摩擦磨損性能進行了分析，結果如下：

（1）激光功率1 000 W、1 200 W、1 400 W 的激光熱處理均可在X100管線鋼表面形成細小的馬氏體組織，整體硬度均高于母材；隨著激光功率增大，馬氏體組織分布的深度逐漸增大，硬度也有提升。

（2）激光熱處理后的X100 管線鋼表面干式滑動摩擦系數小于母材表面的系數，摩擦系數平均值整體趨勢為母材＞1 000 W＞1 200 W＞1 400 W。

（3）母材表面擁有較多剝落點和較深犁溝，部分區域存在因摩擦引起的塑性變形，激光熱處理試樣的剝落點較少，犁溝較淺，整體磨損形貌得到改善。

（4）激光熱處理后的試樣失重率小于母材，且隨著激光熱處理功率提升，試樣的失重率從1.20×10-4mm3·m-1·N-1降低至0.83×10-4mm3·m-1·N-1，耐磨損性能得到進一步提升。