激光淬火工藝參數對Cr12MoV鋼組織與性能的影響

馮愛新, 趙 劍, 林晉豪

(1. 溫州大學 機電工程學院, 浙江 溫州 325035;2. 溫州大學 瑞安研究生院, 浙江 瑞安 325206)

汽車覆蓋件模具作為汽車工業的關鍵工藝裝備,長期承受交變載荷,在高壓沖擊和高頻摩擦下容易發生磨損和疲勞失效,并且失效往往從局部表面開始。拉延筋在成形工藝中通過增加阻力來控制板料流速,減少因流速不均而引起的起皺、破裂等現象,其作為板料成形過程中高頻高壓載荷區域,往往會率先出現失效,造成模具整體的失效,導致整套覆蓋件模具的過早報廢,造成資源浪費和生產成本的提高[1-3]。因此,提高覆蓋件模具拉延筋表面的性能是延長模具服役壽命的關鍵。

目前拉延筋制造工藝主要采取整體火焰淬火和鑲塊箱式淬火兩種熱處理工藝。火焰淬火[4]是整體式拉延筋常用的局部熱處理技術,具有工藝簡單、高效、低成本等優勢,但淬火畸變量大且模具強化性能依賴工人技術水平,工件表面容易燒化、過熱、淬裂、硬化層不均勻。鑲塊箱式淬火是拉延筋在爐內淬火熱處理,修整拉延筋尺寸,配合焊接回凸模,再對整個模具進行整體修整。復雜的熱處理工藝和高精度的合模工藝影響模具制造費用和生產周期[5-6]。

激光表面強化技術[7-10]主要有激光淬火(Laser quenching)、激光沖擊強化(Laser shock peening)和激光熔覆(Laser cladding)等,是推動當前模具熱處理強化技術向智能化、高端化發展的主要手段。激光表面強化技術相較于傳統表面強化技術,具有高能量密度、實用性好和可控性好等優勢,在汽車覆蓋件模具拉延筋部位表面強化領域有著廣闊的發展前景。激光強化技術提高硬度的效果強于常規方法的硬化程度,并會形成大幅殘余壓應力從而有效抑制疲勞裂紋萌生和裂紋擴展,提高材料硬度、細化組織晶粒、提高耐磨損性能。

激光淬火始于20世紀70年代中期,主要原理是將高功率激光光束(104～105W/cm2)非接觸式輻照在材料表面,使其表面溫度迅速升高到奧氏體相變臨界溫度以上,而材料內部則保持冷態。隨著激光束快速移動,在材料熱傳導的作用下,加熱的表面快速自冷發生相變,極速冷卻(冷卻速度可達105℃/s)獲得高硬度馬氏體。激光淬火技術與傳統熱處理工藝相比,具有加工時間短,熱影響區小、表面光潔度高等特點,而且處理后工件表面硬度高,硬化組織細,耐磨性高。由于激光參數可控,激光束面積小,易實現汽車覆蓋件模具局部針對性強化[11-12]。

本文以Cr12MoV鋼為研究對象開展激光淬火試驗研究,探索激光淬火對材料殘余應力、顯微硬度和微觀組織的影響規律,為激光淬火強化Cr12MoV冷作鋼提供機理支撐,為拉延筋整體激光淬火工藝提供基礎試驗支撐。

1 試驗材料與方法

試驗材料為Cr12MoV鋼,其化學成分見表1。使用FC-LD-532型激光加工驅控一體機系統實現Cr12MoV鋼表面激光淬火處理,圖1為拉延筋激光淬火區域示意圖。激光淬火試驗以激光功率和掃描速度為變量,探究Cr12MoV鋼最佳激光淬火工藝參數,并研究表面顯微硬度、表面形貌、微觀組織等變化規律,所選激光功率分別為1050、1200、1350 W,掃描速度分別為5、4、3 mm/s,激光淬火采用往復直線掃描方式,無重疊區域。

圖1 拉延筋激光淬火區域示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser quenching area on drawbead

表1 Cr12MoV鋼的化學成分(質量分數,%)

使用LXRD型殘余應力儀測量殘余應力值,結果為5次測試的平均值。使用HVS-1000Z顯微硬度計對不同工藝處理后的Cr12MoV鋼進行顯微硬度檢測,加載載荷為 1 kg,加載時間為 15 s,結果為5個測試點的平均值。金相腐蝕劑選用4%硝酸乙醇溶液,采用Olympus BX53M正置光學顯微鏡觀察材料的組織形貌,采用OLYMPUS OLS4100型共聚焦光學顯微鏡觀察材料的表面微觀形貌。

2 試驗結果與分析討論

2.1 表面形貌及顯微組織

圖2為Cr12MoV鋼激光淬火后的表面形貌。由圖2(a,b)可以看出,當激光功率為1050 W時,掃描速度為4 mm/s的試樣表面淬火硬化層淺且小,基體表面大面積裸露,劃痕和微孔依舊可見。掃描速度為3 mm/s的試樣表面覆蓋有一定厚度的淬火硬化層,但仍有局部區域淬火不完全,淬火硬化層覆蓋不均勻。這是由于在相同激光功率下,隨著掃描速度的降低,基體表面受熱時間變長,表面吸收的激光能量增加,因此激光淬火區域更大,深度更深。由圖2(c)可見,當激光功率提高至1200 W,掃描速度仍為3 mm/s的試樣表面熔融并出現大量黑色球狀燒蝕顆粒,而掃描速度為4 mm/s的試樣表面硬化層呈鱗片狀覆蓋于材料表面,基體材料已完全被淬火層覆蓋。這是由于激光功率升高后,材料表面吸收的能量增大,使得材料表面高溫相變更加充分,因此材料的淬火層深度和寬度都得到提高[13],但掃描速度過低時表面溫度過高,超過熔點而出現熔融現象,從而影響表面形貌和硬度。

圖3為Cr12MoV鋼基體和激光淬火后的顯微組織,由圖3(a)可見,未激光淬火時,大型網狀偏析共晶碳化物分散在基體上,細小的碳化物呈魚骨狀分布在其左側,網狀共晶碳化物分布極不均勻且尺寸超過300 μm。由圖3(b～e)可見,激光淬火后,大塊網狀偏析共晶碳化物大量溶解,顆粒尺寸減小,比未激光淬火時減小約50%。這是由于激光淬火溫度達到奧氏體相變溫度,基體組織由球狀珠光體轉變為細小的馬氏體。由圖3(b, c)可知,激光功率為1050 W時,提高掃描速度,單位時間內材料受熱時間減少,對應的表面溫度也相應降低。當掃描速度為4 mm/s時,試樣在輻照升溫時達不到完全淬火溫度,奧氏體化不能充分進行,因此仍有偏析共晶碳化物殘留。由圖3(d, e) 可知,當激光功率為1200 W、掃描速度為3 mm/s時,表面吸收的激光能量過大,造成試樣溫度過高而熔化,表面形成金屬重熔層,導致奧氏體晶粒粗大,生成粗針狀馬氏體,造成試樣硬度下降[14]。當掃描速度提高至4 mm/s時,試樣均勻相變硬化,主要由馬氏體、細小的碳化物和殘留奧氏體組成。通過對比可知,激光功率為1200 W、掃描速度為4 mm/s時,晶粒更加緊密,組織之間空隙最小,且共晶碳化物的尺寸最細小,不超過80 μm。

圖3 Cr12MoV鋼激光淬火前后的表面顯微組織(a)未淬火基體;(b)1050 W, 3 mm/s;(c)1050 W, 4 mm/s;(d)1200 W, 3 mm/s;(e)1200 W, 4 mm/sFig.3 Surface microstructure of the Cr12MoV steel before and after laser quenching(a) unquenched matrix; (b) 1050 W, 3 mm/s; (c) 1050 W, 4 mm/s; (d) 1200 W, 3 mm/s; (e) 1200 W, 4 mm/s

2.2 顯微硬度

圖4為不同激光淬火工藝下Cr12MoV鋼的表面硬度。可見,未淬火時Cr12MoV鋼基體的表面硬度為250 HV,采用火焰淬火時表面硬度為636.88 HV。在激光淬火處理后,表面硬度較未淬火時均有所提高,且激光功率為1200 W、掃描速度為4 mm/s時表面硬度最高,為653.68 HV,高于火焰淬火。隨著激光功率的增加和掃描速度的降低,表面吸收的激光能量增多,強化效果也越好,但是當激光功率過大或掃描速度過低時會發生熔融現象,造成硬度減小,因此在材料熔點范圍內,淬火層表面硬度與激光功率呈正比,與掃描速度呈反比。激光輻照材料使其表面迅速升溫形成奧氏體,隨后急速冷卻獲得晶粒細小的馬氏體,高硬馬氏體是表面硬度提高的主要原因[15]。另外,激光功率過大或掃描速度過低容易造成表面熔融,在表面出現氧化層,這是由于激光輻照產生的高溫導致試樣表面發生較嚴重的碳燒損。而激光功率過小或掃描速度過大時,表面升溫不足,相變不徹底,馬氏體轉變不完全,且表面吸收的能量少,材料表面熱傳導時間短,淬火區域和深度越淺,因此也會影響材料表面硬度[16]。

圖4 不同激光淬火工藝下Cr12MoV鋼的表面硬度Fig.4 Surface hardness of the Cr12MoV steel after different laser quenching processes

當激光功率為1200 W時,不同掃描速度下Cr12MoV鋼的截面硬度分布如圖5所示。可以看出,掃描速度為4 mm/s時表面硬度最高,且在0.1 mm左右達到最大,之后隨深度的增加逐步下降。掃描速度為3 mm/s時,硬度在距離表面0.2 mm后達到最大,之后隨深度的增加逐步下降,但整體高于掃描速度為4 mm/s時的硬度,這主要是由于掃描速度的減小造成材料表面熔融,形成了碳含量較低的馬氏體,超過0.2 mm后,馬氏體含量沒有減少,因此硬度增加。深度增加時,由于溫度隨著距表面距離增加而減小,組織中存在未相變的鐵素體,因此硬度又開始下降[17]。

圖5 激光功率為1200 W時Cr12MoV鋼的截面硬度分布Fig.5 Hardness distributions in cross section of the Cr12MoV steel under laser power of 1200 W

2.3 表面殘余應力分布

圖6為不同激光淬火工藝下Cr12MoV鋼的表面殘余應力。可以看出,未淬火時表面為拉應力(69 MPa),而激光淬火后轉變為壓應力。隨著激光功率的增大和掃描速度的降低,表面殘余壓應力增大,且在激光功率為1200 W、掃描速度為4 mm/s時最大,為-259.29 MPa,而進一步增大激光功率和減小掃描速度時,由于表面出現了熔融現象,造成硬度和殘余壓應力降低。結合硬度分析結果可知,在材料熔點范圍之內,激光淬火后的表面硬度與殘余壓應力呈正相關,均受激光功率和掃描速度的影響。這是由于激光淬火時,材料在快速冷卻階段,大量奧氏體向馬氏體轉變,發生體積膨脹引起組織應力,發生馬氏體相變產生的組織應力影響淬硬區殘余應力場,在材料表面誘導生成殘余壓應力[18]。

圖6 不同激光淬火工藝下Cr12MoV鋼的表面殘余應力Fig.6 Residual stress on surface of the Cr12MoV steel after different laser quenching processes

3 結論

1) 激光功率為1200 W、掃描速度為4 mm/s時,Cr12MoV鋼的表面淬火層形貌呈鱗片狀覆蓋于材料表面,基體材料已完全被淬火層覆蓋,且淬火層整體較為平整,無黑色球狀燒蝕顆粒。表面組織為高硬的馬氏體、細小的碳化物和殘留奧氏體。馬氏體細小、硬度高,從而提高了Cr12MoV鋼的表面硬度。

2) 在材料熔點范圍之內,激光淬火表面的硬度和激光功率呈正比,與掃描速度呈反比。當激光功率為1200 W、掃描速度為4 mm/s時,Cr12MoV鋼表面硬度最大,為653.68 HV。

3) 在材料熔點范圍之內,淬火層表面殘余壓應力與表面硬度呈正相關,均受激光功率和掃描速度影響。激光功率為1200 W、掃描速度為4 mm/s時,Cr12MoV鋼表面殘余壓應力最大,為-259.29 MPa。