鐵基激光熔覆層超聲滾壓主加工參數優化實驗

周 平 王 峰

（①重慶移通學院智能工程學院，重慶 401520；②重慶理工大學機械工程學院，重慶 401520）

模具作為一種制備復雜部件的精密工具，通常需要構建特殊的控制形狀，并且在實際使用過程中承受加工介質的載荷作用，因此需要達到很高的力學強度、表面硬度以及精細表面結構，這對模具生產制造技術提出了更高的要求，也在一定程度上促進了機械加工業的進步[1-2]。

熱作車軸鋼屬于現階段使用最廣泛的金屬成型材料，可以在服役期間承受劇烈沖擊載荷，由于模具控制型腔會跟高溫金屬發生接觸而造成溫度的頻繁變化，導致模具持續產生塑性變形，最終引起熱疲勞、表面磨損甚至整體斷裂的情況[3-4]。組成為4CrSMoSiV1 的EA4T 鋼具備優異韌性與力學強度，已成為化工機械與材料加工領域廣泛應用的一類熱作車軸鋼[5-6]。模具最初發生失效的區域通常出現在表面位置[7]，因此可以通過改善表面質量來延長EA4T 車軸鋼的疲勞壽命[8-9]。當熱作模具表面發生失效時，可以通過堆焊、噴涂和激光熔融等多種方法進行修復并實現強化的效果[10-11]。經過修復處理的熱作模具無法達到理想的尺寸控制精度與表面力學特性控制標準，還需對其實施機械與光整加工。其中，經過修復后的表層粗糙度控制水平會直接影響其質量與使用壽命，也可以通過優化模具型腔表面組織結構的方式使部件獲得更長的服役壽命[12]。進行模具加工時，拋光工作量占工作總量比例基本介于30%～40%，實際拋光效果較差[13]。滾壓作為一種低成本高效光整技術，可以利用滾壓方式來調整材料的粗糙度、硬度以及內部應力預計組織形貌特點，顯著增強修復層耐磨、耐腐蝕和耐應力疲勞的綜合力學特性[14-15]。還有學者開發了超聲表面滾壓方法進行表面鏡面加工，可以對熱作模具起到優異的表面強化效果，從而實現低靜壓力、低能耗以及超聲減摩等多項強化效果。針對以上情況，可以利用滾壓加工代替部分的拋光加工過程，從而獲得更高的熱作模具維護效率。但到目前為止，只有少數學者對激光熔覆層開展超聲滾壓方面的研究工作達到了較理想的光整強化性能，但設置不合理工藝參數時，將無法有效發揮強化效果，甚至會對原先已有熔覆層造成結構損害。

為了對鐵基激光熔覆層實現更優光整強化的效果，本文采用超聲滾壓方法處理EA4T 鐵基激光熔覆層并對其表面組織形貌和制品質量進行了分析。可以根據本文研究結果為激光熔覆熱作車軸鋼提供超聲滾壓工藝優化的理論參考，并為實際應用過程提供理論指導，也可以促進模具制造技術和修復能力的提高。

1 試驗

1.1 激光熔覆層的制備

本實驗選擇EA4T 車軸鋼作為測試對象，將基材尺寸加工為100 mm×100 mm×20 mm。本實驗以鐵基合金粉末作為激光熔覆原料，該粉末的元素含量與物理性能參數見表1。

表1 鐵基粉末主要質量分數

實驗開始前先以砂紙打磨去除EA4T 基體表面的氧化層與銹蝕物，之后將試樣浸入乙醇中超聲清洗，烘干鐵基合金粉待用。本研究選擇美國nLIGHT光纖激光器作為熔覆設備，可以達到2 000 W 的最大輸出功率。以同步送粉方式處理獲得激光熔覆層，通入N2完成粉末原料的輸送并對其提供惰性保護，避免融池接觸空氣而被氧化。表2 給出了激光熔覆的具體參數。

表2 激光熔覆參數

本實驗采用Micromeasure2 白光干涉儀表征了EA4T 車軸鋼的激光熔覆層微觀組織結構。結果發現，表層最高輪廓約128.7 μm，不能直接應用，還需繼續對激光熔覆層經過表面銑削得到最終試樣。

1.2 激光熔覆層的銑削

銑削加工設備為KMC600 U 五軸立式加工中心。采用常規硬質合金制備的刀具無法滿足激光熔覆層的銑削加工要求，較易引起磨損與崩刀的問題。為確保對激光熔覆層進行穩定切削加工，本次采用SNMN120412 型氮化硼刀片。

1.3 熔覆層滾壓加工

為KMC600 U 五軸立式加工中心配備HK30G型超聲滾壓設備，將半徑尺寸為7 mm 的滾珠安裝于超聲變幅桿輸出端。新滾珠可以在工具座中靈活滾動，不會受到阻滯作用，利用緊定螺釘控制滾珠沿軸向發生的竄動，確保變化值在0.03～0.05 mm。開啟加工系統控制程序，確保執行機構滾珠接觸工件表面，由此完成EA4T 車軸鋼熔覆層的滾壓過程。滾壓實驗圖如圖1 所示，滾壓件如圖2 所示。

圖1 滾壓實驗

圖2 滾壓件

1.4 性能表征方法

選擇TR200 表面粗糙度儀作為本次粗糙度測試設備，以此測定工件表面的粗糙度，同時利用HR-150A 洛氏硬度計測定試樣的表面硬度，最后采用PROTOiXRD 殘余應力系統測定各工件殘余應力數據。

2 結果與討論

2.1 表面粗糙度分析

以同樣工藝條件對4 個表面粗糙度試樣開展滾壓加工，超聲滾壓前后表面粗糙度結果如圖3 所示。通過分析可以發現，對工件表面進行滾壓處理后，當最初表面粗糙度較大時，形成的最終表面粗糙度也更大。滾壓加工也屬于等材加工的模式，主要通過“削峰填谷”作用來控制表面粗糙度，可以觀察到激光熔覆層表面形成了許多溝壑，如果不對熔覆層進行銑削就實施滾壓加工將會降低光整程度。這就要求對激光熔覆層開展超聲滾壓前先對其銑削加工來減小粗糙度，顯著改善熔覆層滾壓光整性能。

圖3 超聲滾壓前后表面粗糙度關系

2.2 壓下量分析

為測試激光熔覆層在不同壓下量下的表面性能，設定了以下超聲滾壓工藝條件：電流1.1 A，步距0.03 mm，滾壓速度1 800 mm/min，保持靜壓力為0.6 MPa。處理前的試樣粗糙度為1.14 μm。圖4給出了各壓下量對應的激光熔覆層硬度、粗糙度和殘余應力測試結果。從上述結果中可以發現，逐漸提高壓下量后，經過超聲滾壓形成的表面粗糙度先降低再增加，當壓下量達到0.10 mm時，熔覆層達到了最低表面粗糙度0.131 μm。不同壓下量對粗糙度產生影響的規律主要在于設定較小壓下量時，熔覆層存在明顯彈性恢復的過程，此時表面塑性變形程度不大，未獲得明顯的“削峰填谷”效果，影響了預期的滾壓光整性能；將壓下量提高到0.10 mm時，激光熔覆層發生了更明顯的塑性變形，能夠有效提升“削峰填谷”程度，可以獲得更理想光整效果；繼續提高壓下量后，激光熔覆層承受超過實際承載上限的滾壓力，從而在熔覆層表面產生明顯塑性變形，減弱了滾壓加工效果，造成表面粗糙度增大的結果。

圖4 壓下量對表面質量的影響

對圖4 進行分析可知，增大壓下量后，熔覆層硬度先增大再減小，并在壓下量達到0.10 mm 的條件下獲得了59.2 HRC 的最大硬度。這是由于處于較低壓下量的加工過程中，熔覆層主要以彈性變形為主，此時并未獲得預期的滾壓強化作用。提高壓下量后，滾壓頭將會在激光熔覆層中產生更大程度的擠壓，之后受到超頻循環沖擊預計靜壓力作用后，可以對激光熔覆層起到更強的加工硬化作用，從而獲得更高的表面硬度。壓下量大于0.10 mm 時，激光熔覆層可以跟滾壓工具頭形成更大接觸面，從而降低滾壓階段的超頻振動強化效果。滾壓頭滾珠承受更大阻尼作用，此時滾壓區溫度也會因熔覆層和滾壓頭之間發生滑動摩擦而快速升高，造成激光熔覆層軟化，減弱了超聲循環沖擊下所產生的滾壓強化作用，引起表面硬度的下降。

根據圖4 結果可知，提高靜壓力后，熔覆層受到滾壓頭更強擠壓作用，之后在靜壓力與超頻沖擊作用下形成了更細的熔覆層組織結構，并且殘余壓應力也進一步提高。繼續增大壓下量后，滾壓頭滾珠受到了更強的阻尼作用，此時熔覆層和滾壓頭之間將會產生更強烈的滑動摩擦而導致溫度快速升高，造成熔覆層軟化以及殘余壓應力減小的結果。

2.3 靜壓力分析

圖5 給出了不同靜壓力下的熔覆層硬度、粗糙度和殘余應力測試結果，在靜壓力增大的過程中，試樣表面粗糙度先降低再增大，并在靜壓力達到0.45 MPa 時獲得了0.119 μm的最小粗糙度。保持較低靜壓力時，激光熔覆層的滾壓加工溫度也較低，此時可以略微提高靜壓力來增強滾壓“削峰填谷”的作用。如果形成過高靜壓力，則會降低滾珠滾壓頭超聲減摩作用，形成更粗糙的表面結構。

圖5 靜壓力對表面粗糙度、殘余應力和硬度的影響

根據圖5 可知，提高靜壓力后，熔覆層表面硬度先提高再降低，并在靜壓力達到0.65 MPa 時獲得59.5 HRC 的最高硬度值。滾珠和激光熔覆層之間的擠壓程度也與靜壓力呈現正相關變化趨勢，同時與超頻沖擊作用一起實現熔覆層硬化的效果，進一步提高了熔覆層表硬度。靜壓力增大到0.75 MPa以上時，熔覆層將受到大于其承載上限的應力，造成熔覆層明顯剝離的結果，熔覆層硬度快速減小。如果施加過大靜壓力也會造成熔覆層和滾壓頭之間形成更強烈滑動摩擦作用，導致滾壓區溫度的快速升高，使試樣表面出現軟化而形成更小的表面硬度。

當處于較低靜壓力下時，滾壓加工過程只產生很少熱量，最終獲得的殘余壓應力取決于靜壓力與超聲循環的共同作用，因此熔覆層殘余應力與靜壓力保持正相關變化規律。靜壓力達到0.55 MPa 以上時，熔覆層和滾壓頭之間產生更強的滑動摩擦，引起滾壓接觸區域的溫度快速升高，使試樣表面發生明顯軟化，獲得了更小的殘余壓應力。

2.4 滾壓速率分析

圖6 給出了各滾壓速率下得到的激光熔覆層粗糙度、硬度與殘余應力測試數據。相比于壓下量與靜壓力的影響程度，滾壓速率引起激光熔覆層質量的變化程度更小。提高滾壓速率后，試樣表面粗糙度呈現先降低再增大的變化特點，到達2 100 mm/min滾壓速率時獲得了0.145 μm 的最小粗糙度；以較小速率進行滾壓時，提高滾壓速率后可以形成更均勻的變形區，從而獲得更小的表面粗糙度；隨著滾壓速率增大到2 100 mm/min 以上時，激光熔覆層與滾珠同時存在滑動摩擦與滾壓摩擦，提高滾壓速率后，形成了更高比例的滑動摩擦運動形式，使熔覆層表層產生明顯劃痕缺陷，無法獲得理想的滾壓光整性能，形成了更粗糙的表面。

圖6 滾壓速率對表面粗糙度、殘余應力和硬度的影響

圖6 測試結果顯示，熔覆層表面硬度受到滾壓速率的影響程度很小。增大滾壓速率后，熔覆層發生了表面硬度先升高再降低的變化趨勢，當滾壓速率增加到2 100 mm/min 時，硬度達到59.4 HRC 的最大點。以較慢速率進行滾壓時，提高滾壓速率后，激光熔覆層加工區受到了更多次的超頻循環沖擊作用，有助于材料表層獲得更均勻的塑性變形程度與加工硬化效果，同時形成了更細的表面組織，表面硬度也獲得了提升。持續增大滾壓速率時，滾壓接觸區域形成更高的溫度，表面組織發生軟化，在一定程度上減弱了超聲循環沖擊過程所產生的加工硬化程度，生成硬度更小的激光熔覆層。

根據圖6 可知，試樣測試得到的表面殘余壓應受滾壓速率的影響程度很弱，當滾壓速率由1 500 mm/min 增大到2 700 mm/min 時，此時在熔覆層表面形成了-421.3～-408.5 MPa 的穩定殘余壓應力。這是由于增大滾壓速率后，滾壓接觸區域將會形成更高的表面溫度，在上述兩方面因素作用下，殘余壓應力保持相對穩定的狀態。

2.5 滾壓次數分析

圖7 所示為經過不同次數滾壓得到的激光熔覆層硬度、粗糙度與殘余應力。逐漸增加滾壓次數后，發生了表面粗糙度先降低再增大的變化結果，經過3 次滾壓處理后，粗糙度減小到0.152 μm 的最低值。對于較少次數滾壓過程來說，可以通過提高滾壓次數彌補之前滾壓階段的遺漏區域，實現更均勻的滾壓光整效果，有效減小表面粗糙度。經過3 次以上的滾壓處理后，滾壓次數過多會引起激光熔覆層受到過度擠壓而發生破壞的情況，嚴重時還會造成片狀剝離以及形成位裂紋缺陷，無法精確控制試樣尺寸與組織形貌，影響滾壓光整性能。

圖7 滾壓次數對表面粗糙度、殘余應力和硬度的影響

逐漸增加滾壓次數后，獲得的熔覆層表面硬度呈現先增大再降低的變化規律，經過3 次滾壓達到58.9 HRC 的最高硬度。此時可利用設置更多滾壓次數的方式來彌補之前滾壓階段的遺漏區域，促使材料表層達到更大程度的塑性變形與加工硬化，顯著增強滾壓強化作用。繼續增大滾壓次數時，除了會減小超聲滾壓效率以外，還會造成激光熔覆層受到過多次數滾壓而出現破碎現象，產生片狀剝離并生成裂紋缺陷。

通過分析圖7 結果可知，與滾壓速率的影響程度相近，改變滾壓次數時引起熔覆層表面殘余壓應力的變化程度也很小，當滾壓次數由3 次提高到9次時，在熔覆層中形成了-444.5～-410.6 MPa 的較穩定殘余應力。這是由于可以通過適當提高滾壓次數的方式來獲得更均勻滾壓強化效果，達到增大殘余壓應力的作用；此外，經過更多次滾壓后，激光熔覆層在多次塑性變形中獲得飽和形變狀態，在最高殘余壓應力下可以通過超聲滾壓來實現殘余壓應力的釋放過程。

上述測試結果顯示，設定滾壓壓下量0.10 mm、滾壓速率2 100 mm/min、靜壓力介于0.45 ～0.65 MPa、滾壓3 次的條件下，采用超聲滾壓方法處理激光熔覆層能夠實現優異表面光整效果。

2.6 表面顯微組織分析

圖8a 所示為EA4T 車軸鋼初始表面顯微組織形貌，其中，熔覆層與基體交界處形成了明顯過渡晶帶。這是因為受高能激光作用后，合金粉與基體方式互熔生成固溶帶，可以推斷熔覆層和EA4T 車軸鋼之間可以實現理想冶金結合效果。

圖8 超聲滾壓前后的表面組織

圖8b 所示為對超聲滾壓后的激光熔覆層進行微觀形貌觀察得到的圖像。表層部位存在明顯塑性變形層。由于能量在變形階段是以逐層方式進行傳遞，激光熔覆層塑性變形程度隨深度增加而降低，而晶粒尺寸發生了增大現象。

為進一步研究超聲滾壓后的激光熔覆層是否產生物相上的變化，超聲滾壓前后的XRD 圖譜表征如圖9 所示，材料本身未發生變化，因為滾壓后試樣表面未形成新相。由圖8 可知，由于超聲滾壓造成了試樣表層嚴重的晶格畸變，導致超聲滾壓后的峰值位置相比較滾壓前略有偏移，而且滾壓提高了(110)和(211)晶向的峰值強度，這主要是因為超聲滾壓后晶粒細化和殘余應力等因素綜合原因導致的。

圖9 超聲滾壓前后的XRD 圖譜

3 結語

（1）提高壓下量后，激光熔覆層表面粗糙度增大；提高靜壓力后，熔覆層表面硬度先增大再降低；提高滾壓速率后，試樣表面粗糙度先降低再增大；增加滾壓次數后，獲得的熔覆層表面硬度先增大再降低。

（2）確定最優參數工藝：滾壓壓下量為0.10 mm、滾壓速率為2 100 mm/min、靜壓力介于0.45 ～0.65 MPa、滾壓3 次條件下，采用超聲滾壓方法處理激光熔覆層能夠實現優異表面光整效果。

（3）超聲滾壓后激光熔覆層表層部位存在明顯塑性變形層，激光熔覆層塑性變形程度隨著深度增加而降低，而晶粒尺寸則增大。