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(qiáng)化技術(shù)之一。其工藝過程是在金屬鹽浴復(fù)合處理后，為了降低表面、粗糙度值，對工件表面進(jìn)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(chǎn)品的耐磨性、耐蝕性和減少產(chǎn)品變形方面。

近年來，激光熱處理技術(shù)得到廣泛的應(yīng)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(guī)淬火更細(xì)，激光淬火后表面硬度也比常規(guī)淬火或高頻感應(yīng)淬火后表面硬度高。采用兩種或多種表面處理技術(shù)的復(fù)合處理已經(jīng)成為一種趨勢，也出現(xiàn)了深冷和QPQ技術(shù)的復(fù)合處理、激光硬化和QPQ技術(shù)的復(fù)合處理。

我公司開發(fā)的鋸石鏈產(chǎn)品最常見的失效方式是鉚釘?shù)哪p引起節(jié)距拉長，導(dǎo)致鏈條與導(dǎo)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(nèi)部硬度更低的擴(kuò)散層并無很好的耐磨性，鉚釘就會(huì)加速失效。為了進(jìn)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(jié)構(gòu)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(yàn)方法

試驗(yàn)采用鉚釘實(shí)物零件，結(jié)構(gòu)如圖1所示，虛線部分進(jìn)行激光淬火處理。材料采用軸承鋼，為了減少Q(mào)PQ處理工藝的影響，試驗(yàn)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(dǎo)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(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速一定，再打開激光控制開關(guān)，激光照射一定時(shí)間后，依次關(guān)閉激光控制開關(guān)和鉚釘旋轉(zhuǎn)開關(guān)。圖2b中，先讓鉚釘自轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速一定，再打開激光控制開關(guān)，激光照射一定時(shí)間后，激光頭沿圖示方向移動(dòng)，待光斑全部離開鉚釘之后關(guān)閉激光控制開關(guān)和鉚釘停止轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)過程由程序控制。

通過金相顯微鏡（BM-4XF）、顯微硬度計(jì)（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(gè)位置。

2. 試驗(yàn)結(jié)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?shù)谋砻嬗砂琢翆雍蛿U(kuò)散層組成。整個(gè)白亮層和擴(kuò)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(kuò)散層進(jìn)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(shí)間是均為0.65s，在鉚釘?shù)霓D(zhuǎn)速一定的條件下，該時(shí)間剛好處理到鉚釘?shù)囊蝗Α?/p>

圖4是功率450W時(shí)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?shù)陌琢翆幼儽。瑫r(shí)擴(kuò)散層并沒有加深。擴(kuò)散層的硬度為744.1HV（距離表面0.04mm處）（見圖4e），比單純QPQ后擴(kuò)散層的硬度明顯提高。在4個(gè)部位的擴(kuò)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(shí)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，其余圖白亮層變薄；從圖中擴(kuò)散層與基體的界限距表面距離可以看出，擴(kuò)散層并沒有增厚。白亮層仍存在的部位，擴(kuò)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(kuò)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(shí)鉚釘截面不同部位的金相。從圖中檢測的四個(gè)部位可以看出，有1/2白亮層完全消失了，其余1/2白亮層變薄；在白亮層仍存在的部位，擴(kuò)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(kuò)散層與基體的界面較模糊，硬度為678HV（與圖5b結(jié)構(gòu)類似）；圖6d則完全看不清QPQ的擴(kuò)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(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，還會(huì)使點(diǎn)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?yàn)樵撎幬盏哪芰扛啵瑢?dǎo)致熱處理時(shí)溫度更高，使得接近表面部分過量的碳溶入奧氏體中，導(dǎo)致淬火時(shí)硬度反而降低。

圖4 功率450W時(shí)的鉚釘截面不同部位金相組織

圖5 功率500W時(shí)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(jié)果可以發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過激光熱處理之后可以使得QPQ擴(kuò)散層硬度提高；隨著功率的提高，使得白亮層消失，功率進(jìn)一步提高，還可以使得擴(kuò)散層消失。從金相組織來看，在功率450W時(shí)，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(shí)，鉚釘一圈內(nèi)有1/4部分白亮層消失，其余部分白亮層變薄；在功率600W時(shí)，有1/4部分白亮層消失，有1/4部分白亮層和擴(kuò)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(huì)與基體發(fā)生作用，白亮層會(huì)變薄，或者溶入基體改變表面化學(xué)成分。

（2）掃描方式對QPQ層的影響 為了獲得鉚釘一圈范圍內(nèi)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(fā)現(xiàn)，功率低的時(shí)候（450W），有軟點(diǎn)出現(xiàn)；功率高的時(shí)候有部分白亮層已經(jīng)溶解完了，甚至沒有擴(kuò)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(shí)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?shù)陌琢翆幼儽　U(kuò)散層的硬度為835.8HV（見圖7e）。在4個(gè)部位的擴(kuò)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(shí)鉚釘截面不同部位的金相組織

圖7 功率350W、時(shí)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(shí)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(jìn)行硬度測試，結(jié)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(fā)現(xiàn)，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(shí)，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(dǎo)致淬火層硬度不均勻以及白亮層或擴(kuò)散層溶解的程度不同。用更低功率掃描兩圈時(shí)，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(diǎn)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(shí)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(jié)語

（1）激光熱處理后可以使得鉚釘表面QPQ擴(kuò)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(shí)所處理的鉚釘?shù)谋砻娲阌矊佑捕炔痪鶆颉Ｍ瑫r(shí)，450W時(shí)，鉚釘?shù)陌琢翆佣即嬖冢?00W時(shí)，鉚釘表面有1/4區(qū)域白亮層消失；600W時(shí)，有1/2區(qū)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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