激光表面淬火工藝對表面硬度影響實驗研究

劉慶剛，郭彥書，于新奇，劉 麟

（1.河北科技大學 機械工程學院，石家莊 050018；2.常州大學 機械工程學院，常州 213164）

0 引言

激光表面淬火可以大幅度提高金屬表面的硬度和耐磨性，并使金屬表面處于殘余壓應力狀態，提高金屬的耐疲勞性能，是一種常見的金屬表面強化工藝[1～4]。影響激光表面淬火的主要工藝參數包括光斑直徑、激光功率、掃描速度等[5～8]。本文主要通過實驗測試的方式，研究上述參數對激光表面淬火后表面層硬度、淬硬層深度以及表面殘余應力分布的影響，具有一定的意義。

1 試驗材料及實驗方法

1.1 實驗材料

實驗材料從某鍛鋼產品上取下，初始熱處理狀態為退火狀態，表面硬度為30HS（207HV），其金相組織如圖1所示。

如圖1所示，實驗材料主要由珠光體和碳化物組成，組織分布均勻，不存在偏析等缺陷。

1.2 實驗方法

1）試樣

實驗中，試樣實驗表面尺寸為100mm×100mm，厚度取30mm，實驗表面需加工至表面粗糙度小于Ra1.6，去除油污等備用。

2）實驗方法及測試設備

圖1 實驗材料金相組織

將試樣置于實驗臺上，激光表面淬火后自然冷卻，不使用氣體保護，然后進行低溫回火。實驗中，激光器采用Laserline半導體激光器，采用HV-1000型顯微硬度計測試淬火后的表面層硬度，采用HL-300型肖氏硬度計測量表面硬度，采用X射線衍射方法測定淬火后試樣的殘余應力。

2 試驗結果及討論

2.1 表面淬火區域金相組織

經過激光表面淬火后的區域沿著厚度方向的金相組織如圖2所示。

圖2 激光表現淬火后橫截面的金相組織（50X）

如圖2所示，表面淬火區域的組織主要為隱晶馬氏體，由于隱晶馬氏體難以在普通金相顯微鏡下觀測，因此整體呈白色；白色與黑色相間的區域組織主要為隱晶馬氏體和碳化物的混合組織，并逐漸過渡到基體的珠光體和碳化物的混合組織。

2.2 激光功率對硬度的影響

控制淬火后的表面硬度為65HS，研究相同光斑移動速率條件下光斑直徑與所需功率之間的關系，其結果如圖3所示。

圖3 表面硬度與激光功率之間的關系

由圖3可知，當光斑直徑和掃描速度相同時，隨著激光功率的增加，表面硬度先增加后降低；隨著光斑直徑的增加，獲得相同表面硬度所需的激光功率不斷增加。

2.3 掃描速度對淬硬層深度的影響

以光斑直徑為25mm為例，激光器功率為3600W，掃描速度與硬度大于450HV的淬硬層深度之間的關系如圖4所示。

由圖4可知，淬硬層深度隨著掃描速度的增加而降低。掃描速度增加，效率提高，但淬硬層深度降低，因此在保證一定淬硬層深度的情況下，要盡量選擇較大的掃描速度。

圖4 淬硬層深度與掃描速度關系

2.4 淬火層硬度

由于采用圓形激光光斑，因此在兩條激光光斑掃描路徑的搭接區域和掃描區域，材料受熱情況不同，淬硬層的硬度也不一致，圖5所示為光斑直徑為25mm，掃描速度為5mm/s時，掃描區域和搭接區域顯微硬度的對比情況。

圖5 顯微硬度隨深度的變化對比

由圖5可知，搭接區域的硬度和淬硬層深度明顯低于掃描區域，是整個結構的薄弱環節。搭接區域由于激光照射的能量密度較低，淬硬層深度較小。圖6所示為由搭接區域中心向附近兩條光斑掃描路徑延伸的表面硬度分布情況。

由圖6可知，搭接區域中心的硬度最小，僅為51HS左右；沿著向兩條掃描路徑方向，硬度越來越大，當離開搭接中心區域1.5mm左右時，表面硬度接近65HS，與掃描區域的表面硬度相當。因此，在進行激光表面淬火工藝設計時，應該以搭接區域中心的硬度和淬硬層深度作為參考，合理設置光斑直徑、激光功率和掃描速度。

2.5 殘余應力

表面淬火后，掃描區的殘余應力為壓應力，橫向殘余應力為-423MPa，縱向殘余應力為-434MPa，縱向和橫向壓應力幾乎相等；搭接區域中心部位的殘余應力為拉應力，橫向殘余應力為60MPa，縱向殘余應力為20.6MPa。

圖6 搭接區域的表面硬度

3 結論

采用實驗測試的方法對激光表面淬火工藝對金屬表面硬度的影響進行了探索，得到主要結論如下。

1）激光表面淬火后，淬火層的主要組織為隱晶馬氏體，隨著深度的增加逐漸轉變為馬氏體+碳化物，未被淬火的基層組織仍為珠光體+碳化物。

2）其他條件不變時，隨著激光功率的增加，淬火后的表面硬度先增加后降低，存在一個硬度的極值，表明激光功率存在最優值；隨著光斑直徑的增加，達到某確定表面硬度所需的激光功率也會相應增加。

3）掃描速度越快，淬硬層深度越?。灰虼嗽诒ＷC工藝要求的前提下，可以選擇較大的掃描速度以提高生產效率。

4）掃描搭接區域的硬度和淬硬層深度明顯小于掃描區域，因此在工藝設計時應該以搭接區域的硬度和淬硬層深度作為參考。

5）表面淬火處理后，結構主要的殘余應力為壓應力，但在搭接區域存在一定的殘余拉應力。