基于正交試驗設計的45鋼激光表面強化工藝優化*

周勇

(江西理工大學機電工程學院 江西贛州 341000)

45鋼是一種被廣泛應用于機械制造行業中的優質碳素結構鋼，常用來制造各種零件部，例如齒輪、軸承和軸套等[1-2]。它價格低廉，易于機械加工，并且經過調質處理后具有優異的綜合力學性能，但其硬度和耐磨性能不足，有待進一步提高[3]。實際工程運用中，很多零部件(如齒輪、軸承、軸套等)常常運行在彎曲、扭轉等交變載荷及摩擦、高溫腐蝕等惡劣的工況下，這就要求零部件不僅要具有耐磨、耐腐蝕的表面，而且其心部材料要有足夠的韌性和強度以抵抗交變載荷及變形。同時，磨損已經成為機械零部件失效或報廢的主要方式。在我國，零件和元件因磨損的損失是一年100億元，造成了巨大的材料消耗[4]。所以，如何提高零部件表面的硬度和耐磨性能是一個亟待解決的問題。目前，解決該問題的工藝方案就是激光表面強化處理。

激光表面強化是利用高能激光照射材料表面，使其在短時間內迅速升溫，然后切斷激光源，快速冷卻，從而使材料表層得到相變硬化的熱處理工藝。該工藝過程有如下特點：因加熱和冷卻時間短，表層材料的晶粒迅速細化成奧氏體[5-6]；被加熱的材料受到空氣的冷卻會發生自淬火而得到貝氏體或馬氏體[7-8]；表層材料因為非穩態相和固溶體而具有高硬度、耐磨性和耐腐蝕性能[9]。目前，國內外激光表面處理技術主要有激光重熔、激光熔覆和激光表面淬火等。這些技術都是通過利用高能激光作用在材料表面使其晶體結構發生變化，從而使材料的硬度、耐磨性能和耐腐蝕性能得到了提升。

大量研究表明，激光加工工藝參數對材料表面強化層的性能有重大的影響，具體參數有激光功率、掃描速度、光斑直徑和搭接率等。激光加工工藝參數的變化能改變激光束能量的大小，試樣表面所能吸收的能量就會隨之變化，材料晶體結構也會發生不同的變化，從而使得試樣表面的顯微硬度和耐磨性能發生較大差異。近年來，有不少學者對單個工藝參數對激光強化層性能的影響規律進行了試驗研究。然而，材料表面的綜合性能是眾多復雜因素交互作用的結果，單獨考慮一個因素的影響規律不全面也不精確。因此，本文作者采用正交試驗方法，利用激光表面強化技術在45鋼表面制備了激光強化層，并測試了該強化層的顯微硬度和磨損率，然后采用正交分析方法評價測試結果，旨在獲得最佳的激光加工工藝參數。

1 試驗材料與方法

1.1 基體材料

試驗材料選用直徑為60 mm的鋼棒，其化學成分及物理性能如表1、2所示。試驗前，利用鋸床將45鋼棒加工成厚度為10 mm的小板塊后，再用銑床將其加工成50 mm×20 mm×10 mm的小方塊，然后對試樣進行840 ℃×0.3 h(保溫后水冷)+600 ℃×1 h(保溫后空冷)的調質處理，最后用目數為600、1 000和1 500的砂紙依次打磨試樣，直至其表面光潔且無雜物。

表1 45鋼化學成分Table 1 Chemical composition of 45 steel %

表2 45鋼物理性能Table 2 Physical properties of 45 steel

1.2 試驗設備

激光表面強化所選設備為東莞奧信激光焊接設備有限公司生產的型號為AXL-700AW激光重熔機；選用型號為HR-150A的洛氏硬度儀測量45鋼表面激光強化層的顯微硬度；利用型號為 MMG-10 高溫摩擦磨損試驗機進行耐磨性能試驗，摩擦方式為大銷盤式摩擦，摩擦過程中摩擦試驗機自動實時記錄摩擦因數，摩擦磨損試驗參數：載荷為400 N，轉速為200 r/min，試驗溫度為25 ℃，試驗時間為30 min。用型號為 STM7 的光學顯微鏡觀測激光強化層的磨損形貌。依據Archard的簡單磨損計算理論，磨損率的計算公式如下：

式中：ω是磨損率(mm3/(N·m))；V是磨損體積(mm3)，V=AD，A是磨損軌跡的橫向面積，D是磨損軌跡的直徑；F是法向載荷(N)；L是總的磨損滑動距離(m)。

1.3 試驗方法

評價材料表面性能的指標眾多，其中顯微硬度對零部件的使用壽命起著至關重要的作用[10]，而磨損率是最能直觀衡量材料耐磨性能的標準[11]。所以，文中選擇顯微硬度和磨損率這2個指標作為正交設計的評價指標。為了保證顯微硬度測量值的精確性，測試時沿著試樣表面激光掃描方向等距離取10個點作為測量點進行測量，并取10個測量值的算術平均值作為最終的顯微硬度值。每組磨損率的最終取值均為該組工藝參數條件下3次試驗數據的平均值。

選擇激光功率、掃描速度、光斑直徑和脈寬4個激光加工工藝參數作為正交試驗因素，各因素之間無交互作用且均有3個水平值，依據四因素三水平的試驗原理L9(34)進行試驗，該正交試驗的因素水平如表3所示。

表3 正交試驗的因素和水平表Table 3 Factorand levels of orthogonal testTable

2 試驗結果與分析

2.1 正交試驗優化分析

各組不同激光加工工藝參數下所得的激光表面強化層的顯微硬度及磨損率測量結果如表4所示。

文中采用實用而且直觀簡單的極差分析方法來處理正交試驗數據。同時，運用綜合加權評分的方法來評價試樣表面的綜合性能。該方法可用以下公式[10]表示：

Yi=mi1ni1+mi2ni2+......+mijnij

式中：mij是指標系數；nij是試驗指標值；下標i,j代表第i號試驗的第j個指標值。

2個試驗指標的浮動范圍是：

K1=57.5-49.5=8，K2=21.3×10-5-8.7×10-5=

12.6×10-5

假設綜合評分總分為100分，顯微硬度和磨損率滿分均為50分，則指標系數為(磨損率越大則試樣表面性能越差，故此系數為負值)：mi1=50/K1=6.25,mi2=50/K2=-3.97

表4 正交試驗表及綜合性能分析結果Table 4 Orthogonal testingTable and analytical results of comprehensive performance

故各組試驗的綜合評分的計算公式為：Yi=6.25×ni1-3.97×ni2，各因素的綜合評分如表4所示。由綜合得分的極差計算結果可以得到：4種因素對激光強化層性能影響程度的主次順序是光斑直徑、脈寬、掃描速度、激光功率。

圖1所示是4個因素對綜合評分的影響示意圖。分析認為：(1) 光斑直徑即激光束的加工范圍的大小，它決定了單位時間內整個試樣接受能量的密度，而表面材料的吸收能量的多少直接影響著其晶體的變化行為，故該因素對表面材料綜合性能的影響最顯著[12]；(2)脈寬就是激光輸出的時間，時間越短能量越高。該因素也顯著影響著材料吸收能量的多少；(3) 掃描速度決定了熔池加熱和冷卻的速度。掃描速度較低時，熔池的熔融時間長，凝固速度慢，會形成組織均勻的結構。另外，熔池內熱量積累較多，晶核在較長的凝固時間內會生長出粗大的晶粒，導致平均硬度降低[13]。掃描速度較高時，晶核來不及生長即開始凝固，形成了細小的晶粒，強化層的平均硬度會增大[4]；(4)激光功率即單位時間內激光器釋放的激光能量的多少。增大激光功率會使激光能量密度變大，被熔材料將會增多，同時熔池的尺寸變大，熔融區和熱影響區范圍被擴大，最終導致激光強化層的厚度增大[14]，強化層的組織會更加均勻；但如果激光功率過大，在熔池內的材料會產生“汽化”，從而使激光強化層的孔隙率增大，同時在熔融區和冷卻區的截面處會因為溫度梯度過大而產生裂紋或者內應力曲變[15]。

圖1 各因素對綜合評分的影響示意圖Fig 1 Sketch map of the influence of various factors on the comprehensive scores

經過上述的計算和分析，可以確定激光表面強化的優化工藝參數為：激光功率650 W，掃描速度100 mm/min，光斑直徑4 mm，脈寬2.4 ms。

2.2 激光優化工藝驗證試驗2.2.1 優化前后顯微硬度和磨損率比較

采用上述優化工藝參數在45鋼表面制備激光強化層，以檢驗在該工藝條件下所制備的試樣表面強化層的顯微硬度和磨損率的綜合評分值是否為最高值。試驗結果顯示，顯微硬度的平均值為HRC56.4 ，磨損率為9.3×10-5mm3/(N·m)。則其綜合評分的計算公式為

Y=mi1×ni1+mi2×ni2=6.25×56.4-3.97×9.3=315.58

同表4中其他工藝組合所制備的表面強化層比較可知，采用正交優化參數制備的強化層具有較高的顯微硬度值和較低的磨損率，故其綜合性能最好。如圖2所示為表4中工藝參數優化前3、5、7號試樣及優化后試樣的表面顯微硬度值的對比。可以看到：優化后試樣的激光強化層硬度值分布較為均勻，且其硬度值也較高。如圖3所示為表4中工藝參數優化前2、4、6號試樣與優化后試樣的磨損率，可知優化后試樣的磨損率明顯降低。

圖2 參數優化前后試樣顯微硬度對比Fig 2 Comparison of microhardness of samples before and after parameter optimization

圖3 參數優化前后試樣磨損率對比Fig 3 Comparison of wear rate of samples before and after parameter optimization

2.2 磨損形貌

圖4所示為表4中工藝參數優化前2、4、6號試樣與優化后試樣的激光強化層的磨損形貌對比。由圖4(a)可以看到：第2號試驗試樣表面出現了裂紋，同時有表面材料的脫落，其磨損機制是典型的疲勞磨損。該強化層的性能最差，因而其綜合得分也最低。圖4(b)中的試樣磨損表面有大量的溝紋和條痕，磨損機制是磨粒磨損。由圖4(c)中試樣磨損表面的錐刺和脫落坑，可以判斷其磨損機制是黏著磨損，磨損試驗時會有大量的表面材料的損失。由圖4(d)可以看到：采用正交優化參數制備的試樣，其磨損表面僅有一些微小的劃痕，這說明其硬度值很高，耐磨性能也得到了提高。可見，采用正交優化的激光加工工藝參數達到了優化效果，制備出了顯微硬度值高、耐磨性能優異的激光表面強化層。

圖4 參數正交優化前后試樣激光表面強化層磨損形貌Fig 4 Wear morphology of laser surface hardening layer of samples before and after parameter optimization

3 結論

(1)4種參數對45鋼激光強化層綜合性能影響程度的主次順序是光斑直徑、脈寬、掃描速度、激光功率。

(2)利用正交實驗得到的45鋼激光強化最優工藝參數是：激光功率650 W，掃描速度100 mm/min，光斑直徑4 mm，脈寬2.4 ms。

(3)采用正交優化工藝參數制備的激光強化層的顯微硬度值為HRC55.4，磨損率為9.3×10-5mm3/(N·m)。

(4)優化前試樣磨損機制為疲勞磨損、磨粒磨損、黏著磨損，優化后試樣磨損表面僅有一些微小的劃痕，耐磨性能明顯改善。