激光淬火工藝對QT700-2球墨鑄鐵表面硬度與硬化層深度的影響

唐 亮1，王文健1，張亞龍，孫 瑋，詹 科

(1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司, 常州 213011；2.上海理工大學材料科學與工程學院，上海 200093)

0 引 言

制造業(yè)的飛速發(fā)展對一些關鍵零部件的使用性能提出了更高的要求，因此利用新技術新工藝提高產(chǎn)品性能的研究具有十分重要的意義。其中，激光表面改性技術發(fā)展迅速，已經(jīng)在傳統(tǒng)制造行業(yè)得到應用，并取得了一定的成果[1-3]。激光淬火是激光表面改性技術的主要應用手段，該技術將高能量激光光束照射到待淬火的金屬表面，使照射區(qū)域的溫度瞬間升至相變溫度以上；光束移開后，在工件基體的熱傳導作用下，該區(qū)域溫度瞬間降至馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，使得該區(qū)域發(fā)生馬氏體相變或貝氏體相變，從而完成相變強化的熱處理過程。與傳統(tǒng)淬火工藝相比，激光淬火可精確控制熱處理區(qū)域，具有工件熱變形小，淬火過程中無需冷卻液，易于進行較高自動化集成等優(yōu)點。

在實際應用中，激光淬火具有淬火區(qū)晶粒極細且均勻、工件強化效果好等優(yōu)點，在提高產(chǎn)品耐磨性能，延長使用壽命方面具有越來越重要的作用；該技術可以很好地解決形狀復雜零件以及薄壁零件的表面強化問題[4]。目前，激光淬火技術已應用在機床導軌、齒輪齒面、發(fā)動機曲軸的曲頸和凸輪以及各種工具刃口等方面[5-7]。激光淬火可使發(fā)動機缸體的耐磨性能提高3倍以上[5]；熱軋鋼板剪切機刃口經(jīng)激光淬火后，其壽命比未處理刃口的提高1倍左右[6]。材料的表面硬度以及硬化層深度是激光淬火工藝的重要性能指標，也是衡量激光淬火質(zhì)量的主要因素[8-11]。激光淬火后材料的表面硬度與激光功率、掃描速度、光斑大小、材料表面對激光的吸收率以及材料的熱物理性能等有關[12-13]。為了保證材料表面對激光具有較高的吸收率，在激光淬火前一般會采用磷化法或噴涂法黑化工件表面。大尺寸零件需要淬火的區(qū)域尺寸遠大于激光光斑尺寸，通常需要經(jīng)多道激光淬火處理才能完成整個區(qū)域的淬火；多道激光淬火處理時會出現(xiàn)激光搭接區(qū)[14-15]，而搭接區(qū)中前道所形成的馬氏體在后道的激光淬火處理時會部分發(fā)生分解，從而形成回火軟化帶[16-18]。因此，應通過優(yōu)化激光淬火工藝參數(shù)盡量減少由多道激光搭接形成的軟化區(qū)域(軟化帶)，從而提高工件的整體性能。QT700-2球墨鑄鐵的力學性能優(yōu)異，成本低廉，而常用于制造大型齒輪類零件[19-20]。傳統(tǒng)整體淬火處理容易使零件產(chǎn)生變形，影響其精度及性能，而目前有關激光淬火對QT700-2球墨鑄鐵表面硬度影響方面的研究較少。因此，作者對QT700-2球墨鑄鐵進行單道和多道激光淬火處理，研究了激光淬火工藝對球墨鑄鐵表面硬度和硬化層深度的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為QT700-2球墨鑄鐵，其化學成分如表1所示。采用線切割方法截取尺寸為60 mm×70 mm×100 mm的試樣，經(jīng)拋光、脫脂、除銹、清洗、干燥處理后，在試樣表面涂覆主要成分為石墨粉的CT150吸光涂料以增加吸光率，保證能量密度分布均勻，避免出現(xiàn)局部灼傷現(xiàn)象[21]。

表1 QT700-2球墨鑄鐵的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of QT700-2 ductile cast iron (mass) %

采用ZKSX-3012型激光設備進行激光淬火處理，激光器功率在03 kW，激光光斑尺寸為12 mm×3 mm，通過程控機器人手臂控制掃描速度。分別采用單道激光淬火和多道激光淬火工藝對球墨鑄鐵表面進行處理。在單道激光淬火處理時，激光功率為1 100～1 500 W，掃描速度為6～12 mm·s-1，焦距為215 mm。多道激光淬火處理采用非對稱多道激光淬火方法，即前一道的激光功率與掃描速度與后一道的不同，具體工藝參數(shù)如表2所示，焦距為215 mm，搭接區(qū)寬度，即兩道激光掃描重疊區(qū)域的寬度為2 mm。

表2 非對稱多道激光淬火工藝參數(shù)Table 2 Asymmetric multi-pass laser quenching process parameters

采用HR-150DT型電動洛氏硬度計測試表面硬度，載荷為1 471 N，保載時間為15 s。在對單道激光淬火表面的硬度進行測試時，在激光淬火區(qū)域(8 mmX8 mm范圍內(nèi))每隔2 mm測一個點，共測試25個點繪制硬度云圖。在對非對稱多道激光淬火表面的硬度進行測試時，以離搭接區(qū)邊緣7 mm的第一道激光掃描處為原點，垂直于掃描方向每隔2 mm測一個點，共測15個點，測試范圍跨越2個搭接區(qū)。沿激光淬火區(qū)域?qū)挾确较蚪厝〗鹣嘣嚇?，?jīng)磨制、拋光，用質(zhì)量分數(shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用4XC-UV-MA型光學顯微鏡觀察截面形貌。在采用MHVD-10MP型多功能數(shù)顯微維氏硬度計測非對稱多道激光淬火后的截面硬度時發(fā)現(xiàn)，距表面0.3 mm 處存在軟化區(qū)域，因此選擇距表面0.3 mm處進行硬度測試。測試時以第一道激光淬火區(qū)域的中心為原點，測試間隔為2 mm，共測14個點，并將測得的維氏硬度轉(zhuǎn)換為洛氏硬度。將硬度小于單道激光淬火表面硬度的區(qū)域定義為軟化區(qū)。

圖3 單道激光淬火后QT700-2球墨鑄鐵的截面形貌(激光功率1 300 W，掃描速度8 mm·s-1)Fig.3 Cross section morphology of QT700-2 ductile cast iron quenched by single-pass laser (laser power of 1 300 W and scanning speed of 8 mm·s-1)

2 試驗結果與討論

2.1 單道激光淬火后的表面硬度與硬化層深度

由圖1(a)可以看出，當掃描速度為8 mm·s-1時，隨著激光功率的增加，單道激光淬火后球墨鑄鐵的表面硬度升高。當激光功率為1 100 W時，表面硬度為52 HRC，之后激光功率每增加100 W，表面硬度增加12 HRC，但是當激光功率為1 500 W時，球墨鑄鐵表面溫度過高而出現(xiàn)了部分熔化現(xiàn)象，因此硬度增加幅度降低。綜上可知，單道激光淬火時適宜的激光功率在1 1001 400 W。由圖1(b)可以看出，當激光功率為1 300 W時，隨著掃描速度的增加，表面硬度先升高后略微降低，當掃描速度為8 mm·s-1時，球墨鑄鐵表面的硬度最大，為57 HRC。在掃描速度較小時，較多的熱量積累使得球墨鑄鐵表面出現(xiàn)了微熔現(xiàn)象，并導致馬氏體粗化，使得硬度較低[22]。同時，球墨鑄鐵表面微熔，導致過熱度較大，奧氏體均勻化程度較高，使得奧氏體的穩(wěn)定性增大，激光淬火后球墨鑄鐵中的殘余奧氏體較多，因此表面硬度較低[16,23]。當掃描速度過大時，熱量積累較少，淬火加熱溫度偏低，難以得到均勻一致的馬氏體組織，導致表面硬度略微降低。由圖2可以看出，在激光功率1 300 W、掃描速度8 mm·s-1下單道激光淬火后球墨鑄鐵的表面硬度基本在5558 HRC，平均值為57.5 HRC，可知球墨鑄鐵的表面硬度分布較均勻。

圖1 單道激光淬火后QT700-2球墨鑄鐵的表面硬度隨激光功率和掃描速度的變化曲線Fig.1 Curves of surface hardness vs laser power (a) and scanning speed (b) of QT700-2 ductile cast iron quenched by single-pass laser

圖2 單道激光淬火后QT700-2球墨鑄鐵的表面硬度云圖(激光功率1 300 W，掃描速度8 mm·s-1) Fig.2 Surface hardness contour of QT700-2 ductile cast iron quenched by single-pass laser (laser power of 1 300 W and scanning speed of 8 mm·s-1)

激光淬火是一個快速冷卻的過程，激光淬火硬化區(qū)域呈典型的橢圓形狀。由圖3可以看出：在激光功率1 300 W、掃描速度8 mm·s-1下單道激光淬火后，球墨鑄鐵硬化層呈半橢圓形，硬化層深度接近1 mm。

2.2 多道激光淬火后的表面硬度與硬化層深度

由圖4可以看出，不同工藝多道激光淬火處理后球墨鑄鐵表面的硬度均大于52 HRC。在工藝D條件下，即前一道激光功率為1 200 W，掃描速度為6 mm·s-1，后一道激光功率為1 300 W，掃描速度為8 mm·s-1時，球墨鑄鐵的表面硬度均較高，且硬度波動較小。由此可知，非對稱多道激光淬火工藝可以優(yōu)化QT700-2球墨鑄鐵表面硬度的分布。激光淬火軟化主要是由于后續(xù)激光加熱導致的回火效應產(chǎn)生的，工藝D中前一道激光淬火時的功率和掃描速度較低，可保持表面較高的硬度，后一道激光淬火時激光功率和掃描速度提高，降低了回火效應，因此采用工藝D淬火后球墨鑄鐵的表面硬度均較高，且硬度波動較小。

圖4 不同工藝多道激光淬火后QT700-2球墨鑄鐵的表面硬度分布曲線Fig.4 Surface hardness distribution curves of QT700-2 ductile cast iron by different multi-pass laser quenching processes: (a) process A; (b) process B; (c) process C and (d) process D

圖5 工藝D下多道激光淬火后QT700-2球墨鑄鐵距表面0.3 mm處的硬度分布曲線Fig.5 Hardness distribution curve at 0.3 mm from surface of QT700-2 ductile cast iron after multi-pass laser quenching with process D

圖6 工藝D下多道激光淬火后QT700-2球墨鑄鐵的硬度隨距表面距離的變化曲線Fig.6 Curves of hardness vs distance from the surface of QT700-2 ductile cast iron after multi-pass laser quenching with process D: (a) non-softened zone and (b) softened zone

由圖5可知，非對稱多道激光淬火后，距表面0.3 mm處部分區(qū)域的硬度低于單道激光淬火后的表面硬度(57 HRC)，說明球墨鑄鐵中存在軟化區(qū)，且軟化區(qū)寬度約為4 mm。由圖6可知，工藝D下多道激光淬火后球墨鑄鐵非軟化區(qū)的硬化層深度約為1.0 mm，軟化區(qū)的硬化層深度約為0.5 mm。QT700-2球墨鑄鐵的碳質(zhì)量分數(shù)在3.71%左右，在激光淬火時基體快速奧氏體化，在隨后快速冷卻過程中形成馬氏體組織。前一道激光淬火形成的馬氏體中的部分碳在后一道激光的熱作用下發(fā)生脫溶，導致強化效果降低，因此搭接區(qū)的硬度較低，且硬化層深度減小。綜上可知，在對鋼鐵材料進行多道激光淬火時，基本很難避免出現(xiàn)搭接區(qū)軟化問題，因此在實際生產(chǎn)過程中需要通過優(yōu)化激光淬火工藝參數(shù)來降低其軟化程度。

3 結 論

(1) 單道激光淬火后，QT700-2球墨鑄鐵的表面硬度在5259 HRC，且隨著激光功率的增加而升高，隨著掃描速度的增大先升高后略微降低；在激光功率1 300 W、掃描速度8 mm·s-1下淬火后，球墨鑄鐵的表面硬度基本在5558 HRC，硬度分布較均勻，硬化層深度約為1 mm。

(2) 非對稱多道激光淬火后，球墨鑄鐵表面的硬度均大于52 HRC；在前一道激光功率為1 200 W，掃描速度為6 mm·s-1，后一道激光功率為1 300 W，掃描速度為8 mm·s-1下淬火后，球墨鑄鐵的表面硬度均較高，且硬度波動較小，在距表面0.3 mm處的軟化區(qū)寬度約為4.0 mm，非軟化區(qū)的硬化層深度約為1.0 mm，軟化區(qū)的硬化層深度約為0.5 mm。