45鋼的激光淬火溫度場與相變硬化區

馬正和, 阿達依·謝爾亞孜旦, 劉俊杰, 古麗·尼尕爾

(新疆大學 機械工程學院, 新疆 烏魯木齊 830047)

齒輪作為大多數機械的核心部件,其性能的好壞直接決定了機械的使用壽命。隨著齒輪加工技術的完善、加工質量的提高以及變位齒輪的使用,齒輪齒面,尤其是嚙合區的點蝕以及齒面的磨損已成為影響齒輪傳動使用性能的重要因素。激光淬火可以有效解決這一問題,它依靠受激輻射光照射到試件表面,激光束的能量密度在103～105W/cm2,工件表面溫度快速上升至相變點與熔點溫度之間,待空冷后形成組織細密、位錯密度高的馬氏體。激光淬火的優勢[1-2]有硬度高,速率快,熱變形小,表面粗糙度變化不大,能夠對不規則工件和特殊位置進行局部淬火,熱影響區小以及對加工精度沒有影響等。由于激光淬火的上述優勢,國內外專家對激光淬火的工藝方法進行了相關研究,并取得了大量的研究成果。

1974年,某汽車公司對曲軸、活塞環和轉向器殼體等汽車零件表面進行了激光淬火,大大提高了零件的耐磨性和疲勞性能[3]。2015年,惠英龍等[4]模擬了齒輪的激光硬化過程并計算了相變層的深度,但忽略了激光淬火過程中溫度變化對材料物理參數的影響。2019年,Yu等[5]構建了45鋼激光淬火過程的熱力學耦合模型,在模型中,采用CALPHAD(相圖計算)方法計算了45鋼部分物理參數隨溫度變化的曲線,計算得出了激光淬火過程中溫度變化規律,并基于響應面法計算了45鋼激光淬火工藝參數對相變硬化層深度和寬度靈敏度的影響。

影響激光淬火質量的工藝參數有很多,如激光功率、掃描速度、光斑尺寸、激光入射角度等[6]。目前生產中,對激光淬火工藝參數的判斷完全依賴經驗或工藝試錯法,此過程耗費大量的人力、物力和時間成本,不利于工藝參數的優化。因此,研究和揭示45鋼淬火過程中溫度和微觀組織的瞬變機理是提高淬火質量的關鍵。隨著計算機技術的發展,數值模擬為獲取淬火過程的瞬態溫度場和組織轉變信息提供了有效途徑[7]。本文通過建立考慮45鋼部分熱物性參數隨溫度變化的激光淬火熱力學耦合模型,以激光功率、掃描速度、光斑直徑為主要研究對象,計算了不同激光淬火工藝參數下溫度場與淬硬層的分布規律,并研究了單一因素對淬硬層深度及淬硬層寬度的影響,為優化45鋼激光淬火的工藝參數提供了理論依據。

1 激光淬火過程多場耦合數值模型的建立

1.1 激光淬火過程的傳熱模型

激光淬火過程中傳熱方式主要為熱傳導、熱對流和熱輻射。熱傳導是影響激光淬火內部傳熱的主要形式,也是相變硬化的主要原因。其方程可表示為[8]

(1)

式中:k是導熱系數,W/(m·K);qn是工件表面的熱流密度,W/m2;?T/?n是n方向溫度梯度,K/m,負號表示熱能從高溫傳遞到低溫。

熱對流可通過牛頓冷卻方程計算,該方程可表示為[9]

q=-h(T-TL)

(2)

式中:q為向內熱通量,W/m2;h為流體的換熱系數;T為工件表面溫度,K;TL為環境溫度,K。

在激光淬火過程中,基體與外界存在溫差,Stephen-Boltzmann方程將向外的熱輻射定義為

(3)

式中:q為工件表面的輻射熱流密度,W/(m·K);n=1;ε為黑體輻射系數;T0為工件的環境溫度,K;σ0為Stephen-Boltzmann常數,其值為5.67×108W/(m2·K4)。

激光淬火的總傳熱方程可表示為[10]

(4)

(5)

1.2 有限元模型的建立

通過Comsol Muitiphysics建立如圖1所示試件,尺寸170 mm×70 mm×7 mm。材料元素含量見表1。

圖1 基于Comsol的45鋼激光淬火試件模型Fig.1 Laser quenching specimen model of the 45 steel based on Comsol

表1 45鋼的化學成分(質量分數,%)

圖2為由JMatpro軟件計算的45鋼相變曲線,圖3為45鋼的CCT曲線。由于在激光淬火過程中材料表面會經歷較大的升溫與降溫梯度,材料的部分熱物性參數會隨著溫度的變化而發生較大的轉變,通過JMatpro軟件計算得出45鋼的導熱系數、比熱容、密度、電阻率等熱物理參數隨溫度的變化曲線,并以插值函數的形式引入Comsol Multiphysics,改變模型的物理參數。整個模型為自由四面體網格,沿激光淬火方向部分細化,以確保計算的收斂性和準確性,網格的數量為27 625個域單元、5132個邊界單元和344個邊單元,網格劃分如圖4所示。根據圖2和圖3確定激光淬火相變硬化區和熱影響區,相變硬化區T>1069 K,V>192.5 K/s,熱影響區為T>1069 K,13.09 K/s

圖2 45鋼激光淬火過程的相變曲線(據JMatpro計算)Fig.2 JMatpro-calculated phase transformation curves of the 45 steel during laser quenching

圖3 45鋼的CCT曲線(據JMatpro計算)Fig.3 JMatpro-calculated CCT curves of the 45 steel

圖4 激光淬火三維模型的網格劃分Fig.4 Mesh division of laser quenching 3D model

2 激光淬火過程的溫度場及相變硬化層分析

表2為用于模擬激光淬火過程的激光淬火參數。

表2 激光淬火模擬參數

激光在x=0,y=-35,z=3.5位置沿Y軸正方向掃描試樣,計算了激光淬火過程中溫度場和相變硬化區分布情況。以試樣2為例,計算了0～10 s激光淬火溫度場,結果如圖5所示。淬火時,激光光斑位置會產生一個中心溫度最高的淚滴形集中加熱區。最高溫度為1603.9 K。隨著熱源的移動,以及熱傳導、熱對流和熱輻射的綜合影響,在工件表面沿相反的掃描方向產生“彗星尾”型收縮溫度區,溫度區的溫度由內向外降低,冷卻效果明顯。當t=10 s時激光光斑到達終點位置,試件表面最高溫度略高于其他時刻的最高溫度,這是由于熱堆積引起的。數值模擬能精確重現激光淬火時溫度場瞬態變化過程。

圖6是激光淬火時沿光斑掃描方向不同部位溫度隨時間的變化梯度,在激光光斑運動時,沿圖6(a)采集線上各部位的溫度呈規律性變化,激光光斑到達后溫度顯著升高,激光光斑掃過后溫度隨著自激冷卻快速降低,不同時刻的溫度變化趨勢基本一致。

圖6 試樣2不同時刻沿激光掃描路徑淬火溫度變化曲線(a)激光掃描路徑溫度采集線;(b)不同時刻的淬火溫度變化曲線Fig.6 Quenching temperature change curves of specimen 2 along laser scanning path at different time (a) laser scanning path temperature acquisition line; (b) change curves of quenching temperature at different time

圖7(a)為激光掃描開始位置的溫度采集線,圖7(b)為采集線上不同時刻的溫度變化。從圖7(b)可以看出,在掃描初始時刻,基體溫度為室溫溫度,當激光熱源作用于試件后溫度快速升高,溫度變化情況近似于高斯分布,光斑中心處溫度最高,當t=0.3 s時溫度達到最大值,隨著光斑的移動,溫度快速降低至室溫,熱影響區域較小。

圖7 試樣2激光掃描初始位置線不同時刻的淬火溫度變化曲線(a)激光掃描初始位置溫度采集線;(b)不同時刻的淬火溫度變化曲線Fig.7 Quenching temperature curves of specimen 2 at laser scanning initial position line at different time(a) laser scanning initial position temperature acquisition line; (b) change curves of quenching temperature at different time

圖8(a)為激光掃描結束位置的溫度采集線,圖8(b)為采集線上不同時刻的溫度變化曲線。從圖8(b)中可以看出,在t=0 s時,此時,光斑離采集線較遠,采集線上的溫度不受光斑熱的影響;t=10 s時,光斑到達采集線的位置,溫度明顯升高,且溫度的變化規律近似呈高斯分布狀態,其最大值可達1628 K。光斑經過后,在熱傳導、熱對流和熱輻射的共同作用下,降溫梯度較大,溫度很快降至室溫,熱效應明顯,熱影響區范圍較小。

圖8 試樣2激光掃描終止位置線不同時刻的淬火溫度變化曲線(a)激光掃描終止位置溫度采集線;(b)不同時刻的淬火溫度變化曲線Fig.8 Quenching temperature curves of specimen 2 at laser scanning termination position line at different time(a) laser scanning termination position temperature acquisition line; (b) change curves of quenching temperature at different time

以表2中3組激光工藝參數為例計算得出激光淬火后基體表層的相變硬化層分布狀態,如圖9所示。從圖9中可以看出,相變硬化層寬度與相變硬化層深度受工藝參數影響明顯,不同工藝參數下相變層寬度、深度明顯不同。試件1的相變層深度為658.8 μm,熱影響區深度為351.5 μm,相變層寬度為4513.9 μm。試件2相變層深度為569.8 μm,熱影響區深度為314.45 μm,相變層寬度為4367.3 μm。試件3的相變層深度為683.4 μm,熱影響區深度為358.06 μm,相變層寬度為5857.8 μm。

圖9 不同工藝參數掃描后試樣的硬化層分布(a)和模擬數據(b)Fig.9 Distributions of hardened layer(a) and simulation data(b)of the specimens scanned with different process parameters

3 不同工藝參數對激光淬火硬化層的影響

3.1 激光功率對硬化層的影響

激光輸出功率是激光表面淬火的一個重要工藝參數[12],通常,激光輸出功率越高,傳遞到工件表面的熱流密度越大,不同激光功率掃描后試樣硬化層的寬度和深度不同。

圖10為光斑直徑D=5 mm、掃描速度V=7 mm/s時不同激光功率掃描后試樣硬化層的分布情況?？梢钥闯?激光功率從1100 W增加至1700 W,淬硬層深度及寬度也相應的增加,當激光功率為1100 W時,淬硬層深度僅為197.5 μm,寬度為2508.6 μm,當激光功率為1700 W時,淬硬層深度與寬度分別達到了796.9、5176.4 μm。這是因為在其他條件不變時,激光功率越高,單位時間內工件表面獲得的熱量越大,通過熱傳導的作用,傳遞到工件層深及層寬方向的熱量就越多,從而影響淬硬層的大小。值得注意的是,不能為獲得更厚的淬硬層而盲目的增加激光功率,功率一旦過高,試件表面會出現熔融現象,影響材料的使用性能。

圖10 不同激光功率淬火后試樣的硬化層分布(光斑直徑φ5 mm,掃描速度7 mm/s)Fig.10 Distributions of hardened layer of the specimens after quenching with different laser powers (spot diameter of φ5 mm, scanning speed of 7 mm/s)

3.2 掃描速度對硬化層的影響

激光掃描速度是指激光光斑相對于工件表面的位移與發生這段位移所用的時間的比值。當其他條件不變時,激光掃描速度越大,光斑在工件表面停留的時間越短,工件表面及其法向平面所能獲得的熱量就越低,從而影響工件相變硬化層深度與相變硬化層寬度[13]。

圖11為光斑直徑D=5 mm、激光功率P=1500 W時不同速率掃描后試件的硬化層分布示意圖。從圖11中可以看出,當掃描速度從4 mm/s向12 mm/s增大時,淬硬層深度與淬硬層寬度同時減小,這是由于,在其他條件不變時,掃描速度越小,激光光斑在工件表面停留的時間越長,單位時間吸收的熱量越多,溫度峰值越高,熱擴散效應越明顯,淬硬層深度與寬度越大。反之,掃描速度越快,單位時間內吸收的熱量越少,溫度峰值越低,熱擴散效應不明顯,甚至達不到完全奧氏體化溫度,導致自淬效應失敗。

圖11 不同掃描速度淬火后試樣的硬化層分布(光斑直徑φ5 mm,激光功率1500 W)Fig.11 Distributions of hardened layer of the specimens after quenching with different scanning speeds (spot diameter of φ5 mm, laser power of 1500 W)

3.3 光斑直徑對硬化層的影響

光斑直徑是指作用于工件表面上具有特定形狀和大小的光斑的直徑。光斑直徑D和功率密度q之間的關系[14]:

(6)

式中:P為激光功率;D為光斑直徑。

圖12為激光功率掃描速度V=7 mm/s、P=1500 W時不同光斑直徑掃描后試件的硬化層分布示意圖。從圖12中可以看出,當光斑直徑從φ4.25 mm增加到φ6.00 mm時,硬化區的深度和寬度同時降低,這是由于在其他條件(激光功率、掃描速度)不變時,光斑直徑增大,光斑的能量密度減小的緣故。

圖12 不同光斑直徑淬火后試樣的硬化層分布(掃描速度7 mm/s,激光功率1500 W)Fig.12 Distributions of hardened layer of the specimens after quenching with different spot diameters (scanning speed of 7 mm/s, laser power of 1500 W)

4 結論

1) 通過將Jmatpro與Comsol Multiphysics相結合,可以建立并計算考慮熱物性參數變化的45鋼的激光淬火熱力學耦合模型,實現激光淬火溫度場和相變硬化區的預測。

2) 激光淬火相變硬化層深度受工藝參數的影響明顯,不同工藝參數下相變硬化層深度和寬度明顯不同。

3) 在保證材料表面溫度不超過其熔點的情況下,45鋼相變硬化層深度和相變層寬度與激光功率成正相關,與掃描速度和光斑直徑成負相關。