光纤激光淬火对凸轮用45钢表面磨损性能的影响

发布时间：2020-05-26 01:28

【摘要】：为了提升凸轮表面耐磨性,采用YLS-4000型光纤激光器通过不同的激光功率对基体材料45钢表面进行激光淬火。通过SEM观察激光淬火前后材料表面和界面形貌,金相显微镜观察组织形貌,通过HVS-1000A型显微硬度仪测试了试样表面硬度,并测试了试样的摩擦因数和磨损形貌。结果表明:淬火层界面显微组织为淬火马氏体及少量残余奥氏体,在激光功率1 000~1 800 W时分别获得淬硬层深度为0.3~0.8mm的单道热影响区;淬硬层硬度分布基本均匀,平均硬度约为547~765HV,比基体硬度提高了2~3倍,激光淬火后组织细化和形成大量马氏体是硬度提高的主要原因;在一定激光功率范围内(1 200~1 800 W),激光淬硬层的抗磨损性能比基体有较大的提升,且当激光功率为1 600 W时能获得最佳的磨损性能。
【图文】：

形貌,形貌,激光功率,马氏体

ｃ）所示为试样在不同激光功率淬火后界面微观形貌。激光功率分别为１２００、１６００和１８００Ｗ时，其所对应的淬硬层深度分别为０．２、０．５和０．７ｍｍ，随着激光功率的增大，淬硬层深度不断增加。这是因为随着激光功率增大，４５钢表面单位面积所吸收的热量增加，温升越高，达到奥氏体转变温度（Ａｃ３）的范围更广，即淬硬层的深度越深。同时激光入射功率较大，淬火层和冷态基体之间的温度梯度越大，冷却速度越快，过冷奥氏体越容易转变为马氏体，有利于形成较厚的硬化层。图１不同扫描功率下淬火后试样截面形貌Ｆｉｇ．１Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｑｕｅｎｃｈｅｄｓａｍｐｌｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｃａｎｎｉｎｇｐｏｗｅｒｓ２．２淬火硬度纵向分布图２为激光功率为１２００、１６００和１８００Ｗ时显微硬度垂直于表面纵向分布曲线。在经过光纤宽带激光淬火后，各个功率下试样表面的硬度均有很大的提升，最高硬度可达８６０ＨＶ以上，是基体硬度（约２４５ＨＶ）的３．７倍。在激光快速加热和冷却过程中，相变完成时间短，形成马氏体和残余奥氏体，晶体缺陷密度激增。晶粒细化和马氏体的高位错密度和高的碳固溶度可提高淬硬层的强度及耐磨性。但最大的硬度值并不出现在表层，而是出现在距表面约５０～２００μｍ之间的次表面。这是因为试样表面的温度过高，加热后所形成的奥氏体晶粒较粗大，以至冷却后所形成的马氏体晶粒相对较粗，使得该区域的硬８７

分布曲线,硬化层深度,显微硬度

大且受热不均匀，导致奥氏体的含碳量不均匀，因此冷却后产生的马氏体含碳量不同，造成硬度分布不规律。同时激光功率过大，会使试样表面熔化，产生粗大的马氏体结构，表面硬度下降，这是当功率升为１８００Ｗ后，，表面硬度比功率为１６００Ｗ时有所下降的主要原因。在文献［１１］中采用ＣＯ２激光器对４５钢淬火，在功率３５００Ｗ时表面最高硬度为６５０ＨＶ，而光纤激光淬火功率为１６００Ｗ时表面最高硬度可达到９０６ＨＶ，这说明光纤激光淬火更大程度上提高４５钢的硬度。图２显微硬度沿硬化层深度的分布Ｆｉｇ．２Ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｌｏｎｇｔｈｅｄｅｐｔｈｏｆｈａｒｄｅｎｅｄｌａｙｅｒ２．３淬硬层的成分分析对激光入射功率为１６００Ｗ时试样界面进行检测，如图３所示，选取３个区域００１、００２、００３进行ＥＤＳ分析。结果如表１所示，其含碳量从表面至基体呈现下降的趋势，其作用机理为激光淬火后，自冷效应明显，奥氏体中碳原子来不及排出便转化为过饱和马氏体，且越接近表面其温度梯度越大。一般组织中含碳量高则硬度越高，从表面至基体含碳量呈逐渐下降趋势，这是显微硬度沿硬化层深度分布曲线变化的原因之一。图３激光功率１６００Ｗ时４５钢界面ＥＤＳ分析Ｆｉｇ．３ＥＤＳａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅ４５ｓｔｅｅｌｉｎｔｅｒｆａｃｅａｔｌａｓｅｒｐｏｗｅｒｏｆ１６００Ｗ表１１６００Ｗ时淬硬层三区域成分表Ｔａｂｌｅ１Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｚｏｎｅｓｏｆｔｈｅｈａｒｄｅｎｅｄｌａｙｅｒａｔ１６００ＷＥｌｅｍｅｎｔＵｎｉｔ００１００

【参考文献】