激光功率对45钢激光硬化组织影响及耐磨性研究

胡宇 杜开平

摘 要：激光表面硬化是一种使材料表面硬化的淬火技术，它利用激光将材料表面加热到相变点以上，随后材料快速冷却，使原奥氏体组织转变为马氏体组织。文章研究了不同激光功率下，45钢激光表面硬化的组织变化及耐磨性能。结果表明，在扫描速度600mm/min、激光功率1600W条件下，45钢激光硬化组织主要为马氏体，硬度提高1倍，耐磨性能优异。

关键词：激光功率；表面强化；耐磨

中图分类号：TG174.44 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0035-03

Abstract： Laser surface hardening （LSH） is a quenching technique for hardening the surface of materials. It uses laser to heat the surface of the material to above the transformation point， and then the material cools rapidly， so that the original austenite structure is transformed into martensite structure. The microstructure change and wear resistance of laser hardening 45 steel under different laser power are studied in this paper. The results show that the microstructure of laser hardening steel is martensite under the condition of scanning speed 600mm/min and laser power 1600 W， the hardness is doubled and the wear resistance is excellent.

Keywords： laser power； surface hardening （LSH）； wear resistance

1 概述

45钢在工业领域有着广泛的应用，例如零件齿轮、齿条、轧制轴、曲轴和叶轮等部件，随着日益升高的表面强度及其耐磨性需求，对于一些局部区域耐磨要求又不适合对部件整体淬火[1]。激光表面硬化是一种高效表面硬化淬火技术，它利用激光作为热源，将材料表面升温到相变温度以上，可使原组织奥氏化，并通过热传导快速冷却，最终转变为马氏体组织[2]。激光表面硬化可获得可控的形状和尺寸的硬化层分布，使工件的使用寿命延长[3-6]。具有可选择局部处理、加工速度快、易实现自动化控制等优势[7]。本文对比了不同激光功率对45钢硬度、组织及耐磨性能影响，并对产生差异的原因进行了分析，尝试探索激光表面硬化提高45钢耐磨性能最优工艺。

2 试验过程与方法

2.1 试验设备

本文使用TJ-5000 CO2激光器及多用机床进行激光表面硬化加工；使用HBRVU-187.5型布洛维硬度计测定淬硬表面的洛氏硬度（HRC）；使用日立公司S-3400型扫描电子显微镜观察金相组织与磨损形貌；使用M-200滑动磨损实验机进行摩擦磨损实验，摩擦形式为环-块式干滑动摩擦，圆环对磨件的材料为GCr15（HRC61），试验载荷40N，转速200r/min，磨损时间0.5h；使用AEL-200型电子天平（精确度0.0001g）进行材料的失重称量。

2.2 原材料的选择

选用热轧后的45钢作为试验材料，试样尺寸规格为10mm×10mm×15mm。为提高45钢试样对激光的吸收率，在对其进行激光加工前，先对试样表面进行喷砂处理，再在待加工表面均匀涂抹吸光涂剂。

2.3 激光工艺参数

在前期多次试验探索的基础上，在相同掃描速度等参数条件下，分别选取不同（1200W、1400W、1600W）激光功率，进行对比实验。具体试验参数见表1。

3 试验结果与讨论

3.1 硬度测试

每组测量5个试样，每个试样上分别对硬化表面的5个部位进行洛氏硬度测量，取平均值。45钢原始组织样品与3组激光表面硬化试样的洛氏硬度（HRC）对比表1所示。

由表1可明显看出，与未淬火态相比，扫描速度v=600mm/min，输出功率分别为1200、1400、1600W的三组激光表面硬化试样组的表面都得到不同程度的淬硬效果。其中功率1600W时硬度最高，功率1400W硬度次之，功率为1200W时硬度最低。45钢激光表面硬化的主要原因是马氏体相变硬化，相变后获得的马氏体组织含量对硬度起决定作用。在扫描速度等条件相同时，功率越高的激光作用在材料表面上能量越大，温度就越高，基体中达到奥氏体相变温度的范围就越大，冷速足够快的条件下，获得马氏体也就含量越多。因此硬度随激光功率加大而升高。但激光过高会导致表面熔化破坏材料表面形态，或是热输入量增多相当于对样件进行保温处理，导致冷速变慢获得的马氏体减少，难以获得高硬度，因此并不能通过一味的提高激光功率获得更高硬度。

3.2 显微组织分析

如图1（原始）所示，在金相显微镜下可以看到45钢原始组织由黑色的块状珠光体及分布其周围的白色的先共析铁素体组成。将三组激光表面硬化试样的表面磨抛腐蚀后，扫描电镜照片如图1所示。经过激光表面硬化处理，试样的表层组织为较均匀的针状马氏体和少量残余奥氏体，1#、2#试样还存在未转变铁素体。

由扫描电镜照片看出，从组织细小到粗大的次序依次为1#、2#、3#，这主要是因为冷却速度决定了组织粗大还是细小，由此可知，冷却速度1#>2#>3#。一般来说，在获得足够奥氏体化温度的条件下，冷速快将获得更多的马氏体，从而表现为高硬度。1#试样激光扫功率最低，获得的能量少，温度上升有限，导致奥氏体形核率低，奥氏体化不充分，淬火后获得的马氏体最少，因此硬度最低。2#试样激光功率略有提高，因此原组织奥氏体化好于1#样品，淬火后马氏体较多，因此硬度高于1#试样。3#试样激光功率最高，样品获得能量最高，奥氏体化最为充分，因此图1（3#）中可观察到马氏体最多，表现为硬度最高。

3.3 摩擦磨损试验

磨损失重量可以用来评定材料耐磨情况，在同样的实验条件下，磨损量越小，表明材料耐磨性越好。由图2可知磨损量从小到大的依次为3#、2#、1#，而之前硬度数据是3#>2#>1#与之相吻合，因此耐磨性能最好的为3#，其次为2#，最差的为1#。

图3为三组激光表面硬化试样的磨损后表面形貌电镜照片。当45钢试样与对磨环GCr15表面接触并相对滑动时，45钢与GCr15表面微凸体接触，因接触只发生在几个分散的微凸体顶端，因此在接触处很小面积上产生较高的应力，使接触面发生塑性流动，造成接触点间在分子力的作用下粘着和焊合。当摩擦的切向外力大于焊合处的结合力，材料表面将被破坏，剪切发生在硬度和强度较低的45钢一侧，硬度和强度较高的GCr15对磨环的表面将黏附有强度较低45钢的材料，发生粘着现象。粘着在GCr15上的45钢在随后的滑动摩擦过程中在对磨件的表面之间辗转，而后一部分45钢表面就会因氧化、疲劳、加工硬化或其他原因而剥落，形成细小的磨屑并从45钢表面脱落下来，因此产生失重和表面剥落。随着磨损的进行，脱落的磨屑越积越多，一些磨屑粘附在一起形成较大的颗粒，像刀具一样，在材料表面产生微观切削作用，使材料表面出现犁沟而导致材料的磨损。从图中可以看出，1#、2#试样磨损表面除了能观测到犁沟和磨屑，还有不同程度的塑性变形，表明对磨表面上既有粘着磨损又有磨料磨损，且1#划痕最深，表面脱落也最为严重因此失重最高。3#试样相比磨损情况较轻，表面有輕微的划痕、犁沟，并粘附有硬质颗粒，试样表面主要发生了粘着磨损。

4 结论

（1）在扫描速度600mm/min下，采用1600W激光对45钢表面硬化可获得洛氏硬度（HRC）50.4，耐磨性能优异的硬化层。

（2）对于功率介于1200-1600W，其他条件下同下，激光功率越高45钢表面硬度越高，获得的表面组织越粗大。

（3）在本文条件下，耐磨性优异与硬度数据一致，其中激光功率1600W时试样主要为粘着磨损，1200W和1400W时主要为磨料磨损和粘着磨损。

参考文献：

[1]刘科，周小燕.电子束扫描45钢表面合金化处理的研究[J].液压气动与密封，2015（5）：29-32.

[2]林茂华.45钢激光淬火工艺参数研究[D].华南理工大学，2013.

[3]姜新东，张华，孟礼，等.阵列凹坑激光织构化表面耐磨损性能研究[J].应用激光，2018（1）.

[4]马向东，雷雨，刘睿.激光熔覆合金技术在模具修复中的应用[J].润滑与密封，2010，35（11）：98-101.

[5]李杰，曾克里，高峰.Cr3C2-25NiCr对铁基激光熔覆层微观组织与性能的影响[J].热喷涂技术，2012，4（1）：36-40.

[6]何柏林，江明明.激光淬火技术在模具表面处理中的应用与展望[J].表面技术，2016，45（11）：180-186.

[7]郝巧玲，申超英，王守忠.活塞环槽的激光表面硬化研究[J].热加工工艺，2009，38（6）：150-152.