钢的激光淬火研究现状_伍里峰.pdf
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1、2023年 第5期 热加工20热 处 理Heat Treatment钢的激光淬火研究现状伍里峰1,2,龙伟民2,杨洋1,付龙1,2,3,李光煜21.机械科学研究总院 北京 1000442.中国机械总院集团宁波智能机床研究院有限公司 浙江宁波 3157003.北京科技大学 北京 100083摘要:综述了激光淬火技术在钢中的研究及应用现状,激光淬火技术是目前应用最广泛的表面硬化工艺之一,几乎可以应用于所有钢铁材料的表面硬化。介绍了激光淬火技术的原理及设备,总结了激光淬火技术对钢铁材料耐磨性及硬度的提升,并从激光工艺参数、材料自身性质、外部环境条件出发,介绍了其对激光淬火后材料性能的影响因素。介绍了
2、适用于钢的激光淬火工艺研究现状,采用离散激光淬火进一步提升材料耐磨性,采用多道次激光淬火进一步细化晶粒,采用激光复合强化技术提升材料的综合性能等。从激光淬火温度场模拟、组织转变、硬度预测等方面介绍了激光淬火过程的模拟仿真技术,展望了激光淬火技术在钢铁材料上的进一步发展,找到可提高材料性能的新工艺,并将其推广至生产应用上。将数字仿真技术与激光淬火相结合,模拟钢铁材料激光淬火后的耐磨性、耐蚀性等复杂物化性能,是研究者们工作的重点。关键词:激光淬火;激光相变硬化;离散淬火;多道次激光淬火1 序言传统的钢铁材料淬火方法(火焰加热淬火、感应淬火)是将材料整体加热至奥氏体转变温度以上,然后在水中或淬火冷却
3、介质中迅速冷却,使材料中奥氏体组织转变为马氏体组织,从而提升材料的特定性能。对于某些需要在特定表面进行强化的功能部件,传统淬火技术的应用受到了限制,新的表面处理技术应运而生。激光淬火是一种以激光的高亮度、高方向性、高单色性和高相干性为基础1,利用激光热、光作用对材料特定表面进行强化的工艺。激光淬火是选择性地加热工件局部表面,使受激光辐照的表面迅速升至马氏体转变温度以上,通过材料自身传热降温进行冷却,以获得马氏体组织。激光淬火与常规淬火相比具有以下优势。1)自冷淬火,无需淬火冷却介质。2)加热迅速,热应力及变形小。3)激光淬火后材料硬度及耐磨性高于常规淬火处理2。4)适用性好,可对复杂零件及局部
4、进行淬火。材料经激光淬火后,可获得具有高硬度、高耐磨性的表面并保持心部性能不变,且激光淬火比常规淬火方法更加便捷,因此激光淬火被广泛应用于齿轮齿面、涡轮轴、气缸套等工业器械甚至牙骨凿等医疗器械类常规淬火方法难以处理的器械上3-6。国内外学者已对钢铁材料激光淬火后的性能做了大量研究。研究实例7-11表明,激光淬火较常规淬火处理可使材料硬度提高10%20%,材料平均摩擦系数与未经特殊加工的材料相比降低15%25%,材料耐磨性大幅提高。2 激光淬火机理激光淬火是一种使用激光作为热源,应用高能激光束作用于材料表面,使材料表面迅速升温(升温速度可达103106/s)至马氏体相变温度(Ms)以上,光束离开
5、后,通过材料自身热传导,材料表层迅速冷却(可达104105/s),材料组织转变为基金项目:宁波市2025项目(CIE21060301);浙江省工程研究中心(CIE21010101)。2023年 第5期 热加工21热 处 理Heat Treatment马氏体的热处理工艺,激光淬火机理如图1所示。对于钢铁材料而言,碳素钢的过冷奥氏体冷却转变图(见图2)是激光淬火重要的理论依据。根据冷却速度的不同,奥氏体会在冷却时转变为不同的相,快速冷却时转变为马氏体,缓慢冷却时转变为珠光体、马氏体、铁素体的混合组织。激光淬火正是利用钢铁材料的这一特性,使材料表层组织转变为硬质马氏体相。1964年第一台以CO2气体
6、为工作物质的激光器成功研制16,以其输出功率大的特点,CO2激光器成为工业激光应用的主要设备。至20世纪末,随着技术的进步,大功率的二极管泵浦掺钕钇铝石榴石(NdYAG)激光器开始应用在工业领域17。NdYAG激光器波长短(1.06m)有利于金属对光能的吸收,因此在金属材料的表面激光处理方面得到广泛应用。近20年来,发展出了准分子激光器、半导体激光器、光纤激光器、碟片激光器等工业激光器,加上以CO2激光器为主的气体激光器、以NdYAG激光器为主的固体激光器,共同构成了工业激光器家族。其中碟片激光器平均功率大,主要用于大型工件的切割、焊接以及军事领域18-21。由于准分子激光器波长短、能量高,具
7、有可深入材料分子内部改性等特点,因此常用于材料冷加工。其他不同激光器的性能特点见表1。表1几种类型激光器性能特点激光器类型常用激光工作物质波长/m特点固体激光器NdYAG1.06金属吸收率高,可长时间稳定连续工作气体激光器CO210.6输出功率大,能量转换率高半导体激光器GaAs0.91.03 体积小,金属吸收率高光纤激光器Yb3+0.71.07能量转换率高,结构紧凑,可在恶劣条件下工作目前,由于激光器成本高、操作难度大等原因的限制,因此在钢铁材料激光淬火的实际生产中,主要使用CO2激光器及NdYAG激光器。2.2 工艺参数的影响激光器按输出方式可分为连续激光器与脉冲激光器,采用连续激光器进行
8、激光淬火时,材料的性能主要受到激光器的激光功率、扫描速度、光斑尺寸及离焦量等参数的影响。对于脉冲激光器而言,还有激光器的脉冲频率、脉冲宽度及单位脉冲能量等参数的影响。脉冲激光的平均功由单位脉冲能量与脉冲频率得出,其计算式为 P1 E f (1)式中 P1激光平均功率(W);E单位脉冲能量(J);图1激光淬火机理示意图2碳钢过冷奥氏体冷却转变图121988年,刘江龙等13对激光淬火的硬化机理进行了研究,采用CO2激光器对GCr15钢进行激光淬火,并用SEM、TEM、XRD等仪器分析淬火后的组织。结果显示,经激光淬火后,GCr15钢中马氏体含量(质量分数,下同)为0.90%,而正常淬火时,马氏体含
9、量为0.50%,这表明激光淬火的本质仍为马氏体相变。2020年,CARRERA-ESPINOZA等14用激光淬火处理1538MV钢,并与常规淬火处理进行对比。结果表明,在经激光淬火后,材料中的铁素体与珠光体组织转变为马氏体,且与常规淬火方法相比马氏体组织分布更为均匀。2.1 激光淬火设备1960年5月,美国休斯公司(Hughes)实验室的 MAIMAN制成了世界上第一台红宝石固体激光器,并于同年7月召开新闻发布会,隆重宣布激光器的诞生,从此开创了激光器的历史15。2023年 第5期 热加工22热 处 理Heat Treatment f脉冲频率(Hz)。将辐照于单位面积上的激光功率大小称为激光功
10、率密度,其计算式为 PPD=(2)式中 PPD=激光功率密度(W/mm2);P激光功率(W);D光斑尺寸(mm2)。林茂华22研究了脉冲激光器电流参数对45钢激光淬火后组织及性能的影响。将电流从180A增至250A时,淬硬层深度从70m变为300m,最大硬度由630.7HV提高至751.9HV。王会珍等23采用连续激光器,研究了激光器功率对42CrMo钢淬硬层深度的影响。结果显示,当功率为1600W时,材料淬硬层深度为0.67mm;当功率为2500W时,材料淬硬层深度为1.18mm,其中熔化层深度为0.34mm。YU等24探究了不同激光功率对Cr12MoV钢激光淬火后淬硬层厚度、显微组织、硬度
11、的影响。结果表明,随着激光功率的增加,淬硬层厚度和马氏体含量逐渐增加,硬度随温度的升高呈先升高后降低的趋势。当激光能量超过一定范围时,材料表面开始熔化。通过控制激光器的工艺参数,来控制能量输出在一定区间,使材料表面最高温度低于材料熔点,在激光淬火后才能获得最好性能。不同激光淬火工艺的功率密度及作用时间如图3所示。当激光作用时间为10-4s左右、功率密度达102W/mm2时,铁基材料表面开始发生相变,这是进行激光淬火的最佳工艺范围。当作用时间延长,功率密度增大时,材料表面主要发生温升、熔化和热应力等现象25,该现象主要应用于激光焊接、激光熔覆等工艺。当作用时间减少、功率密度降低时,材料的温度未达
12、到相变点,各项性能不发生变化。2.3 材料自身特性的影响材料在激光淬火后的性能表现不仅取决于激光器的工艺参数,还取决于材料自身特性及外部环境条件。对于材料自身而言,材料经激光淬火后性能表现取决于材料表面吸收的能量,钢铁材料受激光影响吸收的能量与以下因素有关。1)材料表面光学常数,如表面吸收系数和表面反射系数。2)材料表面形貌,如抛光表面或不平整表面。3)合金成分在钢中的含量。4)材料的物理性能,如材料的比热、密度及热导率。况敏27为了提高材料对CO2激光的吸收系数,将3种不同成分的涂料预涂在45钢的基体上,研究吸光涂层对激光淬火后材料性能的影响。试验发现,以Al2O3SiO2为主要成分的涂料与
13、其他2种成分涂料(Al2O3SiO2Cr2O3,石墨)相比吸光性好,随着材料表面吸光性的提高,材料淬硬层深度及硬度均有提升。MORADI等28使用连续波半导体激光器,研究AISI410(1Cr13钢)和AISI420(2Cr13钢)马氏体不锈钢的激光淬火性能。结果表明,AISI410激光淬火后表面硬度约为620HV,淬硬层深度为1.8mm;而AISI420激光淬火后表面硬度约为720HV,淬硬层深度为1.2mm。RANA等29通过改变激光器参数,对30钢、40钢、45钢3种不同碳含量的碳素钢进行试验研究。结果表明,激光淬火后,30钢表层显微组织为板条马氏体,而45钢表层板条马氏体组织较30钢更
14、细。45钢激光淬火后最高显微硬度为580HV,而30钢为400HV。上述研究实例表明,钢铁材料在激光淬火后,淬硬层深度与材料本身淬透性有关,硬度与材料本身淬硬性即碳含量有关。2.4 外部环境条件的影响淬火后材料的性能还受外部环境条件的影响。MAHARJAN等30在真空受控气氛下,对AISI 1020(20钢)在空气、氩气、CO2及丙烷4种不同气氛下的激光淬火过程进行分析,研究了不同气体对钢淬火后硬度及组织的影响,结果如图4所示。研究结图3不同激光工艺的功率密度及作用时间262023年 第5期 热加工23热 处 理Heat Treatment果表明,氩气环境下,氩气防止材料表面氧化,激光淬火后材
15、料硬度略高于常规空气中激光淬火;在CO2环境中的激光淬火效果低于空气,因为CO2的氧化性导致钢表面发生脱碳,硬度降低;在丙烷环境下材料硬度大幅提高,这是因为钢表面的丙烷在高温下分解,碳从分解的丙烷扩散到钢中。不同材质的散热片(钢、不锈钢及铜),与材料同一材质的散热器进行对比,结果表明,散热片与材料的接触热阻及散热片的热导率是影响散热效果的主要参数,采用散热效果最好的铜制散热片,可使激光淬火后材料的硬度提升约50HV。对于外部环境而言,外部气氛中的碳、氧及其他元素含量,以及是否有外部冷却系统等,都影响着材料的最终性能。3 应用与常规淬火工艺相同,激光淬火后钢淬硬层组织由珠光体组织转变为硬质马氏体
16、相。与常规淬火不同的是,激光淬火工艺由材料自身热传导进行淬火,由于钢铁材料自身热传导速度极快(103106/s),影响区内碳来不及扩散,马氏体转变完全度高于常规火焰加热淬火,因此激光淬火的硬度提升高于常规淬火。因此,激光淬火技术广泛用于提升材料的硬度,见表2。由于激光淬火的冷却速度极快,淬火后晶粒来不及长大,导致在淬火层表面引进了残余应力,提高了材料淬火表面的耐磨性38,且表面硬度的提高及晶粒尺寸的减少也会提高材料的耐磨性,因此激光淬火在提高材料耐磨性方面大有可为。激光淬火在提升钢铁材料耐磨性上有着广泛应用,材料经激光淬火处理后,耐磨性相对原始试样大幅提升,见表3。图4不同气氛下的激光淬火硬度
17、比较30JIN等31研究了AISI D2工具钢在氩气环境和水下的激光淬火,在水下激光淬火时,将钢置于25的蒸馏水中,钢表面距水面1mm。研究结果表明,在合适的工艺参数下,水下激光淬火与氩气环境下激光淬火相比,由于水的辅助散热作用,可使钢的表面硬度比空气中提高约30%,但受水层厚度的影响,激光会发生折射及沿水层的热量散失,导致钢的淬硬层深度比空气中大幅减少(约50%)。KI等32将散热片(Heat Sink)置于双相钢DP590钢板下,研究了散热片对激光淬火的辅助作用。采用3种表2激光淬火提升材料硬度的应用钢的种类钢号碳含量(质量分数,%)基体硬度HV淬火后硬度HV来源碳素钢0.05120217
18、SARKAR等33AISI 1020(20)0.20170395MAHARJAN等30450.4523775林茂华22合金钢AISI 420(2Cr13)0.20210720MORADI等3440Cr0.40300750甄延波等3GCr151.00220960尹燕等35模具钢3Cr2W8V0.353001150CHEN等36H13(4Cr5MoSiV1)0.38240510LEE等37Cr12MoV1.51260665YU等24激光淬火除了能提升钢铁材料的硬度及耐磨性外,还能用于提升材料涂层的抗剥落能力、耐腐蚀及抗疲劳能力等一系列的材料性能。杨振等41研究了激光淬火对40CrNiMoA钢耐腐蚀
19、性能的提升,利用电化学工作站对试样进行电化学腐蚀试验。结果显示,基体试样的腐蚀电位为0.682V,而激光淬火试样的腐蚀电位为0.497V,腐蚀电位略有提高,且激光淬火试样的自腐蚀电流密度相比基体试样降低两个数量级,可见激光淬火可提高试样耐腐蚀性能。GUARINO等43对AISI 2023年 第5期 热加工24热 处 理Heat Treatment1040钢(40钢)进行激光淬火处理,采用4点旋转折弯机对试样进行疲劳试验。结果表明,未经处理材料的疲劳强度为325MPa,而经激光淬火处理材料的疲劳强度为360MPa,疲劳强度提升10.7%。MAO等44将激光淬火技术用于提升钢基体与涂层的结合性能上
20、。先用激光淬火方法对AISI1045钢板进行预淬火,然后用镍电镀。通过对预淬火和未淬火试样的抗拉强度、断裂应变、界面应力和抗剥落性能的比较,研究了复合材料的拉伸行为。随着拉伸载荷的增加,未淬火试样上逐渐出现气泡。随着气泡数量增加,涂层逐渐剥离基体,直到涂层完全破裂。而预淬火试样的宏观形貌没有明显的变化,拉伸试验中涂层紧密地附着在基体上,这表明预淬火试样的镍镀层与基体具有良好的结合强度,激光淬火技术可提高材料涂层的抗剥落性能。4 工艺随着激光淬火技术的发展,研究者们对激光淬火技术关注点已经由原理、设备转移到了应用及工艺上,因此如何规划激光淬火工艺,使其充分发挥激光淬火的优势,得到更高性能的材料,
21、是研究者们当前工作的重心。4.1 激光离散淬火工艺在钢材表面进行整体激光淬火时,会使表面组织转变为具有高硬度的针状马氏体组织,然而这种组织往往具有极高的脆性和低的韧性,从而威胁到工件的安全。表面织构是提高工程材料摩擦学性能的最有效的表面改性方法之一,近年来随着表面织构工艺在各领域的广泛应用,研究者们将激光淬火工艺与表面织构理论相结合,在材料表面进行离散激光淬火,使工件表面产生特定排列的离散硬化图案,以进一步提高材料所需性能。苏才津等45在退火态40Cr钢表面采用离散激光淬火制备两种图案排列的样品,如图5所示。其中灰色表示基体40Cr钢,白色表示激光淬火后的硬质相,硬质层占比50%。通过激光淬火
22、工艺在材料表面制造软硬耦合表面,旨在提高40Cr钢的耐磨性。试验结果表明,不同工艺条件下的材料摩擦系数均低于原始材料表面,且在特定的条件下(激光功率为900W,圆形光斑分布),摩擦系数大幅下降(摩擦系数由0.6降至0.3)。a)圆形硬质相表面 b)条状硬质相表面图5激光相变表面示意45曹熙等46使用激光离散淬火处理轮轨材料,研究了激光离散淬火处理对轮轨材料的磨损与损伤性能的影响。结果表明,与未经处理的材料相比,车轮试样磨损率降低约20.5%,钢轨试样降低约21.9%,说明激光离散淬火对轮轨材料的耐磨性具有显著增强作用。DING等47在曹熙等研究的基础上,研究了不同的淬火形状(点状、条状、网格状
23、)、不同的淬火模式(淬火点直径、相邻点之间的距离和淬火条的方向)对轮轨滚轮材料性能的影响。试验结果发现,对于点状淬火,随着淬火点直径的增加和离散淬火间距的减小,耐磨性进一步提高;带状淬火处理的钢轨耐磨性优于条状或点状淬火处理的钢轨。XUE等48在钢件表面采用离散激光淬火制备点状阵列,分析点状淬火覆盖率的影响。结果表明,激光离散淬火显著提高了钢试样耐磨性。激光离散点状淬火面积仅覆盖20%40%的试样的磨损失重情况与100%覆盖的试样相似,也与耐磨性最好的炉淬试样相似。以上试验研究表明,离散激光淬火可降低钢材表面摩擦系数,提高材料耐磨性,与完全激光淬火相比,离散激光淬火可提高生产效率49。表3激光
24、淬火提升材料耐磨性的应用钢的种类钢号耐磨性提升(%)来源碳素钢4588李昌等397091PYNDAK等40合金钢40Cr58CHEN等1140CrNiMoA64杨振等41模具钢H1188EBEK等42Cr12MoV92YU等242023年 第5期 热加工25热 处 理Heat Treatment4.2 激光多道淬火工艺由于技术的限制,激光器输出的光斑普遍较小,因此在面对大表面的工业淬火需求时,常使用多道次激光以搭接的方式进行淬火,如图6所示。试验研究50-53表明,在第二次激光淬火热循环时,两次激光淬火搭接重合或邻近的区域,组织会受到第二次激光淬火热循环的影响,在短时间内进行回火时,材料会出现
25、不同程度的回火软化现象。使用辅助冷却系统,在激光淬火过程中,通过将工件固定在水冷铜对之间,避免了热量积累效应。当控制试样表面最高温度不变时,在上一次激光淬火后,待试样温度冷却到室温后再次进行激光淬火,连续两次激光淬火的间隔超过1min,使每次激光作用时温度均为1400(低于熔点1450)。随着淬火次数的增加(016次),材料的碳含量分布更加均匀,晶粒尺寸在合适的工艺参数下降至0.5m以下。在多道次激光淬火过程中,较高的温度和较长的热持续时间增强了碳的扩散,使碳的分布更均匀,优化了试样的表面性能。在第16次重复淬火后,试样淬硬层深度达450m,而单次淬火的淬硬层深度为300m。当控制激光器的功率
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