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30#钢锻件的激光淬火工艺研究

激光淬火就是激光器制造高能量激光束,激光照射锻件表面,锻件表面吸收激光能量并迅速加热,加热速度可达104~109℃/s,冷却速度达104℃/s,表面在短时间内发生奥氏体化及马氏体相变,获得一定深度的硬化层,且只强化激光扫描区域,对于周边区域几乎没有影响。因为激光淬火快速、精确,强化效果好,越来越多的被用于各类金属工件。

我公司承接了一批30#钢锻件的强化任务,要求强化硬度35~45HRC。采用传统热处理工艺淬火+低温回火,强化后硬度35~40HRC,满足强化要求;采用激光淬火强化,强化后硬度30~35HRC,无法满足强化要求。针对上述问题,进行研究分析,寻求激光淬火无法淬硬的原因。

激光淬火过程及讨论

激光淬火过程

30#钢锻件化学成分见表1。

30#钢锻件初始硬度15~20HRC,状态:退火态,组织为珠光体+55%铁素体,珠光体显微硬度298HV,铁素体显微硬度196HV。30#钢锻件原始组织如图1所示。

激光淬火前,使用着色探伤,确认30#钢锻件无表面缺陷后使用酒精清洗表面,去除油污等表面附着物,将锻件放在工作台上,调整激光器焦距。

激光器采用Laserline半导体光纤激光器,自然冷却(环境温度25~35℃),不使用保护气氛,采用KUKA机器人执行激光淬火程序。

激光淬火主要工艺参数为:激光功率、光斑尺寸、扫描速度等。

激光淬火后,采用HL-300便携式里氏硬度计检测其表面硬度;使用ZESSI显微镜和显微硬度计检测激光强化区的金相组织和显微硬度。

激光淬火工艺参数见表2。

淬火结果

⑴激光淬火后金相组织。

30#钢锻件激光淬火后,表面组织为马氏体、残留奥氏体+铁素体,马氏体显微硬度412~536HV,铁素体显微硬度208HV。30#钢激光淬火后组织如图2所示。

⑵传统热处理工艺淬火后金相组织。

30#钢锻件采用传统热处理炉加热至860℃,保温3小时后水冷至室温,淬火后,表面组织为马氏体、残留奥氏体+铁素体,马氏体显微硬度414HV。30#钢传统热处理工艺淬火后组织如图3所示。

淬火组织的对比分析

钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上温度,保温一段时间,使之全部或部分奥氏体化,然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下(或Ms附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理工艺。

传统淬火保温时间长,碳化物的溶解和合金元素扩散再分布均匀,能够获得相对均匀的奥氏体,即使原始组织粗大,也能通过调整加热温度和保温时间获得相对均匀的淬火组织。30#钢原始组织中铁素体占55%,传统热处理淬火后,铁素体含量迅速减少,不到10%,淬火后终了组织为低碳马氏体+少量铁素体。

与传统淬火相比,激光淬火的奥氏体化时间极短,冷却速度极快。激光加热时,金属材料中碳化物分解而溶入奥氏体过程不一致,通常与激光加热前的原始状态有关,并与原始组织中的各种组织的均匀性、弥散度和复杂碳化物的大小有直接的关系。原始组织的不同直接影响激光淬火后材料所获得的硬度、硬化层深和组织的均匀性。

30#钢的原始组织中存在大量的铁素体,激光淬火时奥氏体化的不均匀性导致淬火后终了组织很不均匀。原珠光体区域碳含量比较高,奥氏体化时碳原子来不及扩散,被保留在奥氏体内,冷却后终了组织为高碳马氏体;原铁素体区域碳含量极少,无法发生马氏体相变,淬火后组织依然为铁素体;珠光体与铁素体交界区域,珠光体减碳,铁素体增碳,淬火后形成低碳马氏体。因此,30#钢激光淬火后终了组织为高碳马氏体+低碳马氏体+铁素体。

宏观硬度的对比分析

传统热处理淬火,组织中为低碳马氏体+少量铁素体,虽然低碳马氏体显微硬度低,但比重大,基体能够获得较高的宏观硬度;激光淬火,组织为高碳马氏体+低碳马氏体+铁素体,虽然高碳马氏体显微硬度高,但比重小,大量铁素体造成宏观硬度很低。

激光淬火硬度与激光淬火工艺参数的关系

淬硬性主要与钢中的含碳量有关,更确切的说,它决定于淬火加热时固溶在钢的奥氏体中的碳含量,其碳含量越高,淬火后的硬度也越高。

激光淬火工艺参数主要是激光器输出功率、扫描速度的快慢和作用在材料表面上光斑尺寸的大小,三者综合作用直接反映了强化过程的温度及其保温时间。奥氏体温度越高,保温时间越长,碳在奥氏体中的溶解越充分,高碳马氏体的显微硬度越高,激光的淬硬效果越好。因此,控制激光淬火工艺参数的重点是提高奥氏体化温度和延长保温时间。光斑尺寸不变,提高激光功率或者降低扫描速度,均能达到上述目的。表2中,对比序号1和序号2,可以看出提高激光功率,能够提高淬火硬度;对比2和4,可以看出降低扫描速度,能够提高淬火硬度。

但是对于原始组织确定的金属,随着温度的提高和保温时间的延长,加热温度将接近金属液相线,表面出现微熔现象,此时淬火硬度反而出现下降的现象,随着熔化现象的加重,淬火硬度迅速下降。表2中,对比2和3、4和5,可以发现淬火硬度已经开始下降。激光淬火存在极限淬火效果,超过此硬度后,进一步调整工艺参数,淬火硬度反而下降。达到极限淬火硬度,如果想进一步提高淬火硬度,只能从原始组织方向入手,细化原始组织,提高材料的均匀性和碳化物的弥散性,才能进一步提高激光淬火硬度。

解决办法

微细粒状碳化物较易变为均匀的奥氏体,片状珠光体则较难转变,但又比粗大的粒状碳化物转变得快些,越是粗粒状碳化物,转变为奥氏体所需的温度越高,所需时间也越长,因而会直接影响硬化层的硬度和深度,并且组织也不均匀。总之,原始组织晶粒越细小,奥氏体化速度越快,在激光快速加热、快速冷却的条件下,激光淬硬效果才越好。因此,为了发挥激光淬火的最佳效果,激光淬火前将30#钢锻件调质,获得索氏体+少量铁素体组织,然后进行激光淬火,淬火后组织为马氏体+少量铁素体。马氏体显微硬度456HV,宏观硬度43HRC,显微硬度和宏观硬度均高于传统热处理工艺。30#钢调质后激光淬火组织如图4所示。

结论

⑴激光淬火不适于铁素体较多的亚共析钢,淬硬效果比传统热处理工艺方式差。

⑵对于亚共析钢,需要进行预备热处理,获得均匀的组织和弥散的微粒状碳化物,才能发挥激光淬火的最佳效果。

⑶激光淬火存在极限淬火硬度,达到极限硬度后,进一步调整工艺参数,会出现硬度下降的问题。


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