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表面激光淬火作為1538 MV鋼常規(guī)淬火和回火處理的替代方法
來源:
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作者:huirui2019
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發(fā)布時間: 2020-04-28
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本文旨在通過對經(jīng)過表面激光淬火處理的AISI 1538 MV鋼的摩擦學(xué)行為進行研究，鼓勵采用激光處理作為一種環(huán)保技術(shù)來改善金屬材料的機械性能，而不是傳統(tǒng)的淬火和回火技術(shù)。滑動磨損試驗是通過銷釘盤法進行的。為了確定磨損機理，通過掃描電子顯微鏡評估盤上的磨損表面，并通過光學(xué)顯微鏡觀察球上的磨損痕跡。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)方法相比，激光處理使平均摩擦系數(shù)降低了25％，磨損率降低了60％，同時保持了磨損深度，橫截面和表面的硬度。
熱處理涉及一系列旨在通過改變金屬材料的初始晶體結(jié)構(gòu)來改善其機械性能的工藝。這些過程之一是常規(guī)的淬火和回火（CQT）處理，該處理用于提高鋼結(jié)構(gòu)的機械部件的硬度，這些部件有望承受較高的表面負荷。傳統(tǒng)的黑色材料淬火的基本原理是將工作材料加熱到奧氏體化溫度，然后突然冷卻以獲得馬氏體相，這賦予了機械部件以高硬度和耐磨性。傳統(tǒng)淬火的主要缺點之一是整個組件都會發(fā)生相變，
已經(jīng)開發(fā)了幾種表面硬化技術(shù)，并對汽車工業(yè)中常用的金屬進行了測試，以制造齒輪，閥門，鏈輪，凸輪，齒輪箱，曲軸和氣缸套等。這些技術(shù)，不同的硬化層的厚度已被制備，例如，感應(yīng)加熱處理，可以得到高達3毫米厚的硬化層上AISI 1045鋼[ 1 ]，等離子弧熔化可產(chǎn)生50? μ中號硬化45鋼[層2 ]和Telasang等報道的激光淬火（LQ）?？梢援a(chǎn)生400? μ H13鋼的表面[根據(jù)米硬化層3]。盡管感應(yīng)加熱會產(chǎn)生較厚的層，但只有激光表面硬化會在復(fù)雜的幾何形狀中產(chǎn)生均勻的層，因此由于其潛在的工業(yè)用途而受到研究關(guān)注。
激光表面硬化是自1970年代以來一直使用和研究的技術(shù)。然而，工業(yè)應(yīng)用的研究主要是使用功率密度范圍為10 3至10 5 ?W / cm 2 [ 4 ]的CO 2激光器進行的?？夏岬希↘ennedy）于2004年報告說，由于功率密度的增加和與大功率二極管激光器的發(fā)展相關(guān)的激光器成本的降低[ 5 ] ，激光表面硬化技術(shù)可以在工業(yè)規(guī)模上應(yīng)用。
盡管激光表面硬化是一項不斷發(fā)展的技術(shù)，但諸如表面形態(tài)變化[ 6 ]和表面微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性之類的問題仍然持續(xù)[ 7 ]。這些問題的主要原因是該技術(shù)涉及大量參數(shù)，例如峰值溫度，加熱和冷卻速率以及缺乏有關(guān)微觀結(jié)構(gòu)隨時間演變的信息。Farshidianfar最近提出了一種方法，該方法可通過使用基于紅外的熱成像系統(tǒng)進行實時熱監(jiān)測來控制表面LQ過程中的微觀結(jié)構(gòu)和幾何形狀[ 8]。該技術(shù)降低了所獲得特性的均勻性的不確定性。其他的研究試圖增加激光表面通過調(diào)查激光功率和激光掃描速度的效果上的微觀結(jié)構(gòu)，硬化深度和AISI的表面硬度低碳鋼[硬化的可靠性8，9 ]和通過驗證利用二極管的激光器代替CO 2激光器以硬化AISI 1040中碳鋼[ 9，10 ]。
大多數(shù)研究人員認為，只有激光參數(shù)會影響適當(dāng)?shù)挠不瘜拥男纬?。然而，Yong等。已經(jīng)證明，在實際的制造過程中，通過研究非調(diào)質(zhì)1538 MV鋼的組織和性能演變，制造技術(shù)也起著重要作用。他們使用鍛造工藝生產(chǎn)的曲軸，證明鍛造溫度和冷卻工藝直接影響鍛造后的析出物尺寸和分散[ 11 ]。如果改變這種鋼的硬度，則其疲勞極限也會改變，如Li等人報道。[ 12 ]。
盡管已經(jīng)對幾種類型的鋼進行了許多激光表面硬化的研究，但據(jù)我們所知，它們都沒有旨在比較經(jīng)激光處理的樣品與通過常規(guī)技術(shù)處理的樣品的摩擦學(xué)性能，以便了解經(jīng)激光處理的零件在多大程度上可以可靠。避免常規(guī)淬火的主要動機是硬化整個零件所需的大量能量。這項工作比較了1538 MV鋼的摩擦學(xué)性能，該鋼被選為汽車行業(yè)中的代表性材料，并受到LQ和CQT的影響。研究的變量包括摩擦系數(shù)，耐磨性，晶粒形態(tài)和硬度。
2.1樣品制備
在這項研究中，使用直徑為66毫米，厚度為5毫米，典型硬度為23.31±1.75 HRC的1538 MV鋼圓盤作為測試樣品。熱處理前后，所有樣品均用SiC砂紙（粒度從120到600）研磨，以獲得使用粗糙度測試儀Mitutoyo SJ400測量的粗糙度為0.1±0.03? μm的表面。
2.2。常規(guī)熱處理（淬火）
按照ASM手冊[ 1 ] 的建議，將三個樣品在奧氏體化溫度（1198 K）淬火4.5 h 。將樣品完全浸入還原氣氛中的容器中，并在基于聚氧亞乙基二醇的市售淬滅溶液中進行淬滅。處理后，將樣品在523 K下回火4 h。
2.3。激光淬火
使用10 kW連續(xù)波1080 nm激光二極管（Laserline型號LDF 10.00-100）進行激光熱處理。該設(shè)備具有三個直角坐標(biāo)軸定位系統(tǒng)（x，y和z）和一個角度定位系統(tǒng)。將樣品垂直于激光（z坐標(biāo)）放在氣動對中臺上。使用3.5 mm的光斑直徑，以168 mm / s的線速度掃掠30 mm的帶子，以編程的熱處理一步完成，以達到建議的覆蓋率5.04 cm 2 / s
2.4。金相程序
從三個圓盤切出小部分，以使用光學(xué)顯微鏡研究橫截面。按照ASTM-E3-01程序進行研磨和拋光。為了暴露微結(jié)構(gòu)，使用4％的硝酸溶液將樣品蝕刻8秒鐘。
2.5。硬度測量
硬度測量是使用硬度測試儀（8SSA-10287）在以下三種類型的樣品上進行105千克載荷和10千克預(yù)載荷的：未經(jīng)熱處理的樣品，經(jīng)激光淬火的樣品以及經(jīng)過常規(guī)淬火的樣品-回火。另外，使用顯微硬度測試儀（Shimadzu，M型，編號89188）從經(jīng)過激光處理的樣品的橫截面中獲得三個顯微硬度分布圖。
2.6。摩擦系數(shù)的估算
磨損測試是根據(jù)ASTM G99標(biāo)準(zhǔn)在干燥條件下使用常規(guī)摩擦計（CSM，S / N 18-259）和5 mm WC球（1500 HV）進行的，如圖1所示。該球的化學(xué)成分為鈷基（5-7％），其他碳化物（?2％）和碳化鎢（余量）。使用以下測試參數(shù)：5 N的負載，0.10 m / s的速度，100、200、300和500 m的滑動距離，相對于每個滑動距離的軌道半徑分別為4、6、8和10 mm濕度為40±5％，室溫為292±2K。
2.7。樣品和WC鋼球的磨損機理
通過光學(xué)顯微鏡（OLYMPUS，PMG-3）評估WC球的磨損痕跡，并使用掃描電子顯微鏡（JEOL，JSM-6360LV）評估所有圓盤的磨損機理。
2.8。磨損率估算
磨損率是根據(jù)WC球表面上產(chǎn)生的磨損痕跡的直徑和鋼盤中的軌跡區(qū)域估算的。丟失量對于每個樣本，并可以使用以下等式來計算它們的對應(yīng)[ 14，15 ]：其中V是損失體積，b是磨損痕跡半徑，R是b ?<<? R的球體半徑。磨損率估算是基于由其中V是損失體積，k是磨損常數(shù)，s是滑動距離，N是施加的載荷。因此，磨損率計算如下：
4。結(jié)論
本研究介紹了激光淬火與常規(guī)淬火和回火的比較。所獲得的結(jié)果表明，經(jīng)LQ處理的樣品具有與CQT樣品相似的摩擦學(xué)特性，因此使前者成為生態(tài)友好過程的好選擇。LQ樣品始終顯示出降低的磨損率和平均摩擦系數(shù)；實際上，這些特征是有利的，因為如文獻所示，它們直接關(guān)系到機器部件的使用壽命的增加。即使當(dāng)使用常規(guī)技術(shù)和激光技術(shù)處理的樣品的硬度相似時，前一種方法的磨損機制也會更嚴重，因此會導(dǎo)致磨損軌跡更深，并通過促進微疲勞引發(fā)現(xiàn)象而產(chǎn)生更大的損壞。
資料可用性
根據(jù)要求，可以從通訊作者處獲得用于支持本研究結(jié)果的數(shù)據(jù)。
利益沖突
作者聲明，關(guān)于本文的發(fā)表沒有利益沖突。
熱處理涉及一系列旨在通過改變金屬材料的初始晶體結(jié)構(gòu)來改善其機械性能的工藝。這些過程之一是常規(guī)的淬火和回火（CQT）處理，該處理用于提高鋼結(jié)構(gòu)的機械部件的硬度，這些部件有望承受較高的表面負荷。傳統(tǒng)的黑色材料淬火的基本原理是將工作材料加熱到奧氏體化溫度，然后突然冷卻以獲得馬氏體相，這賦予了機械部件以高硬度和耐磨性。傳統(tǒng)淬火的主要缺點之一是整個組件都會發(fā)生相變，
已經(jīng)開發(fā)了幾種表面硬化技術(shù)，并對汽車工業(yè)中常用的金屬進行了測試，以制造齒輪，閥門，鏈輪，凸輪，齒輪箱，曲軸和氣缸套等。這些技術(shù)，不同的硬化層的厚度已被制備，例如，感應(yīng)加熱處理，可以得到高達3毫米厚的硬化層上AISI 1045鋼[ 1 ]，等離子弧熔化可產(chǎn)生50? μ中號硬化45鋼[層2 ]和Telasang等報道的激光淬火（LQ）?？梢援a(chǎn)生400? μ H13鋼的表面[根據(jù)米硬化層3]。盡管感應(yīng)加熱會產(chǎn)生較厚的層，但只有激光表面硬化會在復(fù)雜的幾何形狀中產(chǎn)生均勻的層，因此由于其潛在的工業(yè)用途而受到研究關(guān)注。
激光表面硬化是自1970年代以來一直使用和研究的技術(shù)。然而，工業(yè)應(yīng)用的研究主要是使用功率密度范圍為10 3至10 5 ?W / cm 2 [ 4 ]的CO 2激光器進行的?？夏岬希↘ennedy）于2004年報告說，由于功率密度的增加和與大功率二極管激光器的發(fā)展相關(guān)的激光器成本的降低[ 5 ] ，激光表面硬化技術(shù)可以在工業(yè)規(guī)模上應(yīng)用。
盡管激光表面硬化是一項不斷發(fā)展的技術(shù)，但諸如表面形態(tài)變化[ 6 ]和表面微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性之類的問題仍然持續(xù)[ 7 ]。這些問題的主要原因是該技術(shù)涉及大量參數(shù)，例如峰值溫度，加熱和冷卻速率以及缺乏有關(guān)微觀結(jié)構(gòu)隨時間演變的信息。Farshidianfar最近提出了一種方法，該方法可通過使用基于紅外的熱成像系統(tǒng)進行實時熱監(jiān)測來控制表面LQ過程中的微觀結(jié)構(gòu)和幾何形狀[ 8]。該技術(shù)降低了所獲得特性的均勻性的不確定性。其他的研究試圖增加激光表面通過調(diào)查激光功率和激光掃描速度的效果上的微觀結(jié)構(gòu)，硬化深度和AISI的表面硬度低碳鋼[硬化的可靠性8，9 ]和通過驗證利用二極管的激光器代替CO 2激光器以硬化AISI 1040中碳鋼[ 9，10 ]。
大多數(shù)研究人員認為，只有激光參數(shù)會影響適當(dāng)?shù)挠不瘜拥男纬?。然而，Yong等。已經(jīng)證明，在實際的制造過程中，通過研究非調(diào)質(zhì)1538 MV鋼的組織和性能演變，制造技術(shù)也起著重要作用。他們使用鍛造工藝生產(chǎn)的曲軸，證明鍛造溫度和冷卻工藝直接影響鍛造后的析出物尺寸和分散[ 11 ]。如果改變這種鋼的硬度，則其疲勞極限也會改變，如Li等人報道。[ 12 ]。
盡管已經(jīng)對幾種類型的鋼進行了許多激光表面硬化的研究，但據(jù)我們所知，它們都沒有旨在比較經(jīng)激光處理的樣品與通過常規(guī)技術(shù)處理的樣品的摩擦學(xué)性能，以便了解經(jīng)激光處理的零件在多大程度上可以可靠。避免常規(guī)淬火的主要動機是硬化整個零件所需的大量能量。這項工作比較了1538 MV鋼的摩擦學(xué)性能，該鋼被選為汽車行業(yè)中的代表性材料，并受到LQ和CQT的影響。研究的變量包括摩擦系數(shù)，耐磨性，晶粒形態(tài)和硬度。
2.1樣品制備
在這項研究中，使用直徑為66毫米，厚度為5毫米，典型硬度為23.31±1.75 HRC的1538 MV鋼圓盤作為測試樣品。熱處理前后，所有樣品均用SiC砂紙（粒度從120到600）研磨，以獲得使用粗糙度測試儀Mitutoyo SJ400測量的粗糙度為0.1±0.03? μm的表面。
2.2。常規(guī)熱處理（淬火）
按照ASM手冊[ 1 ] 的建議，將三個樣品在奧氏體化溫度（1198 K）淬火4.5 h 。將樣品完全浸入還原氣氛中的容器中，并在基于聚氧亞乙基二醇的市售淬滅溶液中進行淬滅。處理后，將樣品在523 K下回火4 h。
2.3。激光淬火
使用10 kW連續(xù)波1080 nm激光二極管（Laserline型號LDF 10.00-100）進行激光熱處理。該設(shè)備具有三個直角坐標(biāo)軸定位系統(tǒng)（x，y和z）和一個角度定位系統(tǒng)。將樣品垂直于激光（z坐標(biāo)）放在氣動對中臺上。使用3.5 mm的光斑直徑，以168 mm / s的線速度掃掠30 mm的帶子，以編程的熱處理一步完成，以達到建議的覆蓋率5.04 cm 2 / s
2.4。金相程序
從三個圓盤切出小部分，以使用光學(xué)顯微鏡研究橫截面。按照ASTM-E3-01程序進行研磨和拋光。為了暴露微結(jié)構(gòu)，使用4％的硝酸溶液將樣品蝕刻8秒鐘。
2.5。硬度測量
硬度測量是使用硬度測試儀（8SSA-10287）在以下三種類型的樣品上進行105千克載荷和10千克預(yù)載荷的：未經(jīng)熱處理的樣品，經(jīng)激光淬火的樣品以及經(jīng)過常規(guī)淬火的樣品-回火。另外，使用顯微硬度測試儀（Shimadzu，M型，編號89188）從經(jīng)過激光處理的樣品的橫截面中獲得三個顯微硬度分布圖。
2.6。摩擦系數(shù)的估算
磨損測試是根據(jù)ASTM G99標(biāo)準(zhǔn)在干燥條件下使用常規(guī)摩擦計（CSM，S / N 18-259）和5 mm WC球（1500 HV）進行的，如圖1所示。該球的化學(xué)成分為鈷基（5-7％），其他碳化物（?2％）和碳化鎢（余量）。使用以下測試參數(shù)：5 N的負載，0.10 m / s的速度，100、200、300和500 m的滑動距離，相對于每個滑動距離的軌道半徑分別為4、6、8和10 mm濕度為40±5％，室溫為292±2K。
2.7。樣品和WC鋼球的磨損機理
通過光學(xué)顯微鏡（OLYMPUS，PMG-3）評估WC球的磨損痕跡，并使用掃描電子顯微鏡（JEOL，JSM-6360LV）評估所有圓盤的磨損機理。
2.8。磨損率估算
磨損率是根據(jù)WC球表面上產(chǎn)生的磨損痕跡的直徑和鋼盤中的軌跡區(qū)域估算的。丟失量對于每個樣本，并可以使用以下等式來計算它們的對應(yīng)[ 14，15 ]：其中V是損失體積，b是磨損痕跡半徑，R是b ?<<? R的球體半徑。磨損率估算是基于由其中V是損失體積，k是磨損常數(shù)，s是滑動距離，N是施加的載荷。因此，磨損率計算如下：
4。結(jié)論
本研究介紹了激光淬火與常規(guī)淬火和回火的比較。所獲得的結(jié)果表明，經(jīng)LQ處理的樣品具有與CQT樣品相似的摩擦學(xué)特性，因此使前者成為生態(tài)友好過程的好選擇。LQ樣品始終顯示出降低的磨損率和平均摩擦系數(shù)；實際上，這些特征是有利的，因為如文獻所示，它們直接關(guān)系到機器部件的使用壽命的增加。即使當(dāng)使用常規(guī)技術(shù)和激光技術(shù)處理的樣品的硬度相似時，前一種方法的磨損機制也會更嚴重，因此會導(dǎo)致磨損軌跡更深，并通過促進微疲勞引發(fā)現(xiàn)象而產(chǎn)生更大的損壞。
資料可用性
根據(jù)要求，可以從通訊作者處獲得用于支持本研究結(jié)果的數(shù)據(jù)。
利益沖突
作者聲明，關(guān)于本文的發(fā)表沒有利益沖突。
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