CN114045377B - 一种中碳钢表面激光相变强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中碳钢表面激光相变强化方法，其特征在于包括以下步骤：1）对中碳钢构件进行包括酸洗在内的前处理；2）将中碳钢构件置入流动的冷却液中；3）采用激光对中碳钢构件表面进行脉冲式扫描，以对中碳钢构件进行激光相变淬火；4）将中碳钢构件进行自然冷却。本发明利用激光相变淬火技术，通过进行工艺参数调控可以获得孪晶马氏体+板条马氏体+索氏体的显微组织，使中碳钢构件的硬度和抗疲劳性能大幅提升。因此，可为中碳钢构件提供一种切实可行的表面强化方法，提高构件的承载能力，延长构件使用寿命。

Description

一种中碳钢表面激光相变强化方法

技术领域

本发明涉及中碳钢的热处理强化技术领域，尤其是涉及一种中碳钢表面激光相变强化方法。

背景技术

对于中碳钢，目前常用的表面强化技术主要有传统的表面渗碳、渗氮与碳氮共渗（氮碳共渗）技术、喷丸强化技术等。这些技术主要通过提高构件表面硬度的方式进行强化，但往往会一定程度上降低构件的抗疲劳性能，同时存在着变形大、工艺时间长、不易获得均匀分布的硬化层等诸多问题。

激光相变淬火是通过激光束照射金属工件表面，使工件表面的温度在极短时间内迅速升高到奥氏体转变温度以上、金属熔点以下，依靠金属工件自身的传热，表面温度快速下降实现自淬火，从而在工件表面制备具有细小马氏体组织的相变硬化层，以提高工件表面硬度，形成残余压应力，并提高工件耐磨性、疲劳强度等性能的表面强化技术。相比传统的渗碳、渗氮、火焰淬火等表面强化技术，激光相变淬火技术能够同时实现构件的高强度和高抗疲劳性能，同时变形小，表面质量好，对于高精度、大尺寸构件的表面强化具有极大优势。然而目前还鲜见将激光相变淬火工艺用于中碳钢表面强化处理的研究报道。

发明内容

本发明的目的即在于利用激光相变淬火技术，对中碳钢构件进行表面强化处理。

本发明的技术方案具体为，一种中碳钢表面激光相变强化方法，其特征在于包括以下步骤：

1）对中碳钢构件进行包括酸洗在内的前处理；

2）将中碳钢构件置入流动的冷却液中；

3）采用激光对中碳钢构件表面进行脉冲式扫描，以对中碳钢构件进行激光相变淬火；

4）将中碳钢构件由水中取出，进行室温自然空冷。

进一步优选的，所述脉冲式扫描，满足脉冲扫描相邻两点之间的距离l为激光的光斑直径d的1.15-1.25倍。

进一步优选的，激光的单位面积有效能量E为20~30 J·mm^-2。

进一步优选的，激光的单位面积有效能量E通过如下公式进行控制，

式中，P为激光功率，t为激光辐照时间，d为光斑直径，k为激光与冷却液作用的能量损失系数，取值为0.75~0.8。

进一步优选的，所述冷却液的表面与所述中碳钢构件的表面的距离为5mm左右。

进一步优选的，在激光扫描前先对所述中碳钢构件表面进行除水处理。

进一步优选的，采用吸气式吹水器进行所述除水处理，所述吸气式吹水器设置在激光前方沿着扫描路径与激光同步运动。

进一步优选的，所述脉冲式扫描相邻两行的扫描方向相反。

进一步优选的，所述酸洗为2-3分钟的快速酸洗，所述酸洗液的组成为，

氢氟酸 60ml/L

盐酸 120ml/L

双氧水 120ml/L

双氧水稳定剂 50ml/L

表面活性剂 3ml/L

酸洗缓蚀剂 0.6g/L

水 余量。

进一步优选的，经所述激光相变强化方法处理后，中碳钢构件的显微组织为，孪晶马氏体+板条马氏体+索氏体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，本发明将中碳钢构件置入水中进行激光相变淬火处理，可加快冷却速度以防止构件过热，以更好地在构件表面形成压应力层，促使表面微孔、机加凹槽等微小缺陷闭合，以提高构件的表面疲劳性能。

第二，本发明合理调控了激光淬火的工艺参数，制备得到了“孪晶马氏体+板条马氏体+韧性相”的复相组织，其中，高强的孪晶马氏体和板条马氏体能够大幅提高构件表面硬度，但其韧性相对较差，疲劳性能不好，而细小、弥散的韧性索氏体相则有利于松弛马氏体之间和马氏体与碳化物之间界面处的应力集中从而延迟裂纹扩展，提高疲劳性能，提高耐磨性。

第三，本发明采用快速酸洗技术，研发了一种新型酸洗剂，能够大幅缩短酸洗时间。

附图说明

图1为本发明包括酸洗在内的前处理工艺流程示意图。

图2为本发明激光相变淬火装置示意图。

图3为本发明脉冲式激光扫描路径示意图。

图4为本发明实施例1的40CrNiMo钢齿轮处理后的宏观形貌照片。

图5为本发明实施例1的40CrNiMo钢齿轮处理后的硬化区顶部显微组织。

图6为本发明实施例2的U75V钢轨处理后的宏观形貌照片。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行描述。

具体的，本发明的激光淬火相变强化方法主要包含以下几个步骤：

1. 构件的前处理

首先对构件表面进行酸洗处理，除去表面锈迹、污渍等粘附物。酸洗采用快速酸洗处理技术，前处理流程如图1所示。利用常规碱性化学除油剂或表面活性剂除去构件表面的杂质和油污，通过热水洗和流水洗将构件表面的除油剂洗净，在室温下将构件放入酸洗液中酸洗2~3分钟，最后用流水冲去酸洗液。酸洗液的配方具体如表1所示，其中，氢氟酸和盐酸提供的氟离子和氯离子具有穿透性，有利于除锈而获得更好的淬火表面；但如果仅采用氢氟酸和盐酸，加入量过少则没有足够的氢离子参与腐蚀，加入量过多则会腐蚀构件，因此，加入硫酸提供氢离子；双氧水具有氧化性，有利提高除锈效率；表面活性剂，例如直链烷基苯磺酸钠（LAS）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）等，有利于活化表面，加快反应速度；酸洗缓蚀剂，例如乙酰胺、炔醇等，能减缓构件腐蚀，保护构件。酸洗完成后，将构件置入烘箱中烘干水分。激光相变淬火处理前，利用无水乙醇清理构件表面，清理完毕后将构件表面的无水乙醇吹干。

表1 酸洗液配方

名称	含量
		硫酸	200ml/L
氢氟酸	60ml/L
		盐酸	120ml/L
双氧水	120ml/L
		双氧水稳定剂	50ml/L
表面活性剂	3ml/L
		酸洗缓蚀剂	0.6g/L
水	余量

2. 激光相变淬火处理

图2为激光相变淬火装置示意图，激光相变淬火处理前，先在工作台1上放置冷却液容器2，冷却液容器2的两侧分别设置冷却液进口和冷却液出口，并按照箭头所示方向注入一定量的冷却液3（冷却液3例如为水），将待处理的中碳钢构件4置于冷却液3中，冷却液容器2中流动的冷却液3可以加快冷却速度，防止中碳钢构件4过热。冷却液3表面和中碳钢构件4表面距离5mm左右时最优，距离过近时水容易在加工过程飞溅到工件上，影响淬火处理，距离较远又会影响冷却效果。激光器5产生脉冲式激光束进行激光相变淬火，在激光相变淬火前，采用除水器6采用吸气的方式去除中碳钢构件4表面附近的水汽，可提高构件表面的处理质量和性能。

图3为脉冲式激光相变淬火示意图，箭头方向为脉冲式激光的扫描方向，相邻两行扫描方向相反，可一定程度上降低激光相变淬火的应力。相邻两点之间距离l一般为光斑直径d的1.15倍到1.25倍，相邻两点之间距离过小时，后续激光脉冲的热输入将引起前一淬火区域发生回火，降低其性能。相邻两点之间距离过大时，齿面上淬火区域面积不够，达不到理想的强化效果。

相同的单位面积有效能量下，中碳钢构件激光作用区所受到的热影响是基本相同的，在激光加热阶段和随后的快速自冷却阶段激光作用区发生基本相同的相变行为，获得基本相同的硬化层组织。因此，激光相变淬火工艺参数的调控实质上是调控单位面积有效能量。单位面积有效能量E有如下计算公式：

式中，P为激光功率，t为激光辐照时间，d为光斑直径，k为激光与冷却液作用的能量损失系数，可以利用实际使用的激光工艺参数来进行预实验，即选定冷却液后，通过公式中其他参数来拟合计算k的数值，经发明人研究和分析发现，k一般为0.75-0.8较为合适，对于各种冷却液和激光功率、光斑和辐照时间，k在上述取值范围基本能够满足需要。

调控工艺参数使单位面积有效能量在25J·mm^-2左右，可充分获得 “孪晶马氏体+板条马氏体+韧性相”组织。高强、高硬的细小孪晶马氏体与塑性、韧性较好的相组成的复相组织有利于实现材料强化层的强韧性匹配，这对阻碍微裂纹的形成和扩展是有益的。单位面积有效能量过小时，激光加热无法使硬化区保持在奥氏体化温度足够长时间，快速冷却后无法得到足够的马氏体组织，构件的硬度将达不到要求。单位面积有效能量过大时，构件表面局部发生熔化，快速冷却后得到凝固组织，构件的硬度和抗疲劳性将大幅下降。

3.构件的后处理

激光相变淬火处理后，让构件自然冷却，同时视温度情况及时冷却。完全冷却后，采用表面轮廓测量仪对构件的表面粗糙度进行检查，采用表面渗透性检验方法对表面缺陷进行检查。激光相变处理构件表面粗糙度低于Ra1.6为合格。

综上所述，本发明利用激光相变淬火技术，通过进行工艺参数调控可以获得孪晶马氏体+板条马氏体+索氏体的显微组织，使中碳钢构件的硬度和抗疲劳性能大幅提升。因此，可为中碳钢构件提供一种切实可行的表面强化方法，提高构件的承载能力，延长构件使用寿命。

实施例1

对调制态40CrNiMo钢齿轮进行激光相变淬火处理，40CrNiMo钢成分如表2所示。激光淬火时需根据齿轮尺寸合理选择光斑直径。齿面为曲面，光斑直径过大时，不同位置的输入能量差异大，将导致组织不均匀，影响性能，光斑直径过小，会导致加工效率低下。齿全高小于10mm时，光斑直径选择2mm。齿全高大于10mm小于20mm时，光斑直径选择3~4mm。齿全高大于40mm时，光斑直径选择6~8mm。

表2 40CrNiMo钢化学成分

元素

C

Si

Mn

Cr

Ni

Mo

Fe

含量%

0.36

0.22

0.60

0.65

1.27

0.16

剩余

对齿全高50mm的40CrNiMo钢齿轮进行激光相变淬火处理，激光光斑选择8mm，辐照时间选择0.7s，脉冲两点间距选择9.6mm。图4为经激光相变淬火处理后40CrNiMo钢齿轮的截面宏观形貌，硬化区呈月牙形，硬化区与基材区之间无裂纹缺陷，组织致密。图5为硬化区顶部显微组织，其组织为孪晶马氏体+板条马氏体+回火索氏体。激光相变淬火处理后齿轮表面显微硬度可达789HV，相较未处理试样（约330HV）提高1.4倍。表面粗糙度为Ra0.8，符合要求。

这里，E大于35 J·mm^-2时，会导致表面熔化，而E小于20 J·mm^-2时，未能够充分马氏体化，硬度不够；辐照时间0.3s时，表面硬度为550HV，效果无法令人满意。

实施例2

对U75V钢轨进行激光相变强化处理，激光光斑选择6mm，辐照时间0.6s，脉冲两点间距为7mm，获得了板条马氏体+孪晶马氏体+铁素体+残余奥氏体复相组织，硬度达到900HV左右，相比未处理状态（300HV左右）提高两倍。图6为U75V钢轨激光相变处理宏观形貌图。表面粗糙度为Ra1.2，符合要求。

这里，如果脉冲两点间距为9mm以上时，未强化区域过大，没办法达到强化效果，脉冲两点间距为6mm或以下时，两点会搭接，搭接区会出现回火软化现象，显微硬度会下降到760HV左右，影响性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种中碳钢表面激光相变强化方法，其特征在于包括以下步骤：

1）对中碳钢构件进行包括酸洗在内的前处理；

2）将中碳钢构件置入流动的冷却液中；所述中碳钢构件的表面高出所述冷却液的表面的距离为5mm；

3）采用激光对中碳钢构件表面进行脉冲式扫描，以对中碳钢构件进行激光相变淬火；在激光扫描前先对所述中碳钢构件表面进行除水处理，采用吸气式除水器进行所述除水处理，所述吸气式除水器设置在激光前方沿着扫描路径与激光同步运动；

4）将中碳钢构件由水中取出，进行室温自然空冷；

所述脉冲式扫描，满足脉冲扫描相邻两点之间的距离l为激光的光斑直径d的1.15-1.25倍；所述脉冲式扫描相邻两行的扫描方向相反；激光的单位面积有效能量E为25J·mm^-2；激光的单位面积有效能量E通过如下公式进行控制，

，

式中，P为激光功率，t为激光辐照时间，d为光斑直径，k为激光与冷却液作用的能量损失系数，取值为0.75~0.8；

所述酸洗为2-3分钟的快速酸洗，酸洗液的组成为，

硫酸 200ml/L

氢氟酸 60ml/L

盐酸 120ml/L

双氧水 120ml/L

双氧水稳定剂 50ml/L

表面活性剂 3ml/L

酸洗缓蚀剂 0.6g/L

水 余量；

经所述激光相变强化方法处理后，中碳钢构件的显微组织为，孪晶马氏体+板条马氏体+索氏体。

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