金属材料的激光相变硬化机理及其工艺参数优化.pdf

金属材料的激光相变硬化机理及其工艺参数优化吴 健(江苏广播电视大学 宜兴学院,江苏 宜兴 214200)摘要:简要介绍了激光表面技术中的激光相变硬化,阐述了金属材料的激光相变硬化机理,分析了激光功率、扫描速度和光斑直径等工艺参数对硬化效果的影响,指出用激光能量密度描述激光加工工艺参数之间的耦合作用对硬化效果的影响规律。关键词:激光相变硬化;硬化机理;激光工艺参数中图分类号:T G156.99文献标识码:A文章编号:1001-3814(2004)07-0057-03Mechanism of Metals Laser Transformation Hardening andOptimum of Laser Technical ParametersWU Jian(Yixing College,Jiangsu Radio&Television University,Yix ing 214200,China)Abstract:T his thesis briefly introduces laser transformation hardening(LTH)among laser surface treatment tech-nology,demonstrates the mechanism of metals LT H and analyzes the influences of technical parameters such as laserpower,scanning velocity and the size of laser beam on the hardening results,and points out the influence law of the cou-pling effect between technical parameters described by laser power density on the hardening results.Key words:laser transformation ardening(LTH);hardening mechanism;optimum laser technical parameters?激光相变硬化也称激光淬火,功率密度范围为 104105W/cm2,是一个急冷急热的热处理过程。激光对工件的加热速度和冷却速度比常规热处理方法要高得多,加热速度可达 104109/s,冷却速度达 104105/s,因此最终得到的组织结构比常规热处理方法得到的组织要细小,位错密度提高,固溶含碳量增多,从而实现材料的表面强化。激光硬化处理后的工件表面硬度高,通常比常规淬火的硬度提高 15%20%,其 耐 磨 性可 提 高 2 4 倍,强 化 层深 度 通 常 为0.30.5 mm,当采用更大功率的激光器时,强化层深越来越广泛,其规格及品种也日趋增多,要完全杜绝其焊接冷裂的产生,提高结构件的可靠性,对低合金高强度钢焊接缺陷的成因探讨、研究及寻找解决对策也越来越迫切和重要。参考文献:1 哈尔滨焊接研究所.普通低合金钢的焊接及应用 M.北京:机械工业出版社,1980.2 许华忠.实用金属手册 M.北京:机械工业出版社,1998.3 张子荣,李异鹤.电焊条 M.北京:机械工业出版社,1996.4 周振丰,张文铖,彭高峨,等.焊接冶金学与金属的焊接性 M.北京:机械工业出版社,1988.5 武钢钢研所.焊接缺陷的主要原因及其防止措施(焊接译文)M ,湖北:湖北科学技术出版社,1975.6 邹增大.焊接材料、工艺及设备手册M.北京:机械工业出版社,2001.度可达 1 mm,甚至 2 mm。工件表面硬度和强度都很高,而心部仍保持原有的高韧塑性,使材料获得良好的综合性能,也可使普通材料达到优质材料所具有的强度和硬度,从而节约材料,降低生产成本。激光相变硬化技术是一种精密的节能热处理技术,可对形状复杂的零件和不能用其他常规方法处理的零件进行局部硬化处理,可精确控制硬化层,且表面光洁度高,可成为工件加工的最后工序。激光相变硬化依靠热量由表及里的传导来进行自冷,无需其它冷却介质,能耗低,不污染环境,工艺周期短,生产效率高,工艺过程易于实现程控或数控。鉴于激光相变硬化处理技术的这些独特优点,它适用于其它硬化技术所不能完成或难以实现的某些零件及其局部部位的表面强化处理。目前,激光相变硬化技术已在许多发达国家得到了广泛应用,使诸如汽车、模具、航空等许多工业领域获得了可观的经济效益。1激光相变硬化机理1.1激光淬火的热循环过程当激光束快速扫描金属材料表面时,材料表面极薄的一层瞬间吸收一部分光能,激光辐照区表层温度以极快的速度升到奥氏体化温度以上、熔点以下,使仍57 热加工工艺 2004 年第 7 期技术论坛?收稿日期:2004-03-09作者简介:吴健(1970-),女,江苏宜兴人,讲师,在读硕士。处于冷态的基体与被加热薄层之间的温度梯度高达103104/cm。当激光作用停止后,由于作为良导体的金属基体的热传导作用,激光作用区温度迅速下降,进行自冷淬火,从而实现工件的表面淬火。激光相变硬化过程中金属材料只有温升没有熔化,其中有两个温度值特别重要:一是材料的熔点,材料表面的最高温度必须低于材料的熔点;二是材料的奥氏体转变临界温度。激光加热过程中的最高温度只能处于上述两个温度之间材料才能发生相变硬化。表面温度和温度梯度是制定激光强化工艺方案和工艺参数的根据,而激光作用下金属内部发生的变化是通过激光直接作用在金属表面薄层来实现的。较高的温度梯度引起了热扩散效应(即材料中的原子迁移现象),导致激光作用下金属内部在一定深度内产生几个不同组织结构的区域,其深度和硬度以及其它性能也随温度梯度分布的变化而各不相同。和传统热处理相比,激光相变硬化的加热速度和冷却速度均极高,因此具有独特的热循环,无论是温升时的奥氏体转变还是冷却时的马氏体转变均显著不同于传统热处理过程。激光淬火效果与材料热影响区所经历的热循环有关,因此可通过控制和调整激光功率及功率密度分布、扫描速度等参数来改变热循环,从而达到符合设计要求的理想的淬火效果。1.2激光淬火区的组织结构激光辐照过程中,激光作用区表面至内部各层的温度均有所不同,因此,激光淬火后材料表层存在三层组织结构。第一层为相变硬化层。由于高功率激光辐照,材料表面温度最高,升温最快,作用时间相对最长,组织转变是在极大的过热度和过冷度的非平衡状态下进行的。原有的珠光体类组织通过切变模式转变为奥氏体组织,随后各种合金元素存在扩散和迁移现象,但与常规热处理相比,扩散时间远远不足。因此,奥氏体中的合金元素分布很不均匀,使其各部分的马氏体转变温度有很大的差异,冷却后形成高碳马氏体、低碳马氏体和残余奥氏体。同时,晶粒的形核率大大提高,致使硬化层组织非常细小均匀,位错密度较高,呈微细隐针状。该层表层组织结构为奥氏体急冷后形成的高碳马氏体和残留奥氏体,次层组织为加热时的奥氏体和未熔相急冷后形成的马氏体和铁素体(即亚共析钢)或马氏体和碳化物(即过共析钢)。第二层为过渡层。该层处于强化层边沿,呈白亮色的窄带,又叫热影响区。这主要是由于其加热温度在 A c1A c3之间,温度梯度相对较小,作用时间较短,原子的扩散和迁移更不明显,铁素体向奥氏体转变和碳化物的溶解都不充分,即相变不充分,晶粒较粗大,未达到完全奥氏体化。故过渡层组织结构为马氏体和未转变的原始组织,残留有弥散分布的颗粒状碳化物。第三层为基体层。该层温度较低,未达到相变温度,原子几乎没有进行扩散和迁移,在激光强化过程中组织未发生变化,保持原有的组织结构,仍为回火屈氏体。1.3激光淬火提高材料性能的机理理论研究和实验结果表明:经激光淬火后的材料获得了超高的硬度,其中晶粒的显著细化、内部位错的大量增殖、高碳马氏体的形成、残余奥氏体的强化、表面较大残余应力的存在等是材料获得强化区高硬度和其它力学性能得到提高的主要原因。表 1 所示为4Cr13 不锈钢激光强化层的显微硬度。表 14Cr13 不锈钢激光强化层的显微硬度HV0.2试样号激光强化区过渡区基体145143340531329428928427428024674554243022942922942882873468516486433302297290284283激光相变硬化过程是在高度受扼的形态下进行的,所获得的马氏体实质上是一种形变马氏体,比常规淬火所得的马氏体具有更高的缺陷密度,晶粒更加细化,同时由于冷却速度极快,碳原子来不及扩散,使得马氏体含碳量极高,而且残余奥氏体也获得了极高的位错密度,从而大大提高材料硬度。材料经激光淬火后的硬度比常规淬火提高 15%20%,相应地材料的耐磨性也得到提高。激光超快速加热过程中,金属材料的过热度很大,造成相变驱动力很大,奥氏体相变在过热度很大的高温区以很短的时间完成,其相变晶核的临界半径极小,奥氏体的成核率极高,其形核数目剧增,结果必然获得超细晶粒(35?m)。超细化的奥氏体在马氏体相变时必然转变成超细化的马氏体组织,使得过渡层中的马氏体组织和碳化物颗粒也得到细化。断裂韧度理论指出:晶粒细化不仅可以提高金属材料的强度,而且可以改善其韧性。因此激光淬火能使材料的韧性得到较大改善,即材料获得较高的抗塑性变形能力。此外,由于热能的快速传递,激光加热层内产生极高的温度梯度,同时存在着各相比容和线膨胀系数的差异,使得材料表层经历了强烈的应力作用。在该热应力作用下,金属材料内部形成了大量胞状结构的位错和高 缠结 状的 位 错,从而 产生 较 高的 位错 密 度(109cm-21011cm-2),促使材料强度得到显著提高。而且激光淬火后材料表面存在残余压应力,由此提高了材料的抗疲劳强度。2 激光相变硬化的工艺参数研究及其优化激光相变硬化过程是一个错综复杂的快速加热冷58TECHNICAL FORUMHot Working Technology2004 No.7却的淬火过程。影响激光相变硬化效果的工艺参数主要有:激光功率 P、激光扫描速度 v 和光斑直径 D。三参数对硬化效果的影响关系式为:H P/Dv,其中 H为淬火层深度。下面分别研究 P、v、D 对 H 的影响作用。2.1激光功率当激光扫描速度和光斑直径一定时,淬火层深度与激光功率成正比。随着激光功率密度的增加,其硬化效果增强。但激光功率密度对硬化效果的影响是矛盾的:当其超过某一临界值后,如果再继续增加,金属表面将出现熔化,反而减弱激光强化效果,如图 1 所示。研究表明,材料对激光的吸收率随温度升高而增大,其吸收率?T与温度 T 之间呈线性关系:?T=?20 1+?(T-20),其中?20为室温状态的材料吸收率,?为常数,T 为材料温度。由此可见,对于小尺寸零件,由于本身热容量小,随着强化的进行,对激光的吸收率明显增大,必然导致自身温度升高,无法实现表面强化。因此,强化过程中必须采用激光能量逐渐降低的方式。图 1激光功率密度与激光硬化效果的关系2.2扫描速度当激光功率和光斑直径一定时,淬火层深度与扫描速度成反比。开始阶段随着 v 的增加(即激光与材料交互作用时间的减少),激光束的硬化效果增强。这是因为扫描速度越快,则激光的加热速度越快,其加热层就越薄,相应地导致激光淬火速度的提高,从而必然使激光的强化效果增强。但当 v 增加到超过了某一阈值后,激光对材料的加热能力大大下降。这是因为 v 过大,使材料表层未能加热到其相变临界点之上,或使其奥氏体化时间过短,激光加热只是起到了退火软化作用,从而导致激光的强化效果明显减弱。激光淬火的扫描速度与硬化效果的关系如图 2 所示。此外,通过调节扫描速度可使被处理区域在奥氏体化温度下停留足够图 2激光加热扫描速度与硬化效果的关系的时间以保证碳的均匀扩散。2.3光斑直径光斑直径和形状与输出激光的模式有关,单模激光束直径小,多模激光束直径大。光斑直径愈小,加热层愈深,加热速度愈快,扫描速度也愈大。反之,光斑直径大,加热面积大,加热层深度小,扫描速度慢。若采用单模激光,虽然提高了激光功率密度,但淬火硬度不均,搭接处退火。因此,激光表面淬火常采用多模激光,功率密度虽有所降低,但光斑直径增大,淬火后表面硬度均匀。2.4工艺参数的耦合由上述分析可知,金属材料的淬火效果取决于工艺参数的综合作用,为使工件达到符合设计要求的最佳淬火深度,须对 P、v、D 三参数进行有机组合,使参数确定实现最优化。现提出用能量密度 E(E=P/Dv)来描述激光工艺参数对硬化效果的影响。采用正交试验的方法分析激光能量密度中各参数间的相关性。试验材料为 4Cr13 不锈钢,试件为矩形板料,试验在 2kW CO2激光器上进行,光斑模式为 TEM*01,输出为连续激光,试件表面进行黑化处理以增加材料对激光的吸收率。此正交试验的因素水平如表 2 所示。表 2激光淬火正交试验的因素水平表因素AP/WBv/mmmin-1CD/mm水平 13209803.0水平 21605001.5对正交试验结果进行方差分析表明:激光能量密度中激光加工工艺参数对淬火效果影响的主次关系依次为 PDvPDPv,其中 P 的影响最显著。因此,通过改变激光功率可以明显地改变激光能量密度,从而控制淬火层深度,且实际操作时调节方便。激光能量密度过小或过大均达不到淬火要求,对于每种材料,只存在一组特定的工艺参数能使材料获得最佳的硬化效果。3结语激光相变硬化的机理研究和加工工艺参数的分析优化说明:只有选取最优激光工艺参数,才能保证激光相变硬化层硬度整体得到提高,其硬化深度达到最佳,同时使材料的强韧性、耐磨性等力学性能得到极大改善,成倍延长产品的使用寿命。但由于影响激光相变硬化效果的因素很多,如激光波长、材料表面状况、导热系数及其初始温度等,要综合考虑大多数影响因素以达到最理想效果,仍是个亟待解决的复杂过程。59 热加工工艺 2004 年第 7 期技术论坛