65mn钢激光表面强化工艺参数研究,表面处理工艺,金属表面处理工艺,表面处理工艺有几种,激光雕刻工艺品,工艺品表面镀金设备,工艺品表面镀金工艺,不锈钢表面处理工艺,工艺品表面镀铜,铝合金表面处理工艺
2008年3月 第24卷第2期 沈阳建筑大学学报(自然科学版) JournalofShenyangJianzhuUniversity(NaturalScience) Mar． 2008 v01．24。No．2 文章编号：1671—2021(2008)02—0324—04 65Mn钢激光表面强化工艺参数研究 陈卓君一，刘 征2，张祖立，卢秉福，孙福鹏2 (1．沈阳农业大学农业工程学院，辽宁沈阳110161；2．沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁沈阳110168) 摘 要：目的研究激光强化工艺参数对65Mn旋耕刀基体显微硬度的影响，以表面硬度和磨 损量为表征参数，寻求最佳工艺参数．方法采用设计正交实验方法确定激光参数、激光功率、 扫描速度和光斑直径变化区域．通过激光强化区的金相组织和表面显微硬度，确定影响因数的 大小．结果激光影响区的金相组织主要为马氏体，影响表面硬度的参数主要是激光功率，其次 是扫描速度。而光斑直径影响最小．结论当激光功率1200W、扫描速度20mm／s，光斑直径 2．5mm。强化区的显微硬度达到最大值． 关键词：激光强化；显微硬度；65Mn钢；显微组织 中图分类号：TG174．34 文献标识码：A 旋耕刀和犁铧等农机具是农机中应用最广泛 的机具，其材料性能对常规使用的寿命有很大影响．目前 大部分的旋耕刀均采用65Mn钢制造．由于服役 时长期承受土壤磨损和交变应力的作用，因而其 基体内部的冶金、加工缺陷等部位易形成应力集 中，造成局部损伤，弱化基体，导致基体很快报废， 不仅极度影响翻地的质量和效率，而且造成巨大 的材料浪费．因此，提高基体性能，延长其使用寿 命，充分利用基体，增加其常规使用的寿命，是降低翻地 成本，推动当前农机行业发展的第一个任务．利用激 光的高速热效应，对65Mn钢表明上进行熔融强化 处理，是近年来发展起来的新型强化工艺u一31， 其操作便捷、效率高，并且强化效果好，未来市场发展的潜力 广阔．然而，影响激光表面熔融强化效果的因素很 多．因此，确定最佳的工艺参数是应用激光表面熔 融技术强化基体的关键环节．根据大量的摸索性 实验后发现激光功率、扫描速度和光斑直径是影 响65Mn基体强化性能的三个重要的因素．笔者通 过正交实验和极差分析，系统考察了激光强化工 艺参数对65Mn钢基体显微硬度的影响，获得了 最佳强化处理工艺参数，并讨论了激光表面熔融 强化机制． 1 实验方法 实验 实验材料取自旋耕刀65Mn钢基体． 经840℃淬火及210℃回火处理，其基体组织为回 火索氏体．自基体上切取尺寸为60mm×35mm ×7mm的钢板样品． 设备 用额定功率5kW的CO横流式激光 器，激光波长10．6 m，激光腔内混合气体是 C02、N2和Hez，淬火时用N2或Arz气保护．试件 经过激光处理后采用CHx一1超显微硬度计对 表明上进行测量．激光强化区组织采用xxs- 550 电子显微镜做多元化的分析．同时采用辊压式土壤摩擦 磨损实验机对激光处理表明上进行摩擦磨损实验． 磨损量采用FA1104N电子天平测量． 2 实验结果分析 2．1 显微硬度 65Mn钢基体激光表面熔融强化处理后其金 相组织如图1所示．从图1中能够正常的看到经过激光 处理后，金相组织转变成马氏体．表面显微硬度如 表1所示从表1中能够正常的看到经激光表面处理后 强化区的显微硬度，最高达到1670HV明显高于 收稿日期：2007—09—15 基金项目：辽宁省自然科学基金(200584) 作者简Or-陈卓君(1958一)女，副教授，博士，主要是做金属表面改性技术探讨研究 维普资讯第24卷 陈卓君等：65Mn钢激光表面强化工艺参数研究 325 原始基体组织的显微硬度489HV．并且激光处理 工艺参数的变化导致强化效果出现非常明显的差异， 与显微组织变化规律无明显的对应关系．这说明 激光表面处理后基体组织硬度的升高并非完全因 P=1500w F 18mm／s (a 组织变化引进，同时也反映了激光表面处理时激 光功率、扫描速度和光斑直径等工艺参数对强化 效果的影响程度并不完全相同． P=1500w F=22mmJs fb) 图1 65Mn钢板表面激光强化区 表1 正交实验设计及显微硬度测量结果 2．2 正交实验分析 为了弄清激光功率、扫描速度及光斑直径对 基体表面强化性能的综合影响，寻找主控因素，优 化强化工艺参数，根据正交实验原理，以强化区显 微硬度为优化指标，针对以上三个因素进行了正 交实验分析，结果列于表2．表2中K为激光功 率、扫描速度和光斑直径三因素．其中K，代表的 三因素大小为：1200W、18mm／s、2ram；K2代表 的三因素大小为：1400W、20mm／s、2．5ram；K 代表三因素大小为：1500W、22mm／s、3mm．R 为各因素的极差，反映了相应因素变化对强化区 显微硬度的影响程度，R越大说明该因素的变化 对考核指标影响越大．显然根据表2数据，激光表 面强化处理工艺参数对处理后强化区显微硬度， 影响最大的是激光功率，其次是扫描速度，光斑直 径影响最小．与激光功率有关的为A1，与扫描速 度有关的为A2，与光斑直径有关的为A3 表 2 正交分析结果 图 2 为 激光 功 率 、扫描 速 度 和光 斑 直径 三 因 素趋 势图 ，从图 2 中可 以直观地 看 出，用激光强 化 65 Mn钢基体的最佳工艺参数为 ：激光功率 1 200 w ，扫 描速 度 20 mm／s，光斑 直径 2 ．5 mm．从 表 1 直 接实验 结 果 的最佳 工 艺 参 数为 激 光功 率 1 400 w ，扫 描速 度 20 mm／s，光斑 直径 2．5 mm．由此 可 见 通过 实验 直接得 到 的最大 硬度 并不是 唯一最 佳 参 数 ． 2 ．3 组 织分析 当高能激光束扫描材料表面 时，表面薄层金 属 迅速熔 化 ，形成 微 区熔池 ，由于该 微 区尺 寸相 对 钢板基体非常小，冷 的基体传热使溶池内液态金 属急速冷却( 通常冷却速度达到 10 ～10 K／s) ， 造成非常大的过冷度，从而促进大量 晶粒非均匀 自 发核．因此，经激光表面熔融处理后的基体组织明 显细化 ．显然，根据 Hall—Petch 关系，激光表面熔 融 处理造 成 的这种 组 织细化 能有效 地增 加材料 的 变形抗力，因而提高其显微硬度和强韧性【4J．表 1 维普资讯 沈 阳 建 筑 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 24 卷 中的显微硬 度测量 结果 也证 实 了这一 点 ．此外 ，较 快 的冷却速 度对熔 融微 区凝 固后 的 固态相变 也有 较大 的影响 ．快 速 冷 却 导致 溶 质 碳原 子 来不 及 扩 散而 主要残 留在 奥 氏体 中，随 着 奥 氏体 向 马 氏体 转变，形成大量的高碳片状或针状马氏体 ．而且， 急 速冷却还 导致马 氏体 中晶体缺 陷如孪 晶和 位错 密度 显著增大 [ ，显 然也 对 基体 组 织 的 强化 有 所 贡 献 ． 激光 功 翠，W 扫描 速度／(mm ‘s 、 光斑 直 仝，mm (a) (b) (c) 图 2 激光功率 、扫描速度和光斑直径趋势图 由表 1 可知 ，激 光表 面熔 融处 理 工 艺参 数 对 强 化效果有 明显 影 响 ，不 同工 艺 参数 处 理 后 的显 微组 织也发 生 明显 变 化，而 且 强 化效 果 与 显微 组 织 的变化规律 并无 对应关 系 ．通 常，激 光表面 熔融 处理 的作用 区 由两 部分 组 成 ，即 中心 熔 池 和外 围 热影 响区 ．中心溶 池 凝 固后 形 成强 化 区 的组 织 形 貌 主要 与冷却 速 度 密切 相关 ，而强 化 区 的 显微 硬 度 则主要 由溶 质碳 浓度控 制 ．激光 功率 、扫 描速 度 和光斑直 径直 接影 响 中心熔 池 的 温度 、冷 却 速 度 及尺寸 ，从而影 响 强 化处 理后 基 体 的 显微 组 织 和 显微硬 度 ．如前 所述 ，激光功 率对强 化效果 影响最 大 ，其 次是 扫描 速 度 ，光斑 直径 的影 响最 小 ．当激 光扫描速度一定时( 试件 1 与试件 7 ) ，其硬度值 相差比较大．较小的光斑直径形成较窄的溶池，其 外围热影响区也较小，使溶池表面温度梯度变陡， 同时 由于激 光功率 较高 ，溶池表 面温度 较高 ，也造 成较大的温度梯度，熔池内将出现表面张力梯度， 它促进熔 体 中的 对流 传 质，使溶 池 整体 的平 均溶 质( 碳和合金元素) 的浓度升高 ；而且冷 的基体传 热有利于 小溶池 的快速 冷 却 ，因而凝 固后 强化 区 形 成许多较 细小 高碳马 氏体 ，导 致显 微硬度 上升 ． 当激光 功 率 一定 时 ( 试 件 1 与 试件 3) ，较 小的 光 斑直径虽然也形成较小的溶池，有利于冷基体的 快速 传热 ，但 由于扫描 速度 上升 ，使 激光与 熔 池的 交互 作用 时间变 小 ，而 且 使 溶 池冷 却速 度 相 对 增 加 。导 致凝 固后 强 化 区形 成相 对粗 大 的高 碳 马 氏 体 ，显 微硬 度稍 有提 高 ．当光 斑 直径 一定 时 ( 试 件 1 与试 件 6) ，较大 激光 功率 使溶池 温度较 高 ，使溶 池表明产生较大的温度梯度，在溶池内产生表面 张力 梯度 ，促进溶 池 内对流 传质 ；同时较 小的扫描 速度使熔池寿命延长，有利于扩散传质．上述两种 效应均 使 溶池 内溶质平均 浓度 上升 ．因此 ，尽管溶 池寿命 的 延长使 冷 却 速度 相 对 减慢 ，凝 固后 强 化 区形成 相对较 粗 的 马 氏体 组 织 ，但 由于 马 氏体 中 溶质碳浓度较高，其显微硬度仍然较高． 2 ．4 磨损分析 图 3 为试件 7 和试 件 9 两 种参数 条件 下 的磨 损量与 磨损 时间 关 系 曲线 中可 以 看 到两 种参数 下 的磨损 量 随 磨损 时 间 增加 而加 大 而 试 件 7 的 磨损量 比试件 9 的 磨 损量 小 ，从 表 1 中可 以看到 试件 7 的 硬度 比试 件 9 的硬 度大 ，由此其 耐磨性 比试 件 9 要 好 ．从 磨 损 表 面可 以看 到试 件 7 的表 面 比较光 滑，犁 沟 比较浅 ，而 试件 9 表 面犁 沟深 ．从 磨损 机理 来看 ，磨 损表 面主要 以磨粒 磨损 为主 ．土 壤 中的含 砂 量和 砂 子 粒度 对 表 面 影 响 比
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