于耀華

1. 上海第一機(jī)床廠有限公司 上海 201308 2. 清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 北京 100084

不同冷卻方式對(duì)17-4PH鋼激光淬火的影響

于耀華1,2

1. 上海第一機(jī)床廠有限公司 上海 201308 2. 清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 北京 100084

通過試驗(yàn)研究了不同冷卻介質(zhì)的連續(xù)處理、間斷處理方式對(duì)17-4PH(0Cr17Ni4Cu4Nb)鋼表面激光淬火強(qiáng)化處理過程中強(qiáng)化處理層參數(shù)(厚度、硬度等)的影響。結(jié)果表明，干冰間斷處理方式使激光強(qiáng)化處理層參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，可以滿足生產(chǎn)要求。

17-4PH鋼； 冷卻方式； 激光淬火

1 研究背景

17-4PH不銹鋼，即0Cr17Ni4Cu4Nb鋼，是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼。從固溶處理溫度快速冷卻至室溫時(shí)，組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，再經(jīng)過380～560℃ 時(shí)效處理，馬氏體基體沉淀出富銅相，使強(qiáng)度進(jìn)一步提高[1-2]。因14-7PH鋼含碳量較低(≤0.05%)，鋼中不出現(xiàn)碳化物，使合金元素大部分固溶于合金固溶體中，從而具有優(yōu)良的耐蝕性，其耐腐蝕性和可焊性均優(yōu)于普通馬氏體不銹鋼，接近于某些奧氏體不銹鋼。與此同時(shí)，由于沉淀相富銅，其減振性能也很優(yōu)良[3]。

激光強(qiáng)化處理是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，并在近10年得到了迅速應(yīng)用，現(xiàn)已成為高能束表面改性技術(shù)中的一種重要手段。激光強(qiáng)化處理一般可以分為激光淬火處理、激光合金化技術(shù)、激光熔覆及激光非晶化技術(shù)等，其中，激光淬火以高能密度激光束快速照射工件，使激光作用區(qū)的溫度急劇上升，形成奧氏體。此時(shí)，工件基體仍處于冷態(tài)，與加熱區(qū)之間有極大的溫度梯度，因此，一旦停止激光照射，加熱區(qū)因急冷而自冷淬火，從而達(dá)到改善金屬表面性能的目的[4-7]。激光淬火的主要特點(diǎn)是： ① 激光沒有慣性，可高速啟動(dòng)和停止，勞動(dòng)生產(chǎn)率高；② 屬局部處理方法，熱處理形變小，操作方便靈活，適宜處理結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熱處理后不易形變的零部件或大型零件；③ 零部件表面硬化層和硬化區(qū)域可被準(zhǔn)確測(cè)定及控制，生產(chǎn)上重復(fù)性好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；④ 零部件表面強(qiáng)化過程中不產(chǎn)生有害射線、磁場(chǎng)，屬無(wú)污染處理技術(shù)；⑤ 零部件表面強(qiáng)化時(shí)屬局部表層加熱，能耗較小[8]。

基于上述特點(diǎn)，將激光淬火處理技術(shù)應(yīng)用于17-4PH鋼的表面強(qiáng)化處理，可以有效改善其表面性能，使工作表面具有較高的耐磨性和抗熱疲勞性。目前該類鋼的傳統(tǒng)工藝強(qiáng)化處理，尤其是顯微組織和強(qiáng)化性能方面的數(shù)據(jù)在文獻(xiàn)中已有大量報(bào)道[9-13]，筆者則重點(diǎn)從不同的冷卻方式(預(yù)處理方式)對(duì)厚度、硬度等激光強(qiáng)化處理層參數(shù)的影響方面進(jìn)行試驗(yàn)分析與研究。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

表1 0Cr17Ni4Cu4Nb棒材化學(xué)成分

元素CSiMnPSNiCrMoCuNNb規(guī)定值≤0.07%≤1.00%≤1.00%≤0.04%≤0.03%3.00%～5.00%15.00%～17.50%—3.00%～4.00%—0.15%～0.45%實(shí)測(cè)值0.05%0.34%0.46%0.006%0.001%4.22%16.07%—3.61%—0.25%

表2 0Cr17Ni4Cu4Nb棒材力學(xué)性能

試驗(yàn)名稱室溫性能300℃高溫性能內(nèi)容抗拉強(qiáng)度Rm/MPa規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2/MPa斷后伸長(zhǎng)率A斷面收縮率Z沖擊韌性值A(chǔ)K/(J·cm-2)洛氏硬度HRC抗拉強(qiáng)度Rm/MPa規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2/MPa斷后伸長(zhǎng)率A斷面收縮率Z沖擊韌性值A(chǔ)K/(J·cm-2)洛氏硬度HRC規(guī)定值≥1176≥1080≥10%≥34%≥50≥39實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)值1280124014.5%61.5%8442.2108397213.4%45.6%——

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的激光設(shè)備為Nd：YAG脈沖激光器，激光處理參數(shù)見表3。

表3 激光處理參數(shù)

項(xiàng)目數(shù)值脈沖電流/A180脈沖寬度/ms20脈沖頻率/Hz4光斑搭接率40%道搭接率50%掃描速度/(mm·s-1)1.5透鏡焦距/mm150離焦量/mm10(正離焦)

試驗(yàn)使用LECO公司的LM-247AT顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，使用載荷100 g，加載時(shí)間15 s。

試驗(yàn)重點(diǎn)考查激光強(qiáng)化實(shí)施過程中不同冷卻方式(間隔冷卻和連續(xù)冷卻)對(duì)激光強(qiáng)化處理層參數(shù)的影響。間隔冷卻指在試樣進(jìn)行冰冷預(yù)處理的基礎(chǔ)上，每道激光處理后均對(duì)試樣進(jìn)行再冷卻。連續(xù)冷卻指對(duì)試樣進(jìn)行冰冷預(yù)處理后，連續(xù)對(duì)試樣進(jìn)行3～4道激光處理。冷卻手段和冷卻方式見表4。

表4 冰冷處理方法

冷卻處理手段預(yù)冷卻處理時(shí)間處理過程中冷卻方式試樣數(shù)量冰箱-20℃下保存2h間隔冷卻4連續(xù)冷卻4干冰干冰內(nèi)保存5min間隔冷卻4連續(xù)冷卻4

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 激光強(qiáng)化層形貌特征

一般認(rèn)為，聚焦激光束能量分布為高斯?fàn)顟B(tài)，即中心溫度高，周邊溫度低，材料受激光輻照區(qū)域吸收能量不一致，導(dǎo)致激光強(qiáng)化層橫截面為一個(gè)月牙形，如圖1所示。

圖1 激光單道強(qiáng)化金相圖

實(shí)際激光強(qiáng)化處理過程中，通常采用脈沖激光束對(duì)工件進(jìn)行連續(xù)處理，即激光強(qiáng)化層存在一定的搭接量，搭接處理激光強(qiáng)化層橫截面如圖2所示。

圖2 激光50%搭接強(qiáng)化層金相圖

此外，觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)，月牙形激光強(qiáng)化層存在明顯梯度，這是由于馬氏體沉淀硬化不銹鋼的激光熔化區(qū)與普通鋼固溶有較大不同，即具有過熱熔區(qū)、臨界熔區(qū)、固溶區(qū)、高溫時(shí)效區(qū)、低溫時(shí)效區(qū)，如圖3所示。

圖3 激光輻照區(qū)域熱影響結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合圖1和圖3可見，過熱熔區(qū)晶粒較大，殘余奧氏體較多，硬度較低，通過基體預(yù)冷和高壓氣體強(qiáng)制冷卻，可使熔區(qū)減小，當(dāng)厚度低于0.1mm時(shí)即可通過后續(xù)精加工消除。在高溫固溶區(qū)，雖然存在較多的殘余奧氏體，但因?yàn)闀r(shí)間很短，晶粒不會(huì)有大的改變。在時(shí)效區(qū)，對(duì)于高于基體時(shí)效處理溫度的高溫時(shí)效區(qū)域而言，因沉淀相的數(shù)量與形態(tài)不會(huì)發(fā)生變化，所以其硬度不會(huì)改變；相反，對(duì)于低于基體時(shí)效處理溫度的低溫時(shí)效區(qū)域而言，有可能進(jìn)一步增加一些細(xì)小沉淀相而使硬度提高。

3.2 激光強(qiáng)化層硬度分析

選取激光處理層最深處，從距表面約0.05mm處開始沿深度方向每隔0.05mm測(cè)量一次硬化層顯微硬度,繪制固溶后的表層顯微硬度分布曲線，如圖4～圖7所示。

圖4 冰箱連續(xù)冷卻硬度曲線

圖5 干冰連續(xù)冷卻硬度曲線

圖6 冰箱間隔冷卻硬度曲線

圖7 干冰間隔冷卻硬度曲線

經(jīng)綜合分析可以看到，激光強(qiáng)化層最高硬度并不在表面, 而是距表面一定深處，原因在于激光強(qiáng)化處理過程中，試樣受激光輻照吸收光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并通過自身基體散熱冷卻，導(dǎo)致基體溫度上升，連續(xù)的激光輻照處理造成基體表面溫度不斷升高，基體自身溫度亦隨之升高，散熱效果不斷降低，不僅降低17-4PH鋼表面固溶速度，引起硬化相轉(zhuǎn)變，還可能引起后道激光處理對(duì)相鄰的已被激光處理的表面產(chǎn)生加熱退火影響，導(dǎo)致強(qiáng)化層硬度達(dá)到峰值后逐步降低，并接近母材硬度。

圖4和圖5反映了連續(xù)冷卻方式對(duì)激光強(qiáng)化有一定作用，但效果不佳，尤其是在工程實(shí)際需要的0～0.35mm深度范圍內(nèi)，硬度數(shù)據(jù)相對(duì)離散，主要是隨著激光處理的連續(xù)進(jìn)行，基體溫度不斷升高，降低了激光強(qiáng)化的效果。相較于連續(xù)冷卻，無(wú)論是冰箱間隔冷卻(圖6)還是干冰間隔冷卻(圖7)，激光冷卻層參數(shù)在0～0.35mm深度范圍內(nèi)有明顯提高，一是硬度數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，波動(dòng)較小；二是硬度數(shù)值有明顯提高，維氏硬度HV平均值從冰箱連續(xù)冷卻方式的481.2、干冰連續(xù)冷卻方式的455.3提高至冰箱間隔冷卻方式的485.6、干冰間隔冷卻方式的488.7。

進(jìn)一步對(duì)比圖6和圖7發(fā)現(xiàn)，干冰間隔冷卻方式的激光冷卻層參數(shù)更趨穩(wěn)定，強(qiáng)化層的維氏硬度HV可達(dá)480～520，且激光強(qiáng)化層與母材基體交界處硬度變化平緩, 無(wú)明顯硬度梯度。

試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，干冰冷卻效率較高，但成本也相對(duì)提升，從工程應(yīng)用角度來(lái)說，不同冷卻方式的性價(jià)比分析將是下一步工作的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

(1) 17-4PH沉淀硬化不銹鋼通過激光處理進(jìn)行強(qiáng)化是可行的，通過處理可以獲取0.40～0.50mm 厚的強(qiáng)化層。

(2) 激光強(qiáng)化處理是一種非均勻固溶時(shí)效處理方法，能夠獲得具有梯度過渡分布特性的強(qiáng)化層，但后道激光處理易對(duì)相鄰的已處理表面產(chǎn)生退火影響，可通過加工時(shí)對(duì)工件的持續(xù)冷卻來(lái)保證強(qiáng)化效果。

(3) 通過對(duì)比可得出，干冰間隔冷卻降低樣品表面的溫度，需要盡量減小加工過程中樣品的溫升，保證馬氏體轉(zhuǎn)變所需的溫度梯度，這樣使強(qiáng)化處理效果最佳。

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Experimental study had been conducted to find the impacts of continuous processing of different cooling medium and intermittent treatments to hardening layer parameters(thickness, hardness, etc.) during surface hardening process of 17-4PH(0Cr17Ni4Cu4Nb) steel via laser hardening. The results prove that the intermittent treatment with carbon dioxide ice could achieve relative stable parameters on the layers quenched by laser and it can satisfy the production requirements.

17-4PH Steel； Cooling Method； Laser Hardening

2016年3月

于耀華(1983— )，男，碩士，工程師，主要從事核島主設(shè)備控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)加工工藝技術(shù)工作， E-mail: yuyh3@shanghai-electric.com

TM93;TG156.91

B

1674-540X(2016)03-035-04