王偉康，段振中，唐 亮，張再利

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司,江蘇 常州 213011）

非公路自卸車是一種重型自卸車，具有運輸距離短、載重量大、工作環(huán)境惡劣的特點。終傳動作為其最后一級動力傳動裝置，承載了整車約67 %的質(zhì)量。因終傳動集成度較高，為保證軸承拆解、組裝方便，通常將機架與軸承設(shè)置為間隙配合。由于機架配合面處硬度遠低于軸承內(nèi)圈，易產(chǎn)生微動磨損、降低機架工作精度和使用壽命[1]。因此，對機架配合部位進行表面強化研究具有十分重要的意義。

當前，常見的表面強化處理手段有滲碳淬火、感應(yīng)淬火、滲氮等，采用這些傳統(tǒng)工藝，對尺寸較大且僅局部強化的機架來說，存在工藝復(fù)雜、熱影響區(qū)較大、組織分布不均勻等缺陷，無法滿足使用需求。相比傳統(tǒng)工藝，激光淬火有明顯的優(yōu)勢。同時，在工程機械領(lǐng)域，GS－25CrMo4 鑄鋼由于其良好的力學(xué)性能，使用較為普遍，然而與之相關(guān)的激光淬火工藝卻研究較少。鑒于此，對GS－25CrMo4 鑄鋼進行激光淬火工藝進行研究，以期通過研究此材料性能并進行相應(yīng)的產(chǎn)品應(yīng)用，同時為其他激光淬火工藝的研究提供借鑒。

1 激光淬火

激光淬火技術(shù)是利用聚焦后的激光束將材料表面迅速升溫到相變點以上，當激光移開后，材料表面快速冷卻到馬氏體相變點以下，進而實現(xiàn)材料表面相變硬化。激光淬火具有加熱速度極快、表面光潔度高、淬火過程無需冷卻液、表面硬度高（一般不需要回火）、熱影響區(qū)與變形小、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點。同時，激光淬火通過保持功率及掃描速度不變，獲得均勻的相變硬化層[2-3]。

激光淬火的主要性能指標為：表面硬度、有效硬化層深度、回火軟帶。其中，表面硬度、有效硬化層深度與材料成分、激光功率、掃描速度、材料表面的吸光率和熱物理性能等有關(guān)[4-5]。為提高材料表面對激光的吸收率，保證淬火效果，通常會在激光淬火前黑化工件表面，方法為噴涂法或磷化法[6]。回火軟帶與多道激光淬火搭接有關(guān)。由于激光光斑尺寸一般遠小于零件的淬火區(qū)域，因而通常完成整個區(qū)域的淬火需要經(jīng)過多道激光淬火處理。多道激光淬火大多采用搭接方式，然而搭接區(qū)中，后道的激光淬火處理會使得部分前道所形成的馬氏體發(fā)生分解，形成回火軟帶[7-9]。

2 研究方法與試樣制備

2.1 研究方法

通過控制變量的方式分別改變激光功率、掃描速度、搭接情況，以研究GS－25CrMo4 表面硬度上限、有效硬化層深度（界限硬度45HRC）、回火軟帶。GS－25CrMo4 激光淬火后的表面硬度上限與其含碳量有關(guān)，其上限數(shù)值需要通過多組試驗確定，因而本文采用多種激光功率、掃描速度組合進行研究，直至表面出現(xiàn)微熔現(xiàn)象，以確認其硬度上限及對應(yīng)的有效硬化層深度。結(jié)合機架應(yīng)用情況，優(yōu)先保證表面硬度。

回火軟帶與搭接情況有關(guān)。搭接區(qū)域相當于二次淬火，GS－25CrMo4 作為鑄鋼材料，其內(nèi)部存在的鑄造缺陷會增加淬火裂紋風(fēng)險。由于機架實際使用時為面接觸，局部軟帶區(qū)域可被接受。因而設(shè)置搭接、不搭接多種情況，以研究搭接回火軟帶、淬火風(fēng)險、與不搭接的區(qū)別，研究不搭接情況下的最小軟帶區(qū)域。

試驗采用型號為ZKSX－3012 的激光設(shè)備，激光光斑尺寸為19 mm×4 mm，鏡片距零件表面300 mm，通過程序控制掃描速度。

2.2 試樣制備

通過線切割截取試樣，其尺寸為80 mm×80 mm×200 mm。將試樣進行拋光、脫脂、除銹、清洗、干燥處理。同時，為防止局部溫度過高、發(fā)生灼傷現(xiàn)象，在試樣表面涂敷吸光涂料增加吸光率，實現(xiàn)能量密度均勻分布[10]。試驗材料為GS－25CrMo4 鑄鋼，GS－25CrMo4 鑄鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 GS－25CrMo4 鑄鋼的化學(xué)成分

3 工藝過程與結(jié)果

3.1 表面硬度和有效硬化層深度

多組激光功率、掃描速度工藝條件下對表面硬度和有效硬化層深度進行研究，表面硬度和有效硬化層深度見表2。

表2 表面硬度和有效硬化層深度

從表中參數(shù)1～參數(shù)3 與參數(shù)5～參數(shù)6 可知，當掃描速度一致、激光功率增加，表面硬度提高、有效硬化層深度增加；由參數(shù)3、參數(shù)5 可知，當激光功率一致，掃描速度增加，表面硬度降低、有效硬化層深度下降，說明激光功率和掃描速度對表面硬度和有效硬化層深度影響較大，可以通過參數(shù)組合探尋其硬度上限及對應(yīng)的有效硬化層深度；由參數(shù)1～參數(shù)4 可知，當激光功率1 850 W、掃描速度4 mm/s時表面出現(xiàn)微熔現(xiàn)象，說明此激光功率過大。為避免出現(xiàn)微熔現(xiàn)象、保證工藝穩(wěn)定性，認為采用參數(shù)3對GS－25CrMo4 激光淬火獲得表面硬度接近其上限，即激光功率1 750 W、掃描速度4 mm/s、距離300 mm。GS－25CrMo4 激光淬火表面硬度上限約52.2HRC，有效硬化層深度1.15 mm。

3.2 回火軟帶

回火軟帶通過多道激光淬火方式研究，回火軟帶工藝方案如表3，其中方案1 搭接，方案2、方案3、方案4 不搭接?；鼗疖泿Чに嚪桨甘疽鈭D如圖1。

圖1 回火軟帶工藝方案示意圖

表3 回火軟帶工藝方案

圖1（a）中的總硬化層深是指零件表面到顯微硬度或顯微組織相對于基體材料無明顯變化處的最大垂直距離。多道激光淬火后，測試表面硬度。沿與激光淬火掃描垂直的方向進行金相試樣截取、制樣、觀察截面形貌，并進行硬度測試，測試位置為距表面0.1 mm。測試時，以離搭接或間隙區(qū)邊緣約1 mm 的第1 道激光掃描處為起始點，垂直于掃描方向取點，取點范圍跨越1 個搭接區(qū)或間隙區(qū)。將測得的維氏硬度轉(zhuǎn)換為洛氏硬度。將硬度小于45HRC 的區(qū)域定義為軟帶區(qū)。距表面0.1 mm 處的硬度分布曲線－軟帶區(qū)測試結(jié)果如圖2。

圖2 距表面0.1 mm 處的硬度分布曲線－軟帶區(qū)測試結(jié)果

工藝結(jié)果：①4 種方案淬火區(qū)域的組織晶粒等級均為7～8 級；②方案1 和方案2 先后淬火的2 道之間不存在間隙，第2 道淬火對第1 道淬火的部分硬化區(qū)域進行了回火，回火區(qū)的組織主要為回火屈氏體，方案3 和方案4 先后淬火的2 道之間存在間隙，中間保留原始的基材組織；③不同工藝距離表面0.1 mm 處的硬度均≥50HRC，方案1 淬火2 道之間的硬度約為33HRC，軟帶區(qū)寬度約0.5 mm，方案2淬火2 道之間的硬度約為30HRC，軟帶區(qū)寬度約1.1 mm，方案3 和方案4 淬火2 道之間的硬度約為21HRC（本體硬度），方案3 軟帶區(qū)寬度約1 mm，方案4 軟帶寬度約2 mm；④方案1 搭接回火區(qū)域，表面粗糙度較其他區(qū)域差。

由工藝結(jié)果①可知，淬火區(qū)域組織較好；由工藝結(jié)果②和工藝結(jié)果③可知，搭接方案的軟帶硬度高于不搭接方案軟帶硬度（本體硬度），但遠小于淬火硬度，因此搭接對此區(qū)域的耐磨效果提升有限；同時，由工藝結(jié)果③可知，不搭接方案2、方案3、方案4 中，方案3 的軟帶區(qū)寬度最小，與方案1 搭接形成的軟帶寬度相差約0.5 mm，在應(yīng)用上相差較?。挥晒に嚱Y(jié)果④推測，其粗糙度較差是由搭接位置二次淬火導(dǎo)致，可能會增加裂紋風(fēng)險。綜合工藝結(jié)果與實際使用需求，采用方案3 可以獲得最佳性能，即激光功率1 750 W、掃描速度4 mm/s、距離300 mm、偏移量20 mm。

4 工藝應(yīng)用

由于機架價值高，因而一般采用與機架淬火區(qū)域相同尺寸的樣圈進行驗證，作為工藝評價標準。因此，采用方案3 的工藝參數(shù)對樣圈進行驗證。淬火時，周向間隙與軸向間隙保持一致（間隙1 mm），使中間保留基材組織。將先后2 道淬火周向閉合位置布置在非受力區(qū)域，并設(shè)置成相隔15～20 mm 的規(guī)則排列，以降低裂紋風(fēng)險和微動磨損。

淬火后，淬火組織均勻細小、無缺陷，表面硬度均在50HRC～55HRC 之間，平均值52.6HRC。先后2道淬火間隙1.119 mm，總硬化層深度1.664 mm。有效硬化層深度1.2 mm（界限45HRC），與試樣工藝結(jié)果一致。樣圈激光淬火截面硬度梯度如圖3。

圖3 樣圈激光淬火截面硬度梯度

對樣圈淬火前后產(chǎn)品尺寸變化測量，發(fā)現(xiàn)φ250 mm 和φ300 mm 的2 檔直徑，淬火后尺寸變大，變化值在0.05 mm 以內(nèi)，可用于工藝參考。

5 結(jié)語

1）激光功率、掃描速度對GS－25CrMo4 激光淬火后的表面硬度和有效硬化層深度影響較大，可通過控制變量的方式，通過多組試驗，以表面出現(xiàn)微熔為判斷依據(jù)進行研究。

2）回火軟帶性能可通過設(shè)置不同搭接情況，對比分析搭接與不搭接的區(qū)別，以確定最小軟帶區(qū)域。回火軟帶區(qū)域硬度33HRC 高于本體硬度21HRC、遠小于淬火硬度（≥50HRC），此硬度用于面接觸的耐磨效果不明顯，同時二次淬火可能增大裂紋風(fēng)險，故采用不搭接方式。

3）結(jié)合對GS－25CrMo4 激光淬火工藝研究、機架使用情況，確定工藝參數(shù)為激光功率1 750 W、掃描速度4 mm/s、距離300 mm、偏移量20 mm。激光淬火后，組織均勻細小、無缺陷，表面硬度平均值達52.6HRC，有效硬化層深度1.2 mm（界限硬度45HRC），可大大提高其耐磨性，滿足使用要求。

4）對于面接觸的鑄鋼零件，激光淬火時，建議采用不搭接方式，降低裂紋風(fēng)險。

5）通過樣圈工藝應(yīng)用，實現(xiàn)了工藝二次驗證，證明工藝參數(shù)有效。同時，提出周向閉環(huán)位置可根據(jù)受力情況設(shè)置。