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表面激光淬火作為1538 MV鋼常規淬火和回火處理的替代方法
來源: | 作者:huirui2019 | 發布時間: 2020-04-28 | 511 次瀏覽 | 分享到:
本文旨在通過對經過表面激光淬火處理的AISI 1538 MV鋼的摩擦學行為進行研究,鼓勵采用激光處理作為一種環保技術來改善金屬材料的機械性能,而不是傳統的淬火和回火技術?;瑒幽p試驗是通過銷釘盤法進行的。為了確定磨損機理,通過掃描電子顯微鏡評估盤上的磨損表面,并通過光學顯微鏡觀察球上的磨損痕跡。結果表明,與傳統方法相比,激光處理使平均摩擦系數降低了25%,磨損率降低了60%,同時保持了磨損深度,橫截面和表面的硬度。
激光淬火
熱處理涉及一系列旨在通過改變金屬材料的初始晶體結構來改善其機械性能的工藝。這些過程之一是常規的淬火和回火(CQT)處理,該處理用于提高鋼結構的機械部件的硬度,這些部件有望承受較高的表面負荷。傳統的黑色材料淬火的基本原理是將工作材料加熱到奧氏體化溫度,然后突然冷卻以獲得馬氏體相,這賦予了機械部件以高硬度和耐磨性。傳統淬火的主要缺點之一是整個組件都會發生相變,
已經開發了幾種表面硬化技術,并對汽車工業中常用的金屬進行了測試,以制造齒輪,閥門,鏈輪,凸輪,齒輪箱,曲軸和氣缸套等。這些技術,不同的硬化層的厚度已被制備,例如,感應加熱處理,可以得到高達3毫米厚的硬化層上AISI 1045鋼[ 1 ],等離子弧熔化可產生50? μ中號硬化45鋼[層2 ]和Telasang等報道的激光淬火(LQ)??梢援a生400? μ H13鋼的表面[根據米硬化層3]。盡管感應加熱會產生較厚的層,但只有激光表面硬化會在復雜的幾何形狀中產生均勻的層,因此由于其潛在的工業用途而受到研究關注。
激光表面硬化是自1970年代以來一直使用和研究的技術。然而,工業應用的研究主要是使用功率密度范圍為10 3至10 5 ?W / cm 2 [ 4 ]的CO 2激光器進行的??夏岬希↘ennedy)于2004年報告說,由于功率密度的增加和與大功率二極管激光器的發展相關的激光器成本的降低[ 5 ] ,激光表面硬化技術可以在工業規模上應用。
盡管激光表面硬化是一項不斷發展的技術,但諸如表面形態變化[ 6 ]和表面微觀結構的不均勻性之類的問題仍然持續[ 7 ]。這些問題的主要原因是該技術涉及大量參數,例如峰值溫度,加熱和冷卻速率以及缺乏有關微觀結構隨時間演變的信息。Farshidianfar最近提出了一種方法,該方法可通過使用基于紅外的熱成像系統進行實時熱監測來控制表面LQ過程中的微觀結構和幾何形狀[ 8]。該技術降低了所獲得特性的均勻性的不確定性。其他的研究試圖增加激光表面通過調查激光功率和激光掃描速度的效果上的微觀結構,硬化深度和AISI的表面硬度低碳鋼[硬化的可靠性8,9 ]和通過驗證利用二極管的激光器代替CO 2激光器以硬化AISI 1040中碳鋼[ 9,10 ]。
大多數研究人員認為,只有激光參數會影響適當的硬化層的形成。然而,Yong等。已經證明,在實際的制造過程中,通過研究非調質1538 MV鋼的組織和性能演變,制造技術也起著重要作用。他們使用鍛造工藝生產的曲軸,證明鍛造溫度和冷卻工藝直接影響鍛造后的析出物尺寸和分散[ 11 ]。如果改變這種鋼的硬度,則其疲勞極限也會改變,如Li等人報道。[ 12 ]。
盡管已經對幾種類型的鋼進行了許多激光表面硬化的研究,但據我們所知,它們都沒有旨在比較經激光處理的樣品與通過常規技術處理的樣品的摩擦學性能,以便了解經激光處理的零件在多大程度上可以可靠。避免常規淬火的主要動機是硬化整個零件所需的大量能量。這項工作比較了1538 MV鋼的摩擦學性能,該鋼被選為汽車行業中的代表性材料,并受到LQ和CQT的影響。研究的變量包括摩擦系數,耐磨性,晶粒形態和硬度。
激光淬火
2.1樣品制備
在這項研究中,使用直徑為66毫米,厚度為5毫米,典型硬度為23.31±1.75 HRC的1538 MV鋼圓盤作為測試樣品。熱處理前后,所有樣品均用SiC砂紙(粒度從120到600)研磨,以獲得使用粗糙度測試儀Mitutoyo SJ400測量的粗糙度為0.1±0.03? μm的表面。
2.2。常規熱處理(淬火)
按照ASM手冊[ 1 ] 的建議,將三個樣品在奧氏體化溫度(1198 K)淬火4.5 h 。將樣品完全浸入還原氣氛中的容器中,并在基于聚氧亞乙基二醇的市售淬滅溶液中進行淬滅。處理后,將樣品在523 K下回火4 h。
2.3。激光淬火
使用10 kW連續波1080 nm激光二極管(Laserline型號LDF 10.00-100)進行激光熱處理。該設備具有三個直角坐標軸定位系統(x,y和z)和一個角度定位系統。將樣品垂直于激光(z坐標)放在氣動對中臺上。使用3.5 mm的光斑直徑,以168 mm / s的線速度掃掠30 mm的帶子,以編程的熱處理一步完成,以達到建議的覆蓋率5.04 cm 2 / s
2.4。金相程序
從三個圓盤切出小部分,以使用光學顯微鏡研究橫截面。按照ASTM-E3-01程序進行研磨和拋光。為了暴露微結構,使用4%的硝酸溶液將樣品蝕刻8秒鐘。
2.5。硬度測量
硬度測量是使用硬度測試儀(8SSA-10287)在以下三種類型的樣品上進行105千克載荷和10千克預載荷的:未經熱處理的樣品,經激光淬火的樣品以及經過常規淬火的樣品-回火。另外,使用顯微硬度測試儀(Shimadzu,M型,編號89188)從經過激光處理的樣品的橫截面中獲得三個顯微硬度分布圖。
2.6。摩擦系數的估算
磨損測試是根據ASTM G99標準在干燥條件下使用常規摩擦計(CSM,S / N 18-259)和5 mm WC球(1500 HV)進行的,如圖1所示。該球的化學成分為鈷基(5-7%),其他碳化物(?2%)和碳化鎢(余量)。使用以下測試參數:5 N的負載,0.10 m / s的速度,100、200、300和500 m的滑動距離,相對于每個滑動距離的軌道半徑分別為4、6、8和10 mm濕度為40±5%,室溫為292±2K。
2.7。樣品和WC鋼球的磨損機理
通過光學顯微鏡(OLYMPUS,PMG-3)評估WC球的磨損痕跡,并使用掃描電子顯微鏡(JEOL,JSM-6360LV)評估所有圓盤的磨損機理。
2.8。磨損率估算
磨損率是根據WC球表面上產生的磨損痕跡的直徑和鋼盤中的軌跡區域估算的。丟失量對于每個樣本,并可以使用以下等式來計算它們的對應[ 14,15 ]:其中V是損失體積,b是磨損痕跡半徑,R是b ?< 激光淬火
4。結論
本研究介紹了激光淬火與常規淬火和回火的比較。所獲得的結果表明,經LQ處理的樣品具有與CQT樣品相似的摩擦學特性,因此使前者成為生態友好過程的好選擇。LQ樣品始終顯示出降低的磨損率和平均摩擦系數;實際上,這些特征是有利的,因為如文獻所示,它們直接關系到機器部件的使用壽命的增加。即使當使用常規技術和激光技術處理的樣品的硬度相似時,前一種方法的磨損機制也會更嚴重,因此會導致磨損軌跡更深,并通過促進微疲勞引發現象而產生更大的損壞。
資料可用性
根據要求,可以從通訊作者處獲得用于支持本研究結果的數據。
利益沖突
作者聲明,關于本文的發表沒有利益沖突。










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