软氮化:激光淬火复合强化工艺

发布者: 发布时间:2018/1/23 11:58:05 阅读:次 【字体:

  渗碳处理能显著提高工件的表面硬度,且渗碳层能达到毫米级,但渗碳温度高,容易导致工件形变。氮化处理在较低温度下进行,能在小的工件形变条件下显著提高工件的表面硬度和耐磨性,但氮化层通常为微米级,承载能力差。软氮化结合了渗碳和氮化两种工艺的优势,是以渗N为主,并兼有渗C的一个表面处理工艺。该工艺获得的硬化层可达0.3~0.5mm,显著高于氮化。具有渗碳和氮化二者的优点,比单一处理要好。然而,软氮化具有比氮化层较低的硬度,因此,如何进一步提高软氮化层的硬度和耐磨性备受关注。

  由于激光具有高能量密度,形变量极小,硬化层深也能达到毫米级的特点,近年来激光淬火在工业应用方面日益广泛,本文研究了软氮化+激光淬火复合强化工艺,旨在通过复合强化工艺,进一步提高软氮化层的硬度,进而提高工件的耐磨性和使用寿命。

  1.试验材料及方法

  本试验采用的基体材料为30CrNiMo,材料尺寸为直径190mm,壁厚h=20mm,基材的化学成分见表1所示。软氮化处理工艺为气体软氮化,氮化温度为560~570℃,氮化时间2.5h,软氮化组织见图1所示。软氮化层深约为0.43mm,软氮化表层白亮层组织是由ε相、γ`相和含氮的渗碳体Fe3(C,N)所组成,白亮层很薄约10μm,次层为扩散层由Fe-C-N固溶体与弥散分布的γ`相组成,且固溶体中的氮的浓度逐渐减小。

  表1 基材的化学成分含量(质量分数)(%)

  CSiMnSPCrMoNi

  0.26~0.340.40.3~060.0350.0351.8~2.20.3~0.51.8~2.2

  本试验激光淬火采用武汉华工激光工程有限责任公司生产的DL030型机器人半导体激光器激光表面强化及再制造设备,聚焦镜片为焦距370mm的矩形光斑14mm×2.5mm镜片,光斑形貌如图2所示。显微组织采用XJL-03型显微镜进行观察,采用型号HVS-1000A的显微硬度计测定显微硬度,测量载荷为0.1kg,加载时间为10s,熔覆层不同深度部位测量5点值进行平均,绘制成断面硬度分布图。

  2.试验结果及分析

  (1)不同扫描速度下临界功率的确定

  固定激光光斑大小,在360mm/min、600mm/min、840mm/min三种不同的扫描速度下,分别改变激光功率,找到每个扫描速度下表面微熔的对应功率,然后再适当降低功率至表面无微熔发生,由此来确定不同扫描速度下的临界激光功率,所得的结果见表2所示。

  表2 激光淬火工艺参数

  序号激光功率/W扫描速度/mm·min-1表面状态

  11000360微熔

  2900360好

  31200600微熔

  41100600好

  51.4840微熔

  61.3840好

  (2)激光工艺参数对淬火层深的影响

  表3为不同扫描速度和功率下的激光淬火硬化层深值。在相同扫描速度时,随着激光功率的增加,三组工艺参数均出现硬化层深度增加。但从表3中也反应出了扫描速度变快,功率的增加对硬化层的深度影响逐渐在减小,这说明在扫描速度较慢的时候,激光功率对硬化层深的影响要更大一些。在扫描速度≤600mm/min的情况下,激光淬火层的深度均大于软氮化层的深度。

  表3 激光淬火硬化层深

  激光功率/W10009001200110014001300

  扫描速度/ mm·min-1360360600600840840

  硬化层/mm0.710.620.520.460.420.38

  (3)软氮化-激光淬火复合强化层的组织特征

  激光淬火后表层组织,激光淬火层的组织有三层:第一层为白亮层,第二层为含氮马氏体层,第三层为无氮马氏体层。

  图3a中为激光淬火后软氮化表层白亮层,软氮化白亮层是由ε相、γ`相和含氮的渗碳体Fe3(C,N)所组成,Fe3(C,N)所形成的化合物具有良好的热硬性、较好的抗大气和淡水腐蚀性能,这说明在一定工艺参数下激光淬火后对软氮化的白亮层任然可以保留在工件表面,使工件表面任然具有很好的热硬性、较好的抗大气和淡水腐蚀性能。

  图3b中为软氮化激光淬火含氮马氏体层,与软氮化区组织对比(见图1b),可以看出经过激淬火后软氮化扩散层的组织为隐针状含氮马氏体,主要要是由于扩散层中的γ`相经过激光快速加热快速冷却而转变为马氏体,与固溶体中的氮所形成的氮化物结合在一起,本身激光淬火所形成的马氏体组织由于冷速极快,碳原子来不及扩散,因此具有比传统淬火更好的耐磨性能,相比软氮化中的扩散层组织而言,转变为隐针状含氮马氏体的组织具有更高的硬度和耐磨性能。

  图3c中为软氮化激光淬火无氮低碳马氏体层,图中可以看出马氏体主要形态以板条状为主,相对含氮马氏体层而言,硬度明显下降。

  (4)激光淬火工艺参数对软氮化硬度影响

  表4中为激光淬火表层硬度,结合表2激光淬火工艺参数,从表中可以看出,当软氮化层表面出现微熔状,软氮化表层的硬度反而出现硬度小幅度下降的现象,原因可能是激光功率过高,氮化层出现熔化,表层中的部分亚稳态的ε相发生分解,形成高压分子氮向表面逸出,从而导致硬度下降。从表2的工艺参数选取表面状态好的工件进行分析,图4中为激光淬火横截面硬度,从硬度曲线来看,软氮化层的硬度在经过激光淬火前硬度不到600HV0.1,经过激光淬火后,复合强化层的硬度有不同程度的提升。

  图4为表面未熔态的复合强化层横断面的硬度分布,表面约0.4mm层深处,显微硬度明显高于软氮化层,此层为含氮马氏体层,在激光非平衡加热和冷却条件下,形成含C、N的过饱和隐针马氏体,强化效果显著,硬度明显高于软氮化层。激光淬火层的次表面,由于软氮化层深度有限,此层为无氮马氏体层,硬度明显低于表层。与软氮化层相比,软氮化激光复合处理明显提高硬化层的层深和硬度,会大幅提升工件的承载能力。

  表4 激光淬火表层硬度

  激光功率/W10009001200110014001300

  扫描速度/ mm·min-1360360600600840840

  表层硬度HV0.1618632752847736767

  3.结语

  (1)软氮化层深为0.43mm,经过激光淬火复合强化后,硬化层深度增加。在扫描速度较慢时,激光功率对硬化层深影响更大些;随着扫描速度的增加,激光功率对层深的影响逐渐减小。

  (2)复合强化层表面为隐针状含氮马氏体,次表面为无氮马氏体。

  (3)激光功率过高导致基体熔化后,软氮化层的表面硬度有一定下降;当激光功率为1100W,扫描速度为600mm/min时,激光复合强化淬硬层硬度能达到890HV0.1,硬化层深为0.6mm,为最佳复合强化工艺。

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