周勇

(江西理工大学机电工程学院 江西赣州 341000)

45钢是一种被广泛应用于机械制造行业中的优质碳素结构钢，常用来制造各种零件部，例如齿轮、轴承和轴套等[1-2]。它价格低廉，易于机械加工，并且经过调质处理后具有优异的综合力学性能，但其硬度和耐磨性能不足，有待进一步提高[3]。实际工程运用中，很多零部件(如齿轮、轴承、轴套等)常常运行在弯曲、扭转等交变载荷及摩擦、高温腐蚀等恶劣的工况下，这就要求零部件不仅要具有耐磨、耐腐蚀的表面，而且其心部材料要有足够的韧性和强度以抵抗交变载荷及变形。同时，磨损已经成为机械零部件失效或报废的主要方式。在我国，零件和元件因磨损的损失是一年100亿元，造成了巨大的材料消耗[4]。所以，如何提高零部件表面的硬度和耐磨性能是一个亟待解决的问题。目前，解决该问题的工艺方案就是激光表面强化处理。

激光表面强化是利用高能激光照射材料表面，使其在短时间内迅速升温，然后切断激光源，快速冷却，从而使材料表层得到相变硬化的热处理工艺。该工艺过程有如下特点：因加热和冷却时间短，表层材料的晶粒迅速细化成奥氏体[5-6]；被加热的材料受到空气的冷却会发生自淬火而得到贝氏体或马氏体[7-8]；表层材料因为非稳态相和固溶体而具有高硬度、耐磨性和耐腐蚀性能[9]。目前，国内外激光表面处理技术主要有激光重熔、激光熔覆和激光表面淬火等。这些技术都是通过利用高能激光作用在材料表面使其晶体结构发生变化，从而使材料的硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能得到了提升。

大量研究表明，激光加工工艺参数对材料表面强化层的性能有重大的影响，具体参数有激光功率、扫描速度、光斑直径和搭接率等。激光加工工艺参数的变化能改变激光束能量的大小，试样表面所能吸收的能量就会随之变化，材料晶体结构也会发生不同的变化，从而使得试样表面的显微硬度和耐磨性能发生较大差异。近年来，有不少学者对单个工艺参数对激光强化层性能的影响规律进行了试验研究。然而，材料表面的综合性能是众多复杂因素交互作用的结果，单独考虑一个因素的影响规律不全面也不精确。因此，本文作者采用正交试验方法，利用激光表面强化技术在45钢表面制备了激光强化层，并测试了该强化层的显微硬度和磨损率，然后采用正交分析方法评价测试结果，旨在获得最佳的激光加工工艺参数。

1 试验材料与方法

1.1 基体材料

试验材料选用直径为60 mm的钢棒，其化学成分及物理性能如表1、2所示。试验前，利用锯床将45钢棒加工成厚度为10 mm的小板块后，再用铣床将其加工成50 mm×20 mm×10 mm的小方块，然后对试样进行840 ℃×0.3 h(保温后水冷)+600 ℃×1 h(保温后空冷)的调质处理，最后用目数为600、1 000和1 500的砂纸依次打磨试样，直至其表面光洁且无杂物。

表1 45钢化学成分Table 1 Chemical composition of 45 steel %

表2 45钢物理性能Table 2 Physical properties of 45 steel

1.2 试验设备

激光表面强化所选设备为东莞奥信激光焊接设备有限公司生产的型号为AXL-700AW激光重熔机；选用型号为HR-150A的洛氏硬度仪测量45钢表面激光强化层的显微硬度；利用型号为 MMG-10 高温摩擦磨损试验机进行耐磨性能试验，摩擦方式为大销盘式摩擦，摩擦过程中摩擦试验机自动实时记录摩擦因数，摩擦磨损试验参数：载荷为400 N，转速为200 r/min，试验温度为25 ℃，试验时间为30 min。用型号为 STM7 的光学显微镜观测激光强化层的磨损形貌。依据Archard的简单磨损计算理论，磨损率的计算公式如下：

式中：ω是磨损率(mm3/(N·m))；V是磨损体积(mm3)，V=AD，A是磨损轨迹的横向面积，D是磨损轨迹的直径；F是法向载荷(N)；L是总的磨损滑动距离(m)。

1.3 试验方法

评价材料表面性能的指标众多，其中显微硬度对零部件的使用寿命起着至关重要的作用[10]，而磨损率是最能直观衡量材料耐磨性能的标准[11]。所以，文中选择显微硬度和磨损率这2个指标作为正交设计的评价指标。为了保证显微硬度测量值的精确性，测试时沿着试样表面激光扫描方向等距离取10个点作为测量点进行测量，并取10个测量值的算术平均值作为最终的显微硬度值。每组磨损率的最终取值均为该组工艺参数条件下3次试验数据的平均值。

选择激光功率、扫描速度、光斑直径和脉宽4个激光加工工艺参数作为正交试验因素，各因素之间无交互作用且均有3个水平值，依据四因素三水平的试验原理L9(34)进行试验，该正交试验的因素水平如表3所示。

表3 正交试验的因素和水平表Table 3 Factorand levels of orthogonal testTable

2 试验结果与分析

2.1 正交试验优化分析

各组不同激光加工工艺参数下所得的激光表面强化层的显微硬度及磨损率测量结果如表4所示。

文中采用实用而且直观简单的极差分析方法来处理正交试验数据。同时，运用综合加权评分的方法来评价试样表面的综合性能。该方法可用以下公式[10]表示：

Yi=mi1ni1+mi2ni2+......+mijnij

式中：mij是指标系数；nij是试验指标值；下标i,j代表第i号试验的第j个指标值。

2个试验指标的浮动范围是：

K1=57.5-49.5=8，K2=21.3×10-5-8.7×10-5=

12.6×10-5

假设综合评分总分为100分，显微硬度和磨损率满分均为50分，则指标系数为(磨损率越大则试样表面性能越差，故此系数为负值)：mi1=50/K1=6.25,mi2=50/K2=-3.97

表4 正交试验表及综合性能分析结果Table 4 Orthogonal testingTable and analytical results of comprehensive performance

故各组试验的综合评分的计算公式为：Yi=6.25×ni1-3.97×ni2，各因素的综合评分如表4所示。由综合得分的极差计算结果可以得到：4种因素对激光强化层性能影响程度的主次顺序是光斑直径、脉宽、扫描速度、激光功率。

图1所示是4个因素对综合评分的影响示意图。分析认为：(1) 光斑直径即激光束的加工范围的大小，它决定了单位时间内整个试样接受能量的密度，而表面材料的吸收能量的多少直接影响着其晶体的变化行为，故该因素对表面材料综合性能的影响最显著[12]；(2)脉宽就是激光输出的时间，时间越短能量越高。该因素也显著影响着材料吸收能量的多少；(3) 扫描速度决定了熔池加热和冷却的速度。扫描速度较低时，熔池的熔融时间长，凝固速度慢，会形成组织均匀的结构。另外，熔池内热量积累较多，晶核在较长的凝固时间内会生长出粗大的晶粒，导致平均硬度降低[13]。扫描速度较高时，晶核来不及生长即开始凝固，形成了细小的晶粒，强化层的平均硬度会增大[4]；(4)激光功率即单位时间内激光器释放的激光能量的多少。增大激光功率会使激光能量密度变大，被熔材料将会增多，同时熔池的尺寸变大，熔融区和热影响区范围被扩大，最终导致激光强化层的厚度增大[14]，强化层的组织会更加均匀；但如果激光功率过大，在熔池内的材料会产生“汽化”，从而使激光强化层的孔隙率增大，同时在熔融区和冷却区的截面处会因为温度梯度过大而产生裂纹或者内应力曲变[15]。

图1 各因素对综合评分的影响示意图Fig 1 Sketch map of the influence of various factors on the comprehensive scores

经过上述的计算和分析，可以确定激光表面强化的优化工艺参数为：激光功率650 W，扫描速度100 mm/min，光斑直径4 mm，脉宽2.4 ms。

2.2 激光优化工艺验证试验2.2.1 优化前后显微硬度和磨损率比较

采用上述优化工艺参数在45钢表面制备激光强化层，以检验在该工艺条件下所制备的试样表面强化层的显微硬度和磨损率的综合评分值是否为最高值。试验结果显示，显微硬度的平均值为HRC56.4 ，磨损率为9.3×10-5mm3/(N·m)。则其综合评分的计算公式为

Y=mi1×ni1+mi2×ni2=6.25×56.4-3.97×9.3=315.58

同表4中其他工艺组合所制备的表面强化层比较可知，采用正交优化参数制备的强化层具有较高的显微硬度值和较低的磨损率，故其综合性能最好。如图2所示为表4中工艺参数优化前3、5、7号试样及优化后试样的表面显微硬度值的对比。可以看到：优化后试样的激光强化层硬度值分布较为均匀，且其硬度值也较高。如图3所示为表4中工艺参数优化前2、4、6号试样与优化后试样的磨损率，可知优化后试样的磨损率明显降低。

图2 参数优化前后试样显微硬度对比Fig 2 Comparison of microhardness of samples before and after parameter optimization

图3 参数优化前后试样磨损率对比Fig 3 Comparison of wear rate of samples before and after parameter optimization

2.2 磨损形貌

图4所示为表4中工艺参数优化前2、4、6号试样与优化后试样的激光强化层的磨损形貌对比。由图4(a)可以看到：第2号试验试样表面出现了裂纹，同时有表面材料的脱落，其磨损机制是典型的疲劳磨损。该强化层的性能最差，因而其综合得分也最低。图4(b)中的试样磨损表面有大量的沟纹和条痕，磨损机制是磨粒磨损。由图4(c)中试样磨损表面的锥刺和脱落坑，可以判断其磨损机制是黏着磨损，磨损试验时会有大量的表面材料的损失。由图4(d)可以看到：采用正交优化参数制备的试样，其磨损表面仅有一些微小的划痕，这说明其硬度值很高，耐磨性能也得到了提高。可见，采用正交优化的激光加工工艺参数达到了优化效果，制备出了显微硬度值高、耐磨性能优异的激光表面强化层。

图4 参数正交优化前后试样激光表面强化层磨损形貌Fig 4 Wear morphology of laser surface hardening layer of samples before and after parameter optimization

3 结论

(1)4种参数对45钢激光强化层综合性能影响程度的主次顺序是光斑直径、脉宽、扫描速度、激光功率。

(2)利用正交实验得到的45钢激光强化最优工艺参数是：激光功率650 W，扫描速度100 mm/min，光斑直径4 mm，脉宽2.4 ms。

(3)采用正交优化工艺参数制备的激光强化层的显微硬度值为HRC55.4，磨损率为9.3×10-5mm3/(N·m)。

(4)优化前试样磨损机制为疲劳磨损、磨粒磨损、黏着磨损，优化后试样磨损表面仅有一些微小的划痕，耐磨性能明显改善。