表面激光淬火作为1538 MV钢常规淬火和回火处理的替代方法

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表面激光淬火作为1538 MV钢常规淬火和回火处理的替代方法

来源: | 作者:huirui2019 | 发布时间: 2020-04-28 | 2024 次浏览 | 分享到:

本文旨在通过对经过表面激光淬火处理的AISI 1538 MV钢的摩擦学行为进行研究，鼓励采用激光处理作为一种环保技术来改善金属材料的机械性能，而不是传统的淬火和回火技术。滑动磨损试验是通过销钉盘法进行的。为了确定磨损机理，通过扫描电子显微镜评估盘上的磨损表面，并通过光学显微镜观察球上的磨损痕迹。结果表明，与传统方法相比，激光处理使平均摩擦系数降低了25％，磨损率降低了60％，同时保持了磨损深度，横截面和表面的硬度。
激光淬火

热处理涉及一系列旨在通过改变金属材料的初始晶体结构来改善其机械性能的工艺。这些过程之一是常规的淬火和回火（CQT）处理，该处理用于提高钢结构的机械部件的硬度，这些部件有望承受较高的表面负荷。传统的黑色材料淬火的基本原理是将工作材料加热到奥氏体化温度，然后突然冷却以获得马氏体相，这赋予了机械部件以高硬度和耐磨性。传统淬火的主要缺点之一是整个组件都会发生相变，
已经开发了几种表面硬化技术，并对汽车工业中常用的金属进行了测试，以制造齿轮，阀门，链轮，凸轮，齿轮箱，曲轴和气缸套等。这些技术，不同的硬化层的厚度已被制备，例如，感应加热处理，可以得到高达3毫米厚的硬化层上AISI 1045钢[ 1 ]，等离子弧熔化可产生50 μ中号硬化45钢[层2 ]和Telasang等报道的激光淬火（LQ）。可以产生400 μ H13钢的表面[根据米硬化层3]。尽管感应加热会产生较厚的层，但只有激光表面硬化会在复杂的几何形状中产生均匀的层，因此由于其潜在的工业用途而受到研究关注。
激光表面硬化是自1970年代以来一直使用和研究的技术。然而，工业应用的研究主要是使用功率密度范围为10 3至10 5 W / cm 2 [ 4 ]的CO 2激光器进行的。肯尼迪（Kennedy）于2004年报告说，由于功率密度的增加和与大功率二极管激光器的发展相关的激光器成本的降低[ 5 ] ，激光表面硬化技术可以在工业规模上应用。
尽管激光表面硬化是一项不断发展的技术，但诸如表面形态变化[ 6 ]和表面微观结构的不均匀性之类的问题仍然持续[ 7 ]。这些问题的主要原因是该技术涉及大量参数，例如峰值温度，加热和冷却速率以及缺乏有关微观结构随时间演变的信息。Farshidianfar最近提出了一种方法，该方法可通过使用基于红外的热成像系统进行实时热监测来控制表面LQ过程中的微观结构和几何形状[ 8]。该技术降低了所获得特性的均匀性的不确定性。其他的研究试图增加激光表面通过调查激光功率和激光扫描速度的效果上的微观结构，硬化深度和AISI的表面硬度低碳钢[硬化的可靠性8，9 ]和通过验证利用二极管的激光器代替CO 2激光器以硬化AISI 1040中碳钢[ 9，10 ]。
大多数研究人员认为，只有激光参数会影响适当的硬化层的形成。然而，Yong等。已经证明，在实际的制造过程中，通过研究非调质1538 MV钢的组织和性能演变，制造技术也起着重要作用。他们使用锻造工艺生产的曲轴，证明锻造温度和冷却工艺直接影响锻造后的析出物尺寸和分散[ 11 ]。如果改变这种钢的硬度，则其疲劳极限也会改变，如Li等人报道。[ 12 ]。
尽管已经对几种类型的钢进行了许多激光表面硬化的研究，但据我们所知，它们都没有旨在比较经激光处理的样品与通过常规技术处理的样品的摩擦学性能，以便了解经激光处理的零件在多大程度上可以可靠。避免常规淬火的主要动机是硬化整个零件所需的大量能量。这项工作比较了1538 MV钢的摩擦学性能，该钢被选为汽车行业中的代表性材料，并受到LQ和CQT的影响。研究的变量包括摩擦系数，耐磨性，晶粒形态和硬度。
激光淬火

2.1样品制备
在这项研究中，使用直径为66毫米，厚度为5毫米，典型硬度为23.31±1.75 HRC的1538 MV钢圆盘作为测试样品。热处理前后，所有样品均用SiC砂纸（粒度从120到600）研磨，以获得使用粗糙度测试仪Mitutoyo SJ400测量的粗糙度为0.1±0.03 µm的表面。
2.2。常规热处理（淬火）
按照ASM手册[ 1 ] 的建议，将三个样品在奥氏体化温度（1198 K）淬火4.5 h 。将样品完全浸入还原气氛中的容器中，并在基于聚氧亚乙基二醇的市售淬灭溶液中进行淬灭。处理后，将样品在523 K下回火4 h。
2.3。激光淬火
使用10 kW连续波1080 nm激光二极管（Laserline型号LDF 10.00-100）进行激光热处理。该设备具有三个直角坐标轴定位系统（x，y和z）和一个角度定位系统。将样品垂直于激光（z坐标）放在气动对中台上。使用3.5 mm的光斑直径，以168 mm / s的线速度扫掠30 mm的带子，以编程的热处理一步完成，以达到建议的覆盖率5.04 cm 2 / s
2.4。金相程序
从三个圆盘切出小部分，以使用光学显微镜研究横截面。按照ASTM-E3-01程序进行研磨和抛光。为了暴露微结构，使用4％的硝酸溶液将样品蚀刻8秒钟。
2.5。硬度测量
硬度测量是使用硬度测试仪（8SSA-10287）在以下三种类型的样品上进行105千克载荷和10千克预载荷的：未经热处理的样品，经激光淬火的样品以及经过常规淬火的样品-回火。另外，使用显微硬度测试仪（Shimadzu，M型，编号89188）从经过激光处理的样品的横截面中获得三个显微硬度分布图。
2.6。摩擦系数的估算
磨损测试是根据ASTM G99标准在干燥条件下使用常规摩擦计（CSM，S / N 18-259）和5 mm WC球（1500 HV）进行的，如图1所示。该球的化学成分为钴基（5-7％），其他碳化物（〜2％）和碳化钨（余量）。使用以下测试参数：5 N的负载，0.10 m / s的速度，100、200、300和500 m的滑动距离，相对于每个滑动距离的轨道半径分别为4、6、8和10 mm湿度为40±5％，室温为292±2K。
2.7。样品和WC钢球的磨损机理
通过光学显微镜（OLYMPUS，PMG-3）评估WC球的磨损痕迹，并使用扫描电子显微镜（JEOL，JSM-6360LV）评估所有圆盘的磨损机理。
2.8。磨损率估算
磨损率是根据WC球表面上产生的磨损痕迹的直径和钢盘中的轨迹区域估算的。丢失量对于每个样本，并可以使用以下等式来计算它们的对应[ 14，15 ]：其中V是损失体积，b是磨损痕迹半径，R是b << R的球体半径。磨损率估算是基于由其中V是损失体积，k是磨损常数，s是滑动距离，N是施加的载荷。因此，磨损率计算如下：

4。结论
本研究介绍了激光淬火与常规淬火和回火的比较。所获得的结果表明，经LQ处理的样品具有与CQT样品相似的摩擦学特性，因此使前者成为生态友好过程的好选择。LQ样品始终显示出降低的磨损率和平均摩擦系数；实际上，这些特征是有利的，因为如文献所示，它们直接关系到机器部件的使用寿命的增加。即使当使用常规技术和激光技术处理的样品的硬度相似时，前一种方法的磨损机制也会更严重，因此会导致磨损轨迹更深，并通过促进微疲劳引发现象而产生更大的损坏。
资料可用性
根据要求，可以从通讯作者处获得用于支持本研究结果的数据。
利益冲突
作者声明，关于本文的发表没有利益冲突。

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