激光淬火工艺参数对零件机械损伤的影响研究

来源：SCI期刊网分类：电子论文时间：2022-04-16 10:29 热度：

　　摘要: 为提升激光淬火处理后零件机械的耐磨损性能，研究了激光淬火工艺参数对零件机械损伤的影响。通过激光扫描次序与扫描轨迹确定激光淬火技术，采用分析运算的方式获取激光淬火技术中的扫描速度与激光功率两种关键参数，以两种关键参数分析激光淬火工艺参数对零件机械损伤的影响。结果表明，当扫描速度不变时，零件表面硬度与激光功率是一种反比例关系; 当激光功率不变，零件表面硬度与扫描速度呈正比例关系高，扫描速度对零件表面硬度的影响程度高于激光功率，通过选择最优激光淬火工艺参数可显著提升激光淬火处理后零件机械的耐磨损性能。

　　关键词: 激光淬火; 工艺参数; 零件机械; 耐磨损性能; 扫描速度; 激光功率

　　1 引言

　　零件机械为各类机械系统内部的关键零件，在机械系统的长久使用过程中，因机械系统内部各零件之间的自然磨损、使用场所的环境不佳及液压油的清洁度不够等原因导致其表面出现变形、开裂及脱落等损伤[1-2]，影响到机械系统的使用寿命及使用者的安全，甚至会导致诸多重大安全事故的发生[3]。因此，为提高机械系统的使用寿命，保障使用者的人身安全并有效避免安全事故的发生，需提升机械内部零件机械的承载能力与使用寿命[4]，可采用表面硬化处理的方式提升零件机械的耐磨损性能与表面硬度，降低零件机械的表面损伤[5-7]。

　　以往传统的零件机械硬化处理工艺包括表面化学热处理与表面淬火等[8]，但此类工艺具有热处理后变形过大、获取均匀分布硬化层困难等缺点[9-10]。激光具备冷却速度与加热速度均较高的特点，同时其参数与方向可调控，而激光淬火工艺属于一种强化材料表面硬度的热处理方式[11]，它能够有效解决普通热处理工艺不能解决的难题，被大量应用于冶金、五金、汽车、轻工业及机械制造等行业，因此，采用激光淬火工艺实施对零件机械表面的硬化处理，成为当前硬化零件提升零件耐磨损性能的新方式[12-13]。对于激光淬火工艺中最关键的部分即为工艺参数的合理选取，恰当的工艺参数不仅能够有效提升零件表面硬度的质量，同时能够有效增强零件的耐磨损性能，极大程度地提升零件的使用寿命[14]。

　　为了提升零件的使用寿命，研究了激光淬火工艺参数对零件机械损伤的影响，通过分析不同参数下激光淬火处理后零件的表面硬度与耐磨损性能，选取出恰当的激光淬火工艺参数组合，提升零件机械的使用寿命。

　　2 激光淬火工艺参数对零件机械损伤的影响

　　2. 1 激光淬火关键技术选取

　　2. 1. 1 激光淬火方式

　　因零件机械的形成较繁琐，激光光束无法实现一次扫描完全淬硬整个零件机械表面[15]。经研究可知，在激光光束顺着零件机械轮廓实施扫描时，零件机械各部分双面均需扫描一次，方可完全淬硬整个零件机械。并且，需运用恰当的零件偏置量才能获得顺着零件机械轮廓分布的硬化层[16]。

　　2. 1. 2 激光扫描次序选取

　　因两次激光扫描带的搭接区属于二次淬火区，在二次淬火区周围将产生一定程度的回火，因此，对于零件机械而言，激光扫描次序的选取较为关键。以齿轮为例，通常而言标准齿轮的接触疲劳区位于节圆以下的 0. 28 mm 位置，故所选取的激光扫描次序应该为先齿顶后齿根，如此不仅可保障具有一定的搭接量，而且可令回火处于较为次要的节线之上部分，对易出现点蚀的节线与节线以下部分的硬度能够予以有效保障，能够提升齿轮的疲劳强度。

　　2. 1. 3 激光扫描轨迹

　　顺着零件机械轴线的直线形与围绕轴线的螺旋形即为零件机械激光表面淬火的硬化带，对零件机械的耐磨性能影响较高。若零件机械淬火硬化带属于直线形，那么此硬化带的分布方向为顺着轴线方向，且与零件机械的运行方向垂直，容易导致硬化带出现脆性脱落现象，因此，在处理零件机械时，选取激光光束顺着轴运行方向，且具备一定搭接量的螺旋扫描方式实现激光淬火处理零件机械。如此零件机械运行方向平行于硬化带，能够有效防止零件机械硬化带出现脆性脱落现象。零件机械硬化带同回火带以交替间隔的方式分布，其中硬化带具备抗磨骨架的作用，而回火带具备储油润滑降低磨损的作用，另外，需对搭接量实施恰当的选取，以此保障不仅具备充分的储油量，同时又具备足够的硬化面积，有效提升零件机械的使用寿命。

　　螺旋式扫描的详细步骤为: 保持激光光束位置不变，在伺服电机的驱动下零件机械以回转的方式运行，并且工作台以轴向进给方式运行，将顺着零件机械轴向的激光硬化带搭接量提供给螺旋式扫描，于零件机械上所获取的扫描轨迹为螺旋线，将此种零件机械激光淬火方式称为单光束螺旋式扫描。

　　3 仿真试验结果分析选取 5 个同规格的标准直齿圆柱齿轮作为实验零件机械，其参数见表 1 所示。

　　对 5 个同规格实验齿轮实施表面磷化处理之后，在数控 CO2激光加工系统上通过 CJ-Ⅱ型激光热处理宽带扫描转镜对各齿轮实施激光淬火处理，激光淬火时针对五个齿轮选取不同的工艺参数组合，对比分析不同激光淬火工艺参数下各齿轮的损伤程度，以此检验激光淬火工艺参数对齿轮机械损伤的影响。五组激光淬火工艺参数如表 2 所示。

　　3. 1 硬度影响分析

　　齿轮的表面硬度能够直接影响到其损伤程度，故在此分析随扫描速度与激光功率变化对齿轮表面硬度的影响。激光淬火硬化处理之后齿轮的硬度重点受齿轮材料的含碳量决定，但快速冷却与加热对提升细晶强化作用有利，同样也会影响到齿轮的硬度与损伤情况。平均冷却和加热速度为 180 ℃ 至峰值温度间温差同对应时间间隔的比值，不同扫描速度与激光功率的激光淬火工艺下，平均冷却和加热速度如表 3 所示，其中，当激光功率变化时扫描速度统一为 24 mm /s，反之当扫描速度变化时激光功率统一为 780 W。

　　通过表 3 中数据可看出，在扫描速度相同的情况下，峰值温度与加热速度随激光功率的提升而提升，高温段的维持时间延长，同时平均冷却速度明显呈现降低趋势，导致细晶强化作用被削减，令齿轮表面硬度随着激光功率的提升而呈现降低趋势; 在激光功率统一的情况下，峰值温度随扫描速度的降低而呈现升高趋势，平均冷却与加热速度随扫描速度的降低而下降，同样高温段的维持时间延长，导致细晶强化作用被更大程度的削减，因而随扫描速度的下降齿轮表面硬度呈现更显著的降低趋势。

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　　综合以上分析结果可知，扫描速度与齿轮表面硬度为正比关系，激光功率与齿轮表面硬度为反比关系，并且扫描速度参数的改变对齿轮表面硬度的影响相对更高。

　　3. 2 磨损试验分析

　　为进一步检验激光淬火工艺参数对齿轮机械损伤的影响情况，在此通过对 5 组不同工艺参数的激光淬火处理后各齿轮( a ～ e) 分别实施 30 万周次磨损试验，对比分析试验结果中各齿轮磨损面的形貌、磨损面积及磨损质量损失。

　　3. 2. 1 磨损面形貌分析

　　选用 LWD300LCS 型号高倍镜显微镜观察磨损试验后各齿轮的磨损面形貌，如图 2 所示。

　　通过图 2 可看出，齿轮 c 与齿轮 e 的磨损面已产生变形，并且磨损面两端已出现飞边，齿轮表面比较粗糙且产生大面积的剥落层，磨损面组织内出现显著的表面裂纹; 齿轮 d 与齿轮 b 的磨损面也出现少许变形，相比齿轮 c 与齿轮 e 表面粗糙程度下降，且剥落层减少; 而齿轮 a 的表面光滑平整，在高倍显微镜下能够看到齿轮表面出现较为细小的剥落层，但剥落层非常浅仅在高倍显微镜下方可观察到，另外齿轮 a 断面处未出现塑性变形。

　　3. 2. 2 面积损失试验结果分析

　　采用磨损面断面面积的降低对经磨损试验后的各齿轮的磨损量实施表征，各齿轮磨损面轮廓如图 3 所示。由图 3 中齿轮初始轮廓与各齿轮磨损后轮廓的对比情况可看出，磨损前齿轮初始轮廓的凸台深度与宽度分别为 3. 2 mm 和 8 mm，齿轮 c 与齿轮 e 磨损后磨损面的凸台深度分别为 2. 7 mm 和 2. 8 mm，二者的宽度均为 8 mm; 齿轮 d 与齿轮 b 磨损后磨损面的凸台深度分别为 2. 95 mm 和 3. 0 mm，宽度同样均为 8 mm; 而齿轮 a 磨损后的磨损面深度与宽度分别为 3. 1 mm 和 8 mm。可见齿轮 a 的磨损面磨损深度较其它 4 个齿轮更浅。

　　各齿轮磨损后轮廓线所包围面积的测量结果见表 4 所示。通过表 4 能够得出，齿轮 a 的整个磨损面表面平整，深度仅比初始齿轮降低了 0. 10 mm，边缘位置产生圆角造成磨损面积微增，但磨损面的面积也仅仅减少了 0. 80 mm2 ; 而齿轮 c 与齿轮 e 的磨损面凸台深度比初始齿轮分别降低了 0. 50 mm 和 0. 40 mm，形成圆弧形的磨损面轮廓，磨损面面积较初始齿轮分别减少了 4. 00 mm2 和 3. 20 mm2 ; 齿轮 d 与齿轮 b 的磨损面凸台深度比初始齿轮分别降低了 0. 25 mm 和 0. 20 mm，磨损面面积较初始齿轮分别减少了 2. 00 mm2 和 1. 60 mm2 。五组不同激光淬火工艺参数下，各齿轮磨损面的磨损量由低到高排序依次为: a-b -d-e-c，其中磨损量最低的齿轮 a 的磨损量仅为磨损量最高的齿轮 c 磨损量的 1 /4，可见 a 组激光淬火工艺参数具有更显著的降低磨损效果。

　　3. 2. 3 质量损失试验结果分析

　　在磨损试验中，各齿轮表面持续遭受摩擦，导致因塑性挤压造成齿轮表面形成划痕，经过数次塑性变形齿轮表面出现疲劳破坏，齿轮表面材料出现脱落母体现象，因而导致齿轮出现质量损失。对磨损试验后各齿轮的质量损失实施对比，进一步检验不同激光淬火工艺参数对齿轮损伤的影响情况，对比结果见图 4 所示。通过图 4 能够得知，随着磨损次数的持续增长，各齿轮的磨损质量损失均呈现上升趋势，但其中齿轮 a 与齿轮 b 的磨损质量损失较其它三个齿轮的质量损失上升幅度小，并且最终磨损质量损失较其它三个齿轮低，其中齿轮 a 的磨损质量损失最低，齿轮 c 的磨损质量损失最高，齿轮 a 的最终磨损质量损失仅为齿轮 c 的 10. 3% ，说明，在 a 组激光淬火工艺参数下齿轮的耐磨损性能更优越。综合分析得出，a 组激光淬火工艺参数对齿轮机械损伤的影响程度最高，为 5 组参数内的最优耐磨损参数组合。

　　4 结束语

　　针对激光淬火工艺参数对零件机械损伤的影响展开研究，通过分析与运算选取出激光淬火工艺中的关键参数。针对所选取的关键参数实施硬度与磨损试验，硬度试验结果表明，扫描速度与激光功率参数均对零件表面硬度存在影响，其中扫描速度与零件表面硬度成正比，激光功率与零件表面硬度成反比; 磨损试验结果表明，不同参数组合下实施激光淬火处理后的零件，表面耐磨损性能不同，通过对比分析得出， a 组参数对零件的耐磨损性能影响最高，为激光淬火工艺 5 组参数中的最优参数组合。——论文作者：李佳霖，李疆

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