球閥密封面激光熔凝強(qiáng)化工藝及性能的研究*

姜鶴明 ，李 勇 ，趙鑫達(dá) ，繆星旭

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院光電制造學(xué)院，浙江 溫州 325037）

奧氏體不銹鋼因具有良好的耐蝕性和冷加工性能而在閥門制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但相對(duì)較低的硬度和較差的耐磨性，縮短了不銹鋼閥門的使用壽命。在工程領(lǐng)域的應(yīng)用中，不銹鋼閥門容易出現(xiàn)磨損、劃傷甚至扭曲變形等問(wèn)題。其中劃傷和磨損與不銹鋼的硬度較低有關(guān)，因此需要提高閥門材料的硬度和耐磨性以保證其在復(fù)雜工況下正常工作[1-2]。

利用高能量密度的激光束輻照在不銹鋼基材表面，在“急熱急冷”激光熔凝強(qiáng)化處理后，可以獲得細(xì)化晶粒的組織，提高不銹鋼的硬度[3-6]。與其他表面工程技術(shù)相比，激光熔凝強(qiáng)化技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，有利于環(huán)境保護(hù)，是一種比較節(jié)能的表面處理方法[7-8]。

本文利用半導(dǎo)體激光常見(jiàn)閥門材料不銹鋼進(jìn)行熔凝強(qiáng)化處理，并對(duì)試樣的顯微組織、耐磨損性能進(jìn)行測(cè)試和分析，為研究出具有高耐磨性的球閥提供定量的試驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為 304不銹鋼，試樣尺寸為 40 mm×40 mm×15 mm，實(shí)驗(yàn)用304不銹鋼成分如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

分別采用100目、300目及800目砂紙對(duì)其表面進(jìn)行除銹處理，并用酒精清洗表面。接著，利用RFL-A1000半導(dǎo)體激光器對(duì)試樣進(jìn)行強(qiáng)化處理，激光掃描的同時(shí)采用工業(yè)用氮?dú)獗Ｗo(hù)強(qiáng)化層，減少高溫下氧化帶來(lái)的影響，掃描激光波長(zhǎng)為1 064 μm，聚焦鏡焦距為40 mm，激光光斑直徑為2.5 mm。試驗(yàn)采用激光功率為800 W，掃描速度6 mm/s。試樣激光熔凝強(qiáng)化后宏觀表面形貌及掃描路徑圖如圖1所示。

圖1 激光熔凝表面宏觀形貌和掃描路徑圖

利用電火花線切割機(jī)沿著截面方向切割激光強(qiáng)化后試樣，并對(duì)試樣進(jìn)行打磨和拋光。分別采用Lecia DM2500光學(xué)顯微鏡、HV-1000A顯微硬度計(jì)對(duì)試樣表面進(jìn)行檢測(cè)和分析。利用MSR-2T型電化學(xué)往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)儀對(duì)樣塊進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，載荷為500 g，試驗(yàn)時(shí)間為20 min。試驗(yàn)后采用Phenom XL電子顯微鏡表征其磨損形貌。

表1 304不銹鋼的化學(xué)成分 單位：%

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 顯微組織分析

將圖中強(qiáng)化區(qū)沿垂直于激光掃描方向的位置做切面，得到強(qiáng)化區(qū)橫截面形貌如圖2所示，強(qiáng)化層的組織比較致密，沒(méi)有明顯的孔隙、裂紋等缺陷，強(qiáng)化區(qū)通過(guò)激光掃描獲得的能量密度較大，深度值較高，為179.7 μm。

圖2 304不銹鋼激光熔凝側(cè)面形貌圖

單道激光強(qiáng)化層截面為月牙形，如圖2中（A）區(qū)域所示，強(qiáng)化層與基材交接區(qū)域?yàn)榻频牟ɡ诵?，如圖2中（B）區(qū)域和（D）區(qū)域所示，多道搭接處如圖2中（C）區(qū)域所示。多道搭接的激光強(qiáng)化層中有多個(gè)區(qū)域，如圖3中激光熔凝區(qū)（Re-melting Zone）、熱影響區(qū)（Heat Affected Zone）、重疊影響區(qū)（Temper Affected Zone）、基體（Substrate）。

圖3 激光熔凝多道搭接示意圖

其中，激光熔凝區(qū)（Re-melting Zone）主要為不銹鋼材料表面在激光的照射下，晶格與自由電子相碰撞而產(chǎn)生熱振動(dòng)，從而把光能轉(zhuǎn)換熱能快速升溫，進(jìn)而導(dǎo)致表層快速熔化形成熔池。由于激光高能量密度的特點(diǎn)，激光輻照區(qū)域表層的溫度升高和降低非?？焖伲@樣“急熱急冷”的過(guò)程致使晶粒生長(zhǎng)時(shí)間短，熔凝區(qū)中大部分組織形核來(lái)不及長(zhǎng)大就凝固，形成與基體相比晶粒更細(xì)小的組織[9-10]。

熱影響區(qū)（Heat Affected Zone）位于熔凝區(qū)之下，在熔凝層之下基材之上的組織，主要吸收表層的熱量，進(jìn)一步傳遞至基材。一般伴隨著吸熱和散熱的過(guò)程，熱影響區(qū)組織存在淬火區(qū)域?qū)е陆M織的變化，由于本次熔凝基材為奧氏體不銹鋼，組織并無(wú)明顯變化。在多道搭接的試樣中存在重疊影響區(qū)（Temper Affected Zone），此區(qū)域組織在一次熔凝結(jié)束后，再次受到搭接的光束輻照影響而熔化再次凝固。

激光先掃描區(qū)域由于吸收激光能量而升溫，正是存在這樣的熱積累現(xiàn)象，導(dǎo)致后掃描區(qū)域與先掃描區(qū)域相比較，熔凝強(qiáng)化層深度和寬度都有所增加[11]。

2.2 硬度測(cè)試與分析

在激光熔凝強(qiáng)化后，隨機(jī)選取試樣表層位置A和位置B取點(diǎn)測(cè)試顯微硬度數(shù)據(jù)點(diǎn)，沿著表層至基材方向垂直取點(diǎn)，每點(diǎn)間距20 μm，顯微硬度載荷300 g，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在距離表層100 μm以內(nèi)處的硬度值最高在270 HV0.3～300 HV0.3之間，100 μm～180 μm處開(kāi)始緩慢下降至200 HV0.3左右，180 μm以后硬度基本穩(wěn)定在304不銹鋼基體的硬度并且趨于穩(wěn)定。

圖4 激光熔凝側(cè)面硬度折線圖

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，激光熔凝后試樣的顯微硬度最高值位于次面層區(qū)域60 μm～80 μm處，最表層受到“急熱急冷”下應(yīng)力的影響存在一些孔隙或微裂紋等缺陷導(dǎo)致最表層顯微硬度值偏低。同時(shí)由于多道搭接的情況下熱量積累而改變了熔凝的初始條件，導(dǎo)致先掃描區(qū)域的初始溫度低于后掃描區(qū)域。

由以上顯微硬度的測(cè)試結(jié)果可知，由于激光熔凝強(qiáng)化可以獲得細(xì)化的組織，因此有效地提高了不銹鋼的表層顯微硬度。熔凝強(qiáng)化層的深度受到激光掃描速度、能量密度等工藝因素的影響，激光熔凝強(qiáng)化區(qū)域組織晶粒細(xì)化硬度明顯提高。而基材組織微奧氏體，激光熔凝過(guò)程中沒(méi)有相變發(fā)生。熔凝層次表層的平均顯微硬度最大，其最高值為294 HV0.3，這相對(duì)基體硬度提高了47%左右。

2.3 摩擦磨損測(cè)試與分析

為研究激光熔凝對(duì)試樣摩擦機(jī)理的影響，測(cè)試了未處理304不銹鋼（一號(hào)試樣，摩擦系數(shù)A）和經(jīng)過(guò)激光熔凝處理試樣（二號(hào)試樣，摩擦系數(shù)B）的摩擦系數(shù)，加載載荷500 g，測(cè)試時(shí)間為20 min。測(cè)試摩擦系數(shù)圖如圖5所示，其中一號(hào)試樣摩擦系數(shù)在2 min后逐步穩(wěn)定在1～1.3之間，摩擦系數(shù)變化幅度比較大，在4 min～6 min快速上升之后又在6 min～8 min快速下降，說(shuō)明在此階段摩擦機(jī)理出現(xiàn)變化，初步判斷是粘著磨損或疲勞磨損導(dǎo)致材料剝落的磨屑導(dǎo)致。

圖5 未處理的一號(hào)試樣（A）與激光熔凝的二號(hào)試樣（B）摩擦系數(shù)圖

對(duì)比經(jīng)過(guò)激光熔凝處理的二號(hào)試樣，摩擦系數(shù)在經(jīng)過(guò)初步的咬合期6 min后，摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定在1～1.1，之后較少出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)變化，初步判斷其中剝落的磨屑數(shù)量少于未處理的試樣。同時(shí)，二號(hào)試樣咬合期長(zhǎng)于一號(hào)試樣，是因?yàn)榻?jīng)過(guò)激光處理后的試樣硬度提高，耐磨性優(yōu)于未處理的試樣。

未處理一號(hào)試樣與激光熔凝二號(hào)試樣磨痕形貌分別如圖6（a）和（b）所示?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)激光熔凝強(qiáng)化的二號(hào)試樣比一號(hào)試樣磨損剝落的面積顯著減少，不銹鋼的耐磨損性能明顯改善。二號(hào)試樣經(jīng)過(guò)激光熔凝強(qiáng)化處理在不銹鋼表面獲得了細(xì)化的等軸晶組織，提高了組織的硬度，從而獲得更佳的耐磨損性能。

圖6（a）是未經(jīng)強(qiáng)化處理的不銹鋼表面，可見(jiàn)更為寬大，且存在較多大小不一的剝落后呈現(xiàn)黑色的區(qū)域，磨損較為嚴(yán)重；圖6（b）是經(jīng)過(guò)激光熔凝強(qiáng)化后的不銹鋼表面，其磨痕較淺、較細(xì)，且剝落的區(qū)域較少，試樣的磨損較輕微，主要磨損機(jī)制為少量的粘著磨損和少量的磨粒磨損。

圖6 未處理一號(hào)試樣與激光熔凝二號(hào)試樣磨痕形貌圖

3 結(jié)論

1）采用激光熔凝強(qiáng)化技術(shù)可在304不銹鋼表面獲得厚度達(dá)到179.7 μm強(qiáng)化層，單道熔凝層顯微硬度最高值可達(dá)290 HV0.3以上，熔凝層平均硬度約為250 HV0.3～280 HV0.3，較基材提高了25%以上。

2）激光熔凝強(qiáng)化技術(shù)顯著改善了304不銹鋼閥門的表面耐磨性能，熔凝試樣主要磨損機(jī)制為少量磨粒磨損和少量粘著磨損，熔凝層耐磨性能明顯提升。