45鋼的激光淬火溫度場(chǎng)與相變硬化區(qū)

馬正和, 阿達(dá)依·謝爾亞孜旦, 劉俊杰, 古麗·尼尕爾

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830047)

齒輪作為大多數(shù)機(jī)械的核心部件,其性能的好壞直接決定了機(jī)械的使用壽命。隨著齒輪加工技術(shù)的完善、加工質(zhì)量的提高以及變位齒輪的使用,齒輪齒面,尤其是嚙合區(qū)的點(diǎn)蝕以及齒面的磨損已成為影響齒輪傳動(dòng)使用性能的重要因素。激光淬火可以有效解決這一問(wèn)題,它依靠受激輻射光照射到試件表面,激光束的能量密度在103～105W/cm2,工件表面溫度快速上升至相變點(diǎn)與熔點(diǎn)溫度之間,待空冷后形成組織細(xì)密、位錯(cuò)密度高的馬氏體。激光淬火的優(yōu)勢(shì)[1-2]有硬度高,速率快,熱變形小,表面粗糙度變化不大,能夠?qū)Σ灰?guī)則工件和特殊位置進(jìn)行局部淬火,熱影響區(qū)小以及對(duì)加工精度沒(méi)有影響等。由于激光淬火的上述優(yōu)勢(shì),國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)激光淬火的工藝方法進(jìn)行了相關(guān)研究,并取得了大量的研究成果。

1974年,某汽車(chē)公司對(duì)曲軸、活塞環(huán)和轉(zhuǎn)向器殼體等汽車(chē)零件表面進(jìn)行了激光淬火,大大提高了零件的耐磨性和疲勞性能[3]。2015年,惠英龍等[4]模擬了齒輪的激光硬化過(guò)程并計(jì)算了相變層的深度,但忽略了激光淬火過(guò)程中溫度變化對(duì)材料物理參數(shù)的影響。2019年,Yu等[5]構(gòu)建了45鋼激光淬火過(guò)程的熱力學(xué)耦合模型,在模型中,采用CALPHAD(相圖計(jì)算)方法計(jì)算了45鋼部分物理參數(shù)隨溫度變化的曲線,計(jì)算得出了激光淬火過(guò)程中溫度變化規(guī)律,并基于響應(yīng)面法計(jì)算了45鋼激光淬火工藝參數(shù)對(duì)相變硬化層深度和寬度靈敏度的影響。

影響激光淬火質(zhì)量的工藝參數(shù)有很多,如激光功率、掃描速度、光斑尺寸、激光入射角度等[6]。目前生產(chǎn)中,對(duì)激光淬火工藝參數(shù)的判斷完全依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)或工藝試錯(cuò)法,此過(guò)程耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間成本,不利于工藝參數(shù)的優(yōu)化。因此,研究和揭示45鋼淬火過(guò)程中溫度和微觀組織的瞬變機(jī)理是提高淬火質(zhì)量的關(guān)鍵。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬為獲取淬火過(guò)程的瞬態(tài)溫度場(chǎng)和組織轉(zhuǎn)變信息提供了有效途徑[7]。本文通過(guò)建立考慮45鋼部分熱物性參數(shù)隨溫度變化的激光淬火熱力學(xué)耦合模型,以激光功率、掃描速度、光斑直徑為主要研究對(duì)象,計(jì)算了不同激光淬火工藝參數(shù)下溫度場(chǎng)與淬硬層的分布規(guī)律,并研究了單一因素對(duì)淬硬層深度及淬硬層寬度的影響,為優(yōu)化45鋼激光淬火的工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。

1 激光淬火過(guò)程多場(chǎng)耦合數(shù)值模型的建立

1.1 激光淬火過(guò)程的傳熱模型

激光淬火過(guò)程中傳熱方式主要為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。熱傳導(dǎo)是影響激光淬火內(nèi)部傳熱的主要形式,也是相變硬化的主要原因。其方程可表示為[8]

(1)

式中:k是導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);qn是工件表面的熱流密度,W/m2;?T/?n是n方向溫度梯度,K/m,負(fù)號(hào)表示熱能從高溫傳遞到低溫。

熱對(duì)流可通過(guò)牛頓冷卻方程計(jì)算,該方程可表示為[9]

q=-h(T-TL)

(2)

式中:q為向內(nèi)熱通量,W/m2;h為流體的換熱系數(shù);T為工件表面溫度,K;TL為環(huán)境溫度,K。

在激光淬火過(guò)程中,基體與外界存在溫差,Stephen-Boltzmann方程將向外的熱輻射定義為

(3)

式中:q為工件表面的輻射熱流密度,W/(m·K);n=1;ε為黑體輻射系數(shù);T0為工件的環(huán)境溫度,K;σ0為Stephen-Boltzmann常數(shù),其值為5.67×108W/(m2·K4)。

激光淬火的總傳熱方程可表示為[10]

(4)

(5)

1.2 有限元模型的建立

通過(guò)Comsol Muitiphysics建立如圖1所示試件,尺寸170 mm×70 mm×7 mm。材料元素含量見(jiàn)表1。

圖1 基于Comsol的45鋼激光淬火試件模型Fig.1 Laser quenching specimen model of the 45 steel based on Comsol

表1 45鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

圖2為由JMatpro軟件計(jì)算的45鋼相變曲線,圖3為45鋼的CCT曲線。由于在激光淬火過(guò)程中材料表面會(huì)經(jīng)歷較大的升溫與降溫梯度,材料的部分熱物性參數(shù)會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生較大的轉(zhuǎn)變,通過(guò)JMatpro軟件計(jì)算得出45鋼的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度、電阻率等熱物理參數(shù)隨溫度的變化曲線,并以插值函數(shù)的形式引入Comsol Multiphysics,改變模型的物理參數(shù)。整個(gè)模型為自由四面體網(wǎng)格,沿激光淬火方向部分細(xì)化,以確保計(jì)算的收斂性和準(zhǔn)確性,網(wǎng)格的數(shù)量為27 625個(gè)域單元、5132個(gè)邊界單元和344個(gè)邊單元,網(wǎng)格劃分如圖4所示。根據(jù)圖2和圖3確定激光淬火相變硬化區(qū)和熱影響區(qū),相變硬化區(qū)T>1069 K,V>192.5 K/s,熱影響區(qū)為T(mén)>1069 K,13.09 K/s

圖2 45鋼激光淬火過(guò)程的相變曲線(據(jù)JMatpro計(jì)算)Fig.2 JMatpro-calculated phase transformation curves of the 45 steel during laser quenching

圖3 45鋼的CCT曲線(據(jù)JMatpro計(jì)算)Fig.3 JMatpro-calculated CCT curves of the 45 steel

圖4 激光淬火三維模型的網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh division of laser quenching 3D model

2 激光淬火過(guò)程的溫度場(chǎng)及相變硬化層分析

表2為用于模擬激光淬火過(guò)程的激光淬火參數(shù)。

表2 激光淬火模擬參數(shù)

激光在x=0,y=-35,z=3.5位置沿Y軸正方向掃描試樣,計(jì)算了激光淬火過(guò)程中溫度場(chǎng)和相變硬化區(qū)分布情況。以試樣2為例,計(jì)算了0～10 s激光淬火溫度場(chǎng),結(jié)果如圖5所示。淬火時(shí),激光光斑位置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中心溫度最高的淚滴形集中加熱區(qū)。最高溫度為1603.9 K。隨著熱源的移動(dòng),以及熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射的綜合影響,在工件表面沿相反的掃描方向產(chǎn)生“彗星尾”型收縮溫度區(qū),溫度區(qū)的溫度由內(nèi)向外降低,冷卻效果明顯。當(dāng)t=10 s時(shí)激光光斑到達(dá)終點(diǎn)位置,試件表面最高溫度略高于其他時(shí)刻的最高溫度,這是由于熱堆積引起的。數(shù)值模擬能精確重現(xiàn)激光淬火時(shí)溫度場(chǎng)瞬態(tài)變化過(guò)程。

圖6是激光淬火時(shí)沿光斑掃描方向不同部位溫度隨時(shí)間的變化梯度,在激光光斑運(yùn)動(dòng)時(shí),沿圖6(a)采集線上各部位的溫度呈規(guī)律性變化,激光光斑到達(dá)后溫度顯著升高,激光光斑掃過(guò)后溫度隨著自激冷卻快速降低,不同時(shí)刻的溫度變化趨勢(shì)基本一致。

圖6 試樣2不同時(shí)刻沿激光掃描路徑淬火溫度變化曲線(a)激光掃描路徑溫度采集線;(b)不同時(shí)刻的淬火溫度變化曲線Fig.6 Quenching temperature change curves of specimen 2 along laser scanning path at different time (a) laser scanning path temperature acquisition line; (b) change curves of quenching temperature at different time

圖7(a)為激光掃描開(kāi)始位置的溫度采集線,圖7(b)為采集線上不同時(shí)刻的溫度變化。從圖7(b)可以看出,在掃描初始時(shí)刻,基體溫度為室溫溫度,當(dāng)激光熱源作用于試件后溫度快速升高,溫度變化情況近似于高斯分布,光斑中心處溫度最高,當(dāng)t=0.3 s時(shí)溫度達(dá)到最大值,隨著光斑的移動(dòng),溫度快速降低至室溫,熱影響區(qū)域較小。

圖7 試樣2激光掃描初始位置線不同時(shí)刻的淬火溫度變化曲線(a)激光掃描初始位置溫度采集線;(b)不同時(shí)刻的淬火溫度變化曲線Fig.7 Quenching temperature curves of specimen 2 at laser scanning initial position line at different time(a) laser scanning initial position temperature acquisition line; (b) change curves of quenching temperature at different time

圖8(a)為激光掃描結(jié)束位置的溫度采集線,圖8(b)為采集線上不同時(shí)刻的溫度變化曲線。從圖8(b)中可以看出,在t=0 s時(shí),此時(shí),光斑離采集線較遠(yuǎn),采集線上的溫度不受光斑熱的影響;t=10 s時(shí),光斑到達(dá)采集線的位置,溫度明顯升高,且溫度的變化規(guī)律近似呈高斯分布狀態(tài),其最大值可達(dá)1628 K。光斑經(jīng)過(guò)后,在熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射的共同作用下,降溫梯度較大,溫度很快降至室溫,熱效應(yīng)明顯,熱影響區(qū)范圍較小。

圖8 試樣2激光掃描終止位置線不同時(shí)刻的淬火溫度變化曲線(a)激光掃描終止位置溫度采集線;(b)不同時(shí)刻的淬火溫度變化曲線Fig.8 Quenching temperature curves of specimen 2 at laser scanning termination position line at different time(a) laser scanning termination position temperature acquisition line; (b) change curves of quenching temperature at different time

以表2中3組激光工藝參數(shù)為例計(jì)算得出激光淬火后基體表層的相變硬化層分布狀態(tài),如圖9所示。從圖9中可以看出,相變硬化層寬度與相變硬化層深度受工藝參數(shù)影響明顯,不同工藝參數(shù)下相變層寬度、深度明顯不同。試件1的相變層深度為658.8 μm,熱影響區(qū)深度為351.5 μm,相變層寬度為4513.9 μm。試件2相變層深度為569.8 μm,熱影響區(qū)深度為314.45 μm,相變層寬度為4367.3 μm。試件3的相變層深度為683.4 μm,熱影響區(qū)深度為358.06 μm,相變層寬度為5857.8 μm。

圖9 不同工藝參數(shù)掃描后試樣的硬化層分布(a)和模擬數(shù)據(jù)(b)Fig.9 Distributions of hardened layer(a) and simulation data(b)of the specimens scanned with different process parameters

3 不同工藝參數(shù)對(duì)激光淬火硬化層的影響

3.1 激光功率對(duì)硬化層的影響

激光輸出功率是激光表面淬火的一個(gè)重要工藝參數(shù)[12],通常,激光輸出功率越高,傳遞到工件表面的熱流密度越大,不同激光功率掃描后試樣硬化層的寬度和深度不同。

圖10為光斑直徑D=5 mm、掃描速度V=7 mm/s時(shí)不同激光功率掃描后試樣硬化層的分布情況?？梢钥闯?激光功率從1100 W增加至1700 W,淬硬層深度及寬度也相應(yīng)的增加,當(dāng)激光功率為1100 W時(shí),淬硬層深度僅為197.5 μm,寬度為2508.6 μm,當(dāng)激光功率為1700 W時(shí),淬硬層深度與寬度分別達(dá)到了796.9、5176.4 μm。這是因?yàn)樵谄渌麠l件不變時(shí),激光功率越高,單位時(shí)間內(nèi)工件表面獲得的熱量越大,通過(guò)熱傳導(dǎo)的作用,傳遞到工件層深及層寬方向的熱量就越多,從而影響淬硬層的大小。值得注意的是,不能為獲得更厚的淬硬層而盲目的增加激光功率,功率一旦過(guò)高,試件表面會(huì)出現(xiàn)熔融現(xiàn)象,影響材料的使用性能。

圖10 不同激光功率淬火后試樣的硬化層分布(光斑直徑φ5 mm,掃描速度7 mm/s)Fig.10 Distributions of hardened layer of the specimens after quenching with different laser powers (spot diameter of φ5 mm, scanning speed of 7 mm/s)

3.2 掃描速度對(duì)硬化層的影響

激光掃描速度是指激光光斑相對(duì)于工件表面的位移與發(fā)生這段位移所用的時(shí)間的比值。當(dāng)其他條件不變時(shí),激光掃描速度越大,光斑在工件表面停留的時(shí)間越短,工件表面及其法向平面所能獲得的熱量就越低,從而影響工件相變硬化層深度與相變硬化層寬度[13]。

圖11為光斑直徑D=5 mm、激光功率P=1500 W時(shí)不同速率掃描后試件的硬化層分布示意圖。從圖11中可以看出,當(dāng)掃描速度從4 mm/s向12 mm/s增大時(shí),淬硬層深度與淬硬層寬度同時(shí)減小,這是由于,在其他條件不變時(shí),掃描速度越小,激光光斑在工件表面停留的時(shí)間越長(zhǎng),單位時(shí)間吸收的熱量越多,溫度峰值越高,熱擴(kuò)散效應(yīng)越明顯,淬硬層深度與寬度越大。反之,掃描速度越快,單位時(shí)間內(nèi)吸收的熱量越少,溫度峰值越低,熱擴(kuò)散效應(yīng)不明顯,甚至達(dá)不到完全奧氏體化溫度,導(dǎo)致自淬效應(yīng)失敗。

圖11 不同掃描速度淬火后試樣的硬化層分布(光斑直徑φ5 mm,激光功率1500 W)Fig.11 Distributions of hardened layer of the specimens after quenching with different scanning speeds (spot diameter of φ5 mm, laser power of 1500 W)

3.3 光斑直徑對(duì)硬化層的影響

光斑直徑是指作用于工件表面上具有特定形狀和大小的光斑的直徑。光斑直徑D和功率密度q之間的關(guān)系[14]:

(6)

式中:P為激光功率;D為光斑直徑。

圖12為激光功率掃描速度V=7 mm/s、P=1500 W時(shí)不同光斑直徑掃描后試件的硬化層分布示意圖。從圖12中可以看出,當(dāng)光斑直徑從φ4.25 mm增加到φ6.00 mm時(shí),硬化區(qū)的深度和寬度同時(shí)降低,這是由于在其他條件(激光功率、掃描速度)不變時(shí),光斑直徑增大,光斑的能量密度減小的緣故。

圖12 不同光斑直徑淬火后試樣的硬化層分布(掃描速度7 mm/s,激光功率1500 W)Fig.12 Distributions of hardened layer of the specimens after quenching with different spot diameters (scanning speed of 7 mm/s, laser power of 1500 W)

4 結(jié)論

1) 通過(guò)將Jmatpro與Comsol Multiphysics相結(jié)合,可以建立并計(jì)算考慮熱物性參數(shù)變化的45鋼的激光淬火熱力學(xué)耦合模型,實(shí)現(xiàn)激光淬火溫度場(chǎng)和相變硬化區(qū)的預(yù)測(cè)。

2) 激光淬火相變硬化層深度受工藝參數(shù)的影響明顯,不同工藝參數(shù)下相變硬化層深度和寬度明顯不同。

3) 在保證材料表面溫度不超過(guò)其熔點(diǎn)的情況下,45鋼相變硬化層深度和相變層寬度與激光功率成正相關(guān),與掃描速度和光斑直徑成負(fù)相關(guān)。