軸承表面的激光相變硬化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、材料的表面處理有很多種方法，采用先進(jìn)的表面改性手段可強(qiáng)化軸承工作表面，提高軸承工作可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命，應(yīng)用激光對(duì)軸承表面實(shí)施相變硬化處理(激光淬火)則是一門新技術(shù)。本文結(jié)合安徽省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)資助項(xiàng)目“軸承表面的激光硬化關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)研究”(編號(hào)：KJ2009A021)，研究GCr15鋼試樣及軸承滾道表面激光相變硬化的各種關(guān)鍵問題，為軸承滾道表面強(qiáng)化提供了新途徑，將基礎(chǔ)研究與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，具有實(shí)際意義。
　　 選用

2、CO2激光器進(jìn)行GCr15軸承滾道表面激光相變硬化處理試驗(yàn)。運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，用光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM，F(xiàn)EI ESEM XL30)進(jìn)行GCr15軸承鋼激光表面改性后的顯微組織和形貌尺寸特征分析。選擇合適的激光淬火參數(shù)，以保證激光表面改性層有足夠的硬化層深度和高的硬度值，有更加細(xì)小的馬氏體組織。結(jié)果表明，經(jīng)激光相變硬化后軸承滾道表面硬度得到提高，且隨著激光功率的增加，淬硬層的深度與硬度增加，硬化層深

3、度最多可以達(dá)到0.8～0.9mm。組織細(xì)化和過飽和的隱晶馬氏體的形成是硬度提高的主要原因。
　　 對(duì)激光相變硬化處理后的GCr15鋼試樣，使用X射線衍射儀對(duì)淬硬層的殘余奧氏體含量和殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，激光強(qiáng)化區(qū)由于碳的溶解形成較多的殘余奧氏體和細(xì)小的未溶碳化物。激光相變硬化后試樣表面為壓應(yīng)力，且隨著激光功率的增大而變大。
　　 對(duì)激光相交硬化處理后的GCr15鋼試樣進(jìn)行不同溫度的回火處理，并與經(jīng)常規(guī)熱處理后

4、的GCr15鋼試樣進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，激光淬火組織的回火穩(wěn)定性明顯提高。借助掃描電鏡觀察得知，回火穩(wěn)定性提高的原因是激光淬火后奧氏體和淬火馬氏體的合金濃度得到了提高。
　　 對(duì)GCr15鋼軸承滾道表面激光淬火處理過程進(jìn)行數(shù)值模擬，討論激光工藝參數(shù)對(duì)軸承滾道表面激光淬火處理后相變硬化區(qū)寬度和深度的影響，得到與實(shí)驗(yàn)比較吻合的結(jié)果。模擬結(jié)果表明激光工藝參數(shù)固定時(shí)，激光掃描開始、結(jié)束階段的溫度場(chǎng)有明顯的不同，導(dǎo)致沿激光掃描方向硬度分

5、布的不均勻性和激光掃描開始、結(jié)束階段淬硬層深度分布的不均勻性。探討了改善硬化層深度分布均勻性和表面硬度均勻性的方法。
　　 將激光強(qiáng)化后的GCr15鋼和常規(guī)熱處理的GCr15鋼試樣在干摩擦條件下的磨損行為進(jìn)行比較，以評(píng)估其磨損行為。激光強(qiáng)化后的GCr15鋼相對(duì)于常規(guī)熱處理的GCr15鋼，由于其微觀結(jié)構(gòu)造成的高的強(qiáng)韌性而導(dǎo)致磨損率的提高。常規(guī)熱處理試樣和激光強(qiáng)化試樣的磨損機(jī)制相同，同為磨料磨損和氧化磨損，同時(shí)拌有粘著磨損存在。激光

6、強(qiáng)化后材料的熱穩(wěn)定性提高，這使激光相變硬化區(qū)具有較高的抗回火軟化能力。
　　 在油潤(rùn)滑條件下比較激光強(qiáng)化后試樣和常規(guī)熱處理試樣的耐磨性。激光強(qiáng)化GCr15鋼的摩擦學(xué)特性略好一點(diǎn)，激光硬化層因其組織硬化、高硬度和高韌性而導(dǎo)致磨損率(10-6mg/N·m數(shù)量級(jí))低于常規(guī)熱處理GCr15鋼。在穩(wěn)定狀態(tài)，激光強(qiáng)化后試樣的摩擦系數(shù)與常規(guī)熱處理試樣的摩擦系數(shù)沒有明顯的區(qū)別。激光強(qiáng)化后試樣和常規(guī)熱處理試樣兩者的磨損機(jī)制基本相同，均為輕微磨料磨

7、損和疲勞磨損。
　　 研究了不同激光功率對(duì)硬化后的最終顯微組織、硬度和耐磨性的影響。激光參數(shù)變化引起顯微組織發(fā)生變化，造成表面硬度值和磨損率較大的差異。激光功率增大時(shí)，激光硬化層表面未溶碳化物量減少，從而表面馬氏體中含碳量增加，表面硬度增高。在干摩擦和油潤(rùn)滑兩種條件下，激光功率越大，激光硬化層的抗磨損性性越好。在干摩擦磨損過程中激光表面改性層發(fā)現(xiàn)摩擦誘發(fā)的馬氏體相變。
　　 對(duì)激光相變硬化處理后的GCr15鋼試樣進(jìn)行三點(diǎn)

8、彎曲試驗(yàn)，研究激光硬化層對(duì)鋼件抗彎強(qiáng)度和撓度的影響。彎曲試驗(yàn)時(shí)材料的塑性用各試樣的最大撓度來表示。結(jié)果表明，經(jīng)激光硬化處理后鋼件的抗彎強(qiáng)度和撓度明顯下降，斷裂機(jī)制發(fā)生改變，導(dǎo)致了激光硬化層塑性和韌性的下降。對(duì)常規(guī)熱處理試樣和激光表面處理試樣斷口也進(jìn)行對(duì)比分析，常規(guī)熱處理試樣斷裂后斷裂表面均表現(xiàn)出韌性斷裂后的韌窩特征，激光硬化層起裂區(qū)呈現(xiàn)脆性斷裂特征，斷裂方式主要為準(zhǔn)解理和沿晶斷裂。
　　 綜上所述，軸承表面的激光相變硬化可以產(chǎn)生