激光表面淬火工藝參數(shù)在連續(xù)輸出的條件下主要為激光器輸出功率P、光斑直徑D和掃描速度v等。表面黑化狀況等對(duì)激光表面淬火質(zhì)量有一定的影響。本文研究了激光工藝參數(shù)對(duì)用于制造矯直圈的9Cr2鋼組織和硬度的影響，為合理制定9Cr2鋼激光表面處理工藝提供依據(jù)。 

      實(shí)驗(yàn)材料為包頭光通激光技術(shù)有限公司處理的矯直圈用鋼9Cr2，加工成30 mm×30 mm×230 mm的試樣，進(jìn)行820℃加熱，保溫1h，油淬，600℃，1h回火的調(diào)質(zhì)處理，HRC=35。試樣的表面經(jīng)黑化處理后，在3 kW連續(xù)CO2橫流激光器上進(jìn)行激光表面熱處理。激光處理的主要參數(shù)：功率P =1.8，2.0，2.2，2.4 kW，掃描速度v=500，600，800，1 000 mm/min，光斑直徑D=10×1mm，進(jìn)行激光束單道實(shí)驗(yàn)。制備成金相試樣，利用大型LEICA型顯微鏡從表面每隔0.1 mm測(cè)硬度值直至基體，測(cè)出試樣側(cè)面的顯微硬度，用QUANTA400型掃描電鏡觀察其側(cè)面的顯微組織。  

       在激光掃描速度為800 mm/min的條件下，功率為2.4 kW試樣熔化區(qū)的顯微組織如圖1(a)所示。由圖1(a)可看出，熔化區(qū)由表及里依次為結(jié)晶區(qū)、相變區(qū)。當(dāng)激光的掃描速度一定時(shí)，激光的功率大，激光輸出的功率密度大，被處理的試樣的表面溫升較大，表面熔化且熔池的深度相對(duì)較深，在熔池中合金碳化物溶解量較大，熔池因?qū)α鲾嚢枳饔茫煞窒鄬?duì)比較均勻，過熱時(shí)間較長(zhǎng)，冷卻時(shí)結(jié)晶組織生長(zhǎng)比較粗大。在其下部由于加熱溫度較高，奧氏體晶粒粗大，碳和合金元素的含量較高，在隨后的冷卻中組織轉(zhuǎn)變時(shí)，形成大量大的片狀的馬氏體和殘余奧氏體組織，其中片狀的馬氏體“穿晶”形成，沿一次晶軸方向形成粗大的片狀馬氏體最長(zhǎng)可達(dá)20μm左右，和一次晶軸的尺寸相吻合且呈“閃電狀”分布，內(nèi)部可以看到有明顯的“中脊”面存在。 

       在激光掃描速度為800 mm/min的條件下，功率為2.0 kW試樣熔化區(qū)的顯微組織如圖1(b)所示。當(dāng)激光束的功率比較小時(shí)，功率密度就比較小，并且過熱度較小，試樣表面沒有發(fā)生熔化，但表面加熱溫度高，在隨后的冷卻過程中所形成的馬氏體組織粗大。

 
圖1功率為2.4和2.0 kW的熔化區(qū)的顯微組織(SEM)

       激光功率在2.4和2.0 kW相變區(qū)的顯微組織如圖2(a)，(b)所示。在熔凝區(qū)以下是相變硬化區(qū)，其溫度分布在Tm～Acl之間，組織為馬氏體、殘余奧氏體和未熔碳化物組織。在同樣的掃描速度下，由于激光功率的增加，溫度升高大，奧氏體晶粒大，碳化物溶解較充分，快速加熱形成的奧氏體含碳和合金元素的量較多，冷卻后該區(qū)域得到的顯微組織為粗大馬氏體、殘余奧氏體和合金碳化物。而激光功率小，加熱溫度較低，馬氏體明顯變細(xì)，存在較多的未熔碳化物。

 
圖2 激光功率為2.4和2.0 kW時(shí)相變區(qū)的顯微組織(SEM)

       熱影響區(qū)組織如圖3所示。熱影響區(qū)是加熱溫度的范圍在Ac1以下不太大的區(qū)域，該區(qū)域范圍內(nèi)存在一個(gè)低于基體硬度的凹谷，亦可以稱為“高溫回火區(qū)”，保持基體組織的特征，相當(dāng)于是高溫回火索氏體和大的碳化物的混合組織。

 
圖3熱影響區(qū)的顯微組織，SEM

       基體組織如圖4所示。基體由于離表面較遠(yuǎn)，在激光熱處理過程中起著傳導(dǎo)和吸收表面熱量的作用，在傳熱過程中它本身溫度并不高，所以它的顯微組織未發(fā)生任何變化，組織為回火索氏體。

 
圖4 基本的顯微組織

       當(dāng)激光功率一定時(shí)，激光束的掃描速度對(duì)顯微硬度的影響如圖5所示。從圖5中可以看出，激光束的掃描速度越小(如v =500 mm/min) ，硬化層越深。因?yàn)閽呙杷俣仍叫?，加熱時(shí)間就越長(zhǎng)，加熱區(qū)域越大，硬化層越深。

 
圖5 激光功率為P=2。4 kW時(shí)的硬度

       在激光束掃描速度一定的情況下，激光功率對(duì)硬化層顯微硬度的影響如圖6所示。從圖6中可以看到，在激光束的掃描速度一定的情況下(如v =800 mm/min)，激光功率越大，硬化層的深度就越大，所達(dá)到的峰值就越高。因?yàn)榧す獾墓β矢邥r(shí)，單位時(shí)間內(nèi)輸入到試樣的能量較多，加熱范圍擴(kuò)大，硬化層深度增加。同時(shí)加熱溫升較高，碳元素的擴(kuò)散速率較快，奧氏體含碳量相對(duì)較高，冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)可得到含碳量高的馬氏體組織，因此顯微硬度峰值就高。

 
圖6 激光束的掃描速度為v=1 000 mm/min時(shí)的硬度

        9Cr2鋼經(jīng)激光熱處理，當(dāng)激光功率較大并且激光束的掃描速度比較小的時(shí)候，處理后的區(qū)域可以劃分為：熔化區(qū)、相變區(qū)、熱影響區(qū)和基體等幾個(gè)部分，其硬化層的深度在0.4～0.8 mm之間。在激光功率較小且激光束的掃描速度較快的工藝參數(shù)下，處理后的試樣只有相變區(qū)、熱影響區(qū)和基體，最靠近表面的即是相變區(qū)，得到的組織是馬氏體、未熔碳化物和殘余奧氏體，基硬化層深度在0.2～0.6mm之間。 激光熱處理后硬度層的深度隨著激光功率的增加和激光束的掃描速度的減小而增加，在相變區(qū)的顯微硬度的峰值隨著激光功率的增加和激光束的掃描速度的減小而增大。