65Mn弹簧钢表面激光淬火的显微组织及性能研究

杜成明， 朱锦云， 杨振， 李勇， 柳宁

(1.南华大学机械工程学院,湖南衡阳421001;2.衡阳中钢衡重设备有限公司，湖南衡阳421000）

0 引 言

65Mn弹簧钢是一种强度较高，具有一定塑性、韧性、弹性、淬透性和硬度的合金钢，除制造弹簧外，在制造业中也被广泛使用，其性能已达不到现代工业生产的要求。为了提高65Mn弹簧钢的性能，相关研究者使用不同的工艺方法进行探索，黄松伟等[1]采用刚玉砂轮在卧轴矩台平面磨床上对65Mn钢进行了磨削淬硬，研究了磨削方式对65Mn钢磨削淬硬层组织、显微硬度、淬硬层深度及其均匀性的影响，结果表明，磨削方式对磨削淬硬层显微组织及其显微硬度无显著影响，但随着磨削方式的改变，试件淬硬层深度及其均匀性相应改变。郭杰等[2]对65Mn钢采用QPQ盐浴复合处理技术进行表面强化改性处理，分析研究处理后试样的显微组织及性能，实验结果显示，试样经过处理后表面平整，渗层由内到外依次为扩散层、化合物层、疏松层及氧化膜。袁晓明等[3]对旋耕刀提出表面渗铬-淬火-回火热处理的工艺，经渗铬热处理后试样的摩擦因数降低。对65Mn弹簧钢采用其他工艺方法，以达到提高其性能的研究还有很多[4-6]。许多研究者还对65Mn弹簧钢采用激光处理工艺，以提高其性能，严凯等[7]对65Mn钢锯齿进行激光淬火，观察其组织和硬度；王宏立等[8]采用激光淬火在65Mn钢表面制备了硬化层，以常规淬火-回火处理为参照，对比观察两种功率下65Mn钢淬火表面的微观组织、显微硬度，并利用球-盘磨损试验机对其摩擦学特性进行研究；黄永俊等[9]在经过正火和淬火-中温回火与热处理后的65Mn弹簧钢上，分别对试样使用激光淬火和激光熔凝技术进行处理，研究了激光加工后的组织结构及显微硬度的变化规律，并探讨了其影响因素。上述实验结果都表明65Mn弹簧钢的表面性能得到改善。关于65Mn弹簧钢表面经激光淬火后可以大面积广泛使用的研究比较少。本文对65Mn弹簧钢表面采用较大直径光斑的激光进行淬火，研究经过激光淬火后65Mn弹簧钢表面的显微组织和显微硬度。研究结果对改进65Mn弹簧钢表面性能，推进激光淬火在工业生产中的大范围使用具有指导意义。

1 实验材料与方法

1.1 制备实验材料与样品

试验所使用的材料为65Mn弹簧钢板，其原始尺寸为123 mm×120 mm×5 mm，化学成分如表1所示。将试样分成两组，其中一组采用激光淬火技术进行处理，另一组作为对照组不进行处理。

表1 65Mn 弹簧钢的化学成分质量分数 %

试验采用RFL-C3300光纤激光器。淬火前为去除试样表面的氧化层及油污，将待加工表面用粗砂纸打磨，并放入丙酮和无水乙醇的混合液中在KQ-500E型超声波清洗仪中清洗。使用激光淬火技术对试样进行单道激光扫描，其工艺参数为：激光功率为1600 W，扫描速度为20 mm/s，光斑尺寸为12 mm×2 mm，空冷。

将经激光淬火后的65Mn弹簧钢，使用线切割技术沿垂直于激光扫描运动方向切割下尺寸为16 mm×6 mm×5 mm的试样，将对照组的试样同样使用线切割机床在其断面切下尺寸为16 mm×6 mm×5 mm的试样。使用XQ-2B镶嵌机对两块切割好的试样进行镶样，将切割好的试样制成横截面金相试样，然后使用砂纸对金相试样逐级进行打磨，打磨使用的砂纸的顺序依次为180目、400目、600目、800目、1200目、1500目、2000目，随后再使用PG-2A抛光机进行抛光，最后使用4%的硝酸酒精溶液对试样进行腐蚀，金相试样制备完成。

1.2 实验方法及样品检测

使用XJP-200光学显微镜观察试样表面和截面金相组织；使用JSZ6D型体视显微镜观察试样的横截面整体形貌；使用HVS-1000AV显微硬度仪检测相变硬化区的硬度，在截面上，从表面到底面每隔50 μm取一个硬度测试点进行硬度测试，载荷200 g，保压10 s，同一深度处测量5个点取其平均值。

2 实验结果与分析

2.1 显微组织

图1为经激光淬火后65Mn弹簧钢试样截面的整体形貌和显微组织，试样分为3个区域，由表及里依次为硬化层、过渡层和基体。可以看出，硬化层和过渡层的晶粒细小。

图2 为65Mn 弹簧钢经激光淬火和未处理试样的表面微观组织图。由图2(a)可见，65Mn弹簧钢经激光淬火后得到的是大量细小的针状马氏体和弥散的碳化物，马氏体具有高硬度、高强度的特点。由图2(b)可见，未经过任何处理的原始基材的表面组织主要为铁素体和珠光体。当高能密度的激光束照射在65Mn弹簧钢表面时，表面瞬间吸收光能转化为热能，当表面温度超过相变点之后，达到奥氏体状态，由于激光淬火之后试样表面温度下降很快，刚刚形成的奥氏体晶核来不及长大，最终形成了晶粒细小的针状马氏体及弥散碳化物。晶粒细小的针状马氏体和弥散碳化物是激光淬火后65Mn弹簧钢表面性能提高的原因[10]。

2.2 显微硬度

图3为65Mn弹簧钢激光淬火显微硬度曲线。由图可见，激光淬火后试样的硬化层约为300 μm，硬化层硬度为772.5～978.5 HV0.2，在硬化层以下，随着距表面距离的增加，试样截面的硬度值急剧下降，直至和65Mn弹簧钢基材的硬度值相同，趋于稳定值。激光硬化层的最大硬度值约为基材硬度值的5.4倍。分析其原因，当激光作用于65Mn弹簧钢表面时，表面温度快速升高，在基体原始组织中的铁素体和渗碳体的边界很快生成奥氏体晶核，当激光光束离开基体后，基体快速空冷，碳原子来不及扩散致使珠光体转变为含碳量较高的奥氏体，转变为均匀细小的针状马氏体晶粒及部分弥散碳化物，所以激光淬火的硬度很高[11]。

3 结 论

1)65Mn弹簧钢经过激光淬火处理后，表面呈现出月牙状弧形形变硬化区，其显微组织明显细化且分布致密，主要由针状马氏体、残余奥氏体及部分弥散碳化物组成；2)表层硬度明显提高，硬度最高值达到978.52 HV0.2，约为基材表面硬度的5.4倍，硬化层深度约为300 μm；3)在使用激光单道扫描，且工艺参数为激光功率1600 W、扫描速度20 mm/s、光斑尺寸12 mm×2 mm，空冷的条件下，65Mn弹簧钢的表面性能得到改善，对使用激光淬火大面积改善65Mn弹簧钢的表面性能具有很大影响。