基于GS-25CrMo4 的激光淬火工艺研究

王伟康，段振中，唐 亮，张再利

（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司,江苏 常州 213011）

非公路自卸车是一种重型自卸车，具有运输距离短、载重量大、工作环境恶劣的特点。终传动作为其最后一级动力传动装置，承载了整车约67 %的质量。因终传动集成度较高，为保证轴承拆解、组装方便，通常将机架与轴承设置为间隙配合。由于机架配合面处硬度远低于轴承内圈，易产生微动磨损、降低机架工作精度和使用寿命[1]。因此，对机架配合部位进行表面强化研究具有十分重要的意义。

当前，常见的表面强化处理手段有渗碳淬火、感应淬火、渗氮等，采用这些传统工艺，对尺寸较大且仅局部强化的机架来说，存在工艺复杂、热影响区较大、组织分布不均匀等缺陷，无法满足使用需求。相比传统工艺，激光淬火有明显的优势。同时，在工程机械领域，GS－25CrMo4 铸钢由于其良好的力学性能，使用较为普遍，然而与之相关的激光淬火工艺却研究较少。鉴于此，对GS－25CrMo4 铸钢进行激光淬火工艺进行研究，以期通过研究此材料性能并进行相应的产品应用，同时为其他激光淬火工艺的研究提供借鉴。

1 激光淬火

激光淬火技术是利用聚焦后的激光束将材料表面迅速升温到相变点以上，当激光移开后，材料表面快速冷却到马氏体相变点以下，进而实现材料表面相变硬化。激光淬火具有加热速度极快、表面光洁度高、淬火过程无需冷却液、表面硬度高（一般不需要回火）、热影响区与变形小、易于批量生产等优点。同时，激光淬火通过保持功率及扫描速度不变，获得均匀的相变硬化层[2-3]。

激光淬火的主要性能指标为：表面硬度、有效硬化层深度、回火软带。其中，表面硬度、有效硬化层深度与材料成分、激光功率、扫描速度、材料表面的吸光率和热物理性能等有关[4-5]。为提高材料表面对激光的吸收率，保证淬火效果，通常会在激光淬火前黑化工件表面，方法为喷涂法或磷化法[6]。回火软带与多道激光淬火搭接有关。由于激光光斑尺寸一般远小于零件的淬火区域，因而通常完成整个区域的淬火需要经过多道激光淬火处理。多道激光淬火大多采用搭接方式，然而搭接区中，后道的激光淬火处理会使得部分前道所形成的马氏体发生分解，形成回火软带[7-9]。

2 研究方法与试样制备

2.1 研究方法

通过控制变量的方式分别改变激光功率、扫描速度、搭接情况，以研究GS－25CrMo4 表面硬度上限、有效硬化层深度（界限硬度45HRC）、回火软带。GS－25CrMo4 激光淬火后的表面硬度上限与其含碳量有关，其上限数值需要通过多组试验确定，因而本文采用多种激光功率、扫描速度组合进行研究，直至表面出现微熔现象，以确认其硬度上限及对应的有效硬化层深度。结合机架应用情况，优先保证表面硬度。

回火软带与搭接情况有关。搭接区域相当于二次淬火，GS－25CrMo4 作为铸钢材料，其内部存在的铸造缺陷会增加淬火裂纹风险。由于机架实际使用时为面接触，局部软带区域可被接受。因而设置搭接、不搭接多种情况，以研究搭接回火软带、淬火风险、与不搭接的区别，研究不搭接情况下的最小软带区域。

试验采用型号为ZKSX－3012 的激光设备，激光光斑尺寸为19 mm×4 mm，镜片距零件表面300 mm，通过程序控制扫描速度。

2.2 试样制备

通过线切割截取试样，其尺寸为80 mm×80 mm×200 mm。将试样进行抛光、脱脂、除锈、清洗、干燥处理。同时，为防止局部温度过高、发生灼伤现象，在试样表面涂敷吸光涂料增加吸光率，实现能量密度均匀分布[10]。试验材料为GS－25CrMo4 铸钢，GS－25CrMo4 铸钢的化学成分见表1。

表1 GS－25CrMo4 铸钢的化学成分

3 工艺过程与结果

3.1 表面硬度和有效硬化层深度

多组激光功率、扫描速度工艺条件下对表面硬度和有效硬化层深度进行研究，表面硬度和有效硬化层深度见表2。

表2 表面硬度和有效硬化层深度

从表中参数1～参数3 与参数5～参数6 可知，当扫描速度一致、激光功率增加，表面硬度提高、有效硬化层深度增加；由参数3、参数5 可知，当激光功率一致，扫描速度增加，表面硬度降低、有效硬化层深度下降，说明激光功率和扫描速度对表面硬度和有效硬化层深度影响较大，可以通过参数组合探寻其硬度上限及对应的有效硬化层深度；由参数1～参数4 可知，当激光功率1 850 W、扫描速度4 mm/s时表面出现微熔现象，说明此激光功率过大。为避免出现微熔现象、保证工艺稳定性，认为采用参数3对GS－25CrMo4 激光淬火获得表面硬度接近其上限，即激光功率1 750 W、扫描速度4 mm/s、距离300 mm。GS－25CrMo4 激光淬火表面硬度上限约52.2HRC，有效硬化层深度1.15 mm。

3.2 回火软带

回火软带通过多道激光淬火方式研究，回火软带工艺方案如表3，其中方案1 搭接，方案2、方案3、方案4 不搭接。回火软带工艺方案示意图如图1。

图1 回火软带工艺方案示意图

表3 回火软带工艺方案

图1（a）中的总硬化层深是指零件表面到显微硬度或显微组织相对于基体材料无明显变化处的最大垂直距离。多道激光淬火后，测试表面硬度。沿与激光淬火扫描垂直的方向进行金相试样截取、制样、观察截面形貌，并进行硬度测试，测试位置为距表面0.1 mm。测试时，以离搭接或间隙区边缘约1 mm 的第1 道激光扫描处为起始点，垂直于扫描方向取点，取点范围跨越1 个搭接区或间隙区。将测得的维氏硬度转换为洛氏硬度。将硬度小于45HRC 的区域定义为软带区。距表面0.1 mm 处的硬度分布曲线－软带区测试结果如图2。

图2 距表面0.1 mm 处的硬度分布曲线－软带区测试结果

工艺结果：①4 种方案淬火区域的组织晶粒等级均为7～8 级；②方案1 和方案2 先后淬火的2 道之间不存在间隙，第2 道淬火对第1 道淬火的部分硬化区域进行了回火，回火区的组织主要为回火屈氏体，方案3 和方案4 先后淬火的2 道之间存在间隙，中间保留原始的基材组织；③不同工艺距离表面0.1 mm 处的硬度均≥50HRC，方案1 淬火2 道之间的硬度约为33HRC，软带区宽度约0.5 mm，方案2淬火2 道之间的硬度约为30HRC，软带区宽度约1.1 mm，方案3 和方案4 淬火2 道之间的硬度约为21HRC（本体硬度），方案3 软带区宽度约1 mm，方案4 软带宽度约2 mm；④方案1 搭接回火区域，表面粗糙度较其他区域差。

由工艺结果①可知，淬火区域组织较好；由工艺结果②和工艺结果③可知，搭接方案的软带硬度高于不搭接方案软带硬度（本体硬度），但远小于淬火硬度，因此搭接对此区域的耐磨效果提升有限；同时，由工艺结果③可知，不搭接方案2、方案3、方案4 中，方案3 的软带区宽度最小，与方案1 搭接形成的软带宽度相差约0.5 mm，在应用上相差较小；由工艺结果④推测，其粗糙度较差是由搭接位置二次淬火导致，可能会增加裂纹风险。综合工艺结果与实际使用需求，采用方案3 可以获得最佳性能，即激光功率1 750 W、扫描速度4 mm/s、距离300 mm、偏移量20 mm。

4 工艺应用

由于机架价值高，因而一般采用与机架淬火区域相同尺寸的样圈进行验证，作为工艺评价标准。因此，采用方案3 的工艺参数对样圈进行验证。淬火时，周向间隙与轴向间隙保持一致（间隙1 mm），使中间保留基材组织。将先后2 道淬火周向闭合位置布置在非受力区域，并设置成相隔15～20 mm 的规则排列，以降低裂纹风险和微动磨损。

淬火后，淬火组织均匀细小、无缺陷，表面硬度均在50HRC～55HRC 之间，平均值52.6HRC。先后2道淬火间隙1.119 mm，总硬化层深度1.664 mm。有效硬化层深度1.2 mm（界限45HRC），与试样工艺结果一致。样圈激光淬火截面硬度梯度如图3。

图3 样圈激光淬火截面硬度梯度

对样圈淬火前后产品尺寸变化测量，发现φ250 mm 和φ300 mm 的2 档直径，淬火后尺寸变大，变化值在0.05 mm 以内，可用于工艺参考。

5 结语

1）激光功率、扫描速度对GS－25CrMo4 激光淬火后的表面硬度和有效硬化层深度影响较大，可通过控制变量的方式，通过多组试验，以表面出现微熔为判断依据进行研究。

2）回火软带性能可通过设置不同搭接情况，对比分析搭接与不搭接的区别，以确定最小软带区域。回火软带区域硬度33HRC 高于本体硬度21HRC、远小于淬火硬度（≥50HRC），此硬度用于面接触的耐磨效果不明显，同时二次淬火可能增大裂纹风险，故采用不搭接方式。

3）结合对GS－25CrMo4 激光淬火工艺研究、机架使用情况，确定工艺参数为激光功率1 750 W、扫描速度4 mm/s、距离300 mm、偏移量20 mm。激光淬火后，组织均匀细小、无缺陷，表面硬度平均值达52.6HRC，有效硬化层深度1.2 mm（界限硬度45HRC），可大大提高其耐磨性，满足使用要求。

4）对于面接触的铸钢零件，激光淬火时，建议采用不搭接方式，降低裂纹风险。

5）通过样圈工艺应用，实现了工艺二次验证，证明工艺参数有效。同时，提出周向闭环位置可根据受力情况设置。