激光喷丸强化对调质 40Cr 钢组织及耐磨性的影响

激光喷丸强化处理技术(laser shot peening，LSP)是利用短脉冲(ns 级)的强激光(GW/cm2 级)对金属零件表面进行辐照，在零件表面诱导高幅冲击波，使金属表层材料发生冷塑性强化的一项新技术，它是利用激光冲击波的力学效应对材料进行无屑加工的。它与利用激光热效应的激光淬火硬化、激光熔覆等技术在强化的原理上有着本质不同。它不仅具有高效、灵活、非热、非接触式等特点，且可以有效提高金属材料屈服强度、硬度、耐磨性，还可以在零件表面诱导有益的残余压应力，延长工件疲劳寿命等。该技术在国外已经开始替代传统的喷丸强化技术。

40Cr 钢是一种力学性能优良的中碳合金钢，具有较高抗拉强度、屈服强度及疲劳强度，综合力学性能较好，被广泛用作制造软齿面齿轮、凸轮、轴套、传动轴等零件。当零件承受较大动载荷作用时，其表面需要有较高的抗疲劳和抗磨损性能，因此通常对零件表面进行强化处理。传统的表面强化方法如渗碳、渗氮、氮碳共渗等往往存在处理温度高、时间长、工件变形大等缺点。采用激光喷丸强化技术改善 40Cr 钢组织及其耐磨性至今鲜见报道。

本文通过对 40Cr 调质钢进行激光喷丸强化处理及其滑动磨损试验，研究了处理后材料表层组织结构的变化，硬度梯度分布以及摩擦磨损特征，为激光喷丸强化处理技术实用化和推广提供依据和参考。

1 试验材料及方法

1. 1 试验材料

试样材料为 40Cr 调质钢，它的化学成分及其力学性能如表 1 和表 2 所示，试样尺寸为 50 mm × 50 mm × 10 mm，试样数量为 3 块，用于不同次数的强化处理。

1. 2试验方法

激光喷丸强化的方法如图 1 所示。在粗糙度较低的试样表面依次有能量吸收层和约束层。能量吸收层覆盖在试样表面，这样就避免了强激光直接辐照在金属材料表面。当试样受强激光辐照时，吸收层材料吸收激光的能量材料气化，对金属材料起着遮蔽和保护作用，避免其表面被强激光气化而造成了热损伤，本试验采用厚度为 0. 1 mm 黑漆涂层。约束层是附着在吸收层表面的透明物质层，其限制了吸收层吸收激光能量气化产生的高压等离子体的快速扩散，从而提高了冲击波的峰值压力和延长了冲击波作用时间。约束层刚性的不同，对激光冲击波压力峰值的影响不同，常用的约束层有光学玻璃、水帘等，为了满足本试验连续多点多次冲击的需要，选用流动的水帘作为约束层，其厚度在 0. 2 mm。随后就可以进行激光喷丸试验，激光冲击强化试验的光束参数为:激光波长 1054 nm，脉宽 23 ns，输出功率 20 ~ 24 J，光斑尺寸为直径8 mm，相邻光斑中心间距为 7 mm。在不同的试样上分别进行 1 次、3 次和 5 次激光强化处理。

1. 3 强化层性能测试

去除试样表面残留的黑漆，并擦净表面，用线切割沿光斑的中心切开，将切开的面研磨平整，用 3% 硝酸酒精溶液腐蚀试样，用 PHILIPS2XL30 型扫描电镜(SEM)进行组织形貌观察，采用 HV-1000 型显微硬度计测量强化层显微硬度。摩擦磨损试验在 MM- 200 型环-块摩擦磨损试验机上进行，从激光喷丸处理的 40Cr 长方体试样上切取 30 mm × 6.5 mm × 6. 5 mm的小试样作为磨损的上试样，强化层待磨损表面尺寸为 3 0 m m × 6 . 5 m m ，表面磨光 ( 表面粗糙度 Ra≤0.05 μm)，下试样(偶件)采用环形 H13 钢试样，环外圆表面激光熔覆厚度为 2 mm 的 WCP/Ni 基合金复合涂层，硬度为 63 HRC，表面粗糙度 Ra ≤ 0. 05 μm，环形试样总体尺寸为外径 40 mm，内径 16 mm，厚度为 10 mm。每个磨损试样先在低速下预磨 5 min，然后转为高速对磨，试验机转速 2 0 0 r / m i n ，磨损时间 3 0 m i n ，载荷 9 8 N ，用 1 ∶ 1 0 0 的乳化液作为冷却润滑液，上试样(试样强化层)的磨损质量损失用感量为 0. 1 mg 的分析天平称量。

2 试验结果及讨论

2. 1 扫描电子显微分析

对截取的试样进行抛光腐蚀后观察其微观组织，图 2(a)为激光处理前的微观组织，图 2(b)为激光处理 3 次后的微观组织。由图可以看出，冲击前表层的微观组织的晶粒粗大，而冲击后晶粒得到细化，位错密度得到较高。晶粒细化源于金属内部材料在高幅应力波作用下晶粒的破碎和晶格重构，是激光冲击波诱导的冲击波的力学效应，属于冷加工范畴，而非激光热效应导致温度变化引起的。晶粒的细化不仅可以提高材料的硬度和强度，而且可以阻碍金属材料的滑移和疲劳裂纹的扩展，从而提高金属的抗疲劳强度。

2. 2 显微硬度

图 3 为试样在不同冲击次数下沿厚度方向分布的硬度曲线，可以看出强化层的显微硬度较基体都有了较大提高，随着处理次数的增加，处理层的硬度有所增加，最高值可达 360 HV，与基体硬度相比，提高了 30% 左右。且在同一冲击次数下，其硬度值与表面距离近似成线性关系减小。

硬度值的提高是激光诱导的应力波对材料冷作硬化的结果，由于应力波在材料内部传播过程中其压力峰值按照指数曲线衰减。在表面，应力波峰值压力高，材料塑性变形就越充分，则硬度就越高;随传播距离增加，压力波压力减小，材料变形不充分，材料硬度就低，当应力波的压力峰值低于材料的动态屈服极限时，不能对材料起到强化作用。

2.3 磨损量

冲击的试样进行摩擦磨损试验，磨损累计的质量损失随时间的变化关系如图 4 所示。未强化处理试样在单位时间内磨损损失的质量基本上保持恒定，即曲线的斜率近似不变，冲击处理后的试样在单位时间内磨损损失的质量先大后小，曲线的斜率由小变大，最后保持不变。在摩擦磨损进行到 30 min 时间，未处理试样的磨损失重达 26. 9 mg，而经过 5 次强化处理后的试样磨损失重为 19. 1 mg，未处理试样的磨损量是处理过试样的 1. 4 倍，经过冲击处理的试样的磨损失重明显低于未处理的试样。表明材料经过喷丸处理后，其耐磨性得到明显提高，强化次数越多，材料耐磨性就越好。

材料的硬度越大，越耐磨，磨损失重就越小。材料受激光冲击强化后，硬度提高，使磨损量减小。在磨擦磨损过程中，试样的磨损由外及内，随时间增加，磨损深度增加。由于应力波在传播过程中其压力峰值逐渐衰减，对材料强化的程度逐渐减弱，使得强化层材料的强度和硬度沿深度方向增量越来越小。摩擦磨损的时间长短对应着不同的层的深度，亦即对应材料不同的强度和硬度。开始时，表面外层的硬度高，磨损损失质量小，随后次表层的硬度有所降低，磨损损失的质量就加大，当强化层被磨损穿后，其单位时间的磨损损失质量与未强化处理试样单位时间的磨损损失质量相等。

2. 4 磨损面的形貌

图 5 ( a ) 、5 ( b ) 、5 ( c ) 是进行 5 次激光强化处理后的试样经过 5、10、30 min 滑动磨损后的表面磨痕形貌。由图可以看出表面磨痕均为明显的犁沟和粘结着的碎片，即材料磨损方式以磨粒磨损和粘结磨损为主，随着磨损时间的逐渐推进，粘结磨损越来越严重，表面磨痕形貌越来越明显。

当激光处理的试样在外加力的作用下与对磨环相互接触挤压对磨时，接触面间存在弹性变形抗力和塑性变形抗力以及相互摩擦力。由于对磨环的硬度较高，对磨环上凸起的微峰很容易嵌入较软试样中，产生滑擦、耕犁作用，在滑擦作用下，试样表面只产生弹性变形，在耕犁作用下，工件材料被挤向两边产生隆起，在表面上刻划出一条沟痕，此时产生塑性变形但仍然不产生切屑，经过后续的多次挤压因疲劳断裂、脱落而形成试样失重，即磨损。在磨损过程中，脱落的硬质点也会产生耕犁。在滑动磨损达 5 min 时，由于外表层受激光冲击强化作用明显，试样表面的硬度较高，材料的强度较大，抵抗塑性变形和破坏的能力强，材料的磨痕表现不明显;在磨损经过 10 min时，试样外表层已被磨去，次表层的硬度和强度有所降低，抵抗破坏的能力降低，磨痕就越来越明显。在磨损经过 30 min 时，由图 4 可知，强化层已被磨穿，此时表面磨痕形貌就是未强化基体的磨痕形貌。

同时在对磨的过程中，弹性变形功、塑性变形功以及摩擦力所作的功转化为热，在压力和温度的作用下，接触面吸附膜被挤破，形成了新鲜的接触表面，当接触面达到了原子间的距离时，因金属分子间的亲和力而发生粘结，随着相对的运动进行，粘结处在剪切力作用下发生撕裂破坏。接触面滑动在粘结处产生连接磨损的程度与压力、温度和材料间的亲合程度有关。随着摩擦时间的延长，摩擦轮陷入材料的表面越来越深，摩擦层深度加深，材料的强度和硬度降低;同时润滑冷却越来越不充分，使温度越来越高，使材料软化越来越明显，使强度也越来越低，材料越来越容易粘结。粘结磨损就是由于剪切破坏造成的，受剪切力、粘结力以及材料不均匀性等因素的影响，材料发生撕裂破坏的方向非常复杂，如图 5(d) 所示。