CrWMn冷作模具钢激光热处理组织和性能研究

张剑平，蒋克全，罗军明

(1.南昌航空大学 材料科学与工程学院，江西 南昌 330063；2.中国航空工业昌河飞机工业(集团)有限责任公司，江西 景德镇 333002)

激光强化热处理也称为激光相变硬化处理或激光淬火，其原理是利用高能密度的激光束快速扫射工件待处理部位，工件在瞬间将吸收的激光能转为热能而使工件局部温度快速上升到奥氏体化温度，在激光扫射停止后，因急冷而使奥氏体发生马氏体相变，实现工件的自冷淬火。激光相变硬化后的硬度高于普通淬火[1-3]。因此激光热处理在工业上金属构件硬化方面得到了广泛应用[4-6]。

CrWMn是冷作模具钢，经常规淬火热处理后其硬度一般在59～61 HRC左右，耐磨性较差，使用寿命较低[7-8]。目前，用于钛合金孔冷挤压强化棒，一般要求热处理后硬度为63～66 HRC，然而CrWMn冷作模具钢现有热处理工艺难于满足该要求。

本文采用激光相变硬化热处理技术对CrWMn合金进行激光表面热处理，以期获得所需的硬度和耐磨性。研究激光淬火工艺(激光功率、扫描速度等)对硬化层显微组织、结构和深度的影响规律，探讨CrWMn钢激光淬火的硬化机制，为CrWMn钢激光淬火应用奠定坚实基础。

1 实验过程和方法

基体材料为CrWMn冷作模具钢，其主要化学成分见表1。

表1 CrWMn钢主要化学成分(质量分数，%)

为了获得良好的机械性能，先对试样进行真空淬火和回火处理，作为其表面激光热处理的预处理。真空淬火炉型号为ZC2-65，回火炉型号为SX-2.5-10，工艺参数为：830 ℃× 60 min 淬火+200 ℃×3 h 火空冷，预处理后试样硬度为60～62 HRC。激光热处理前为去除表面的油污等，利用超声清洗仪对预处理后的试样进行清洗，然后用酒精擦拭干净，干燥后将试样进行1 h的磷化处理，晾干备用。为防止激光热处理对试样烧损，提出了控制试样表面温度的设想，在激光器旁配置了红外测温仪。运用红外测温仪监控试样表面的温度，然后通过调节激光的实时输出功率来调控试样表面温度。本试验所有激光热处理器型号为HGLaser6060，其工艺参数见表2，其中光斑直径为3 mm。

表2 激光热处理工艺参数

采用XJT-02型立式显微镜观察组织，HR-150A洛氏硬度计测定硬度。采用WTM-2E型磨损试验机进行磨损试验，标准磨头(上试片)为GCrl5，转速为400 r/min。

2 结果与讨论

2.1 金相组织

图1为CrWMn试样激光热处理的心部和表面显微组织(功率1.5 kW，扫描速度4.0 mm/s)。可以看出，材料经过激光强化处理后，表层的显微组织比心部的更细小，表层淬硬区组织为隐晶马氏体+合金碳化物+残留奥氏体，淬硬区组织较细小。这是因为在激光高能量密度光束照射下，工件表面产生较大的过热度，使得相变驱动力增大，导致奥氏体形核率升高；同时，弥散的碳化物阻碍了奥氏体晶粒的长大，使奥氏体晶粒超细化，最终转变为细小的马氏体组织。

(a)心部组织；(b) 表面硬化层组织图1 CrWMn试样激光热处理的显微组织(a)microstructure of core;(b) microstructure of surface hardened layerFig.1 Microstructure of CrWMn specimen by laser heat treatment

2.2 表面硬度及表面硬化层硬度梯度

表3为功率1.5 kW和不同扫描速度条件下试样的硬度值。可以看出，当扫描功率为1.5 kW时，随扫描速度增加其表面硬度先增加后减小，扫描速度为4 mm/s时其硬度最大，平均达到64.1 HRC，比真空热处理表面硬度提高了3～4 HRC。

表3 激光热处理后表面硬度值(HRC)

硬度测试部位为沿激光热处理带中间切开，经打磨抛光后，按一定间距从边沿向内部逐点测试，测试载荷为200 g。图2为激光热处理功率1.5 kW和扫描速度为4.0 mm/s条件下试样的硬度梯度分布图。从图中可以看出，激光表面热处理强化后的硬度分布曲线为表面硬度高，然后由表面向中间逐渐降低，再逐渐上升至中心区常规热处理后的硬度。这是因为激光表面强化处理过程中试样由表及里按照受热程度分为相变区、热影响区和中心区[9]。由于试样表面受到激光高能束的照射，温度瞬间升高，达到相变温度以上，从而发生相变；而且冷却速度较快，形成淬火组织导致表层硬度较高，但有时最表面会有轻微脱碳现象，因此最高硬度处有可能不是最表面。本实验表面层硬度很高，最高硬度超过920 HV。这是因为激光加热时，表面升温速度可达104～105℃/s，使工件表面的温度快速达到奥氏体化温度，随后通过自身热传递以104℃/s的冷速冷却。如此快的加热冷却过程，一方面造成很大的过热度及相变驱动力，奥氏体形核率剧增，并在快速加热的瞬间使奥氏体化晶粒来不及长大，转变成极细小的马氏体[10]；另一方面，在激光加热条件下，钢材内的原子扩散不充分，来不及进行均匀化，因此奥氏体中的碳和合金元素的偏析程度也增大，从而导致奥氏体中含碳量相似的微观区域变小。随后，在快速冷却条件下，不同的微观区域内马氏体形成温度差异性增大，也是导致细小马氏体组织形成的一个因素。

图2 CrWMn钢激光热处理后的硬度梯度分布Fig.2 Hardness gradient distribution of CrWMn steel after laser heat treatment

综上所述，激光相变硬化提高材料性能的机理是淬火过程中急热急冷，促进极细马氏体、高位错密度、高晶格缺陷和表面压应力的形成，进而提高了材料的硬度、耐磨性。从图中可以看出，表层硬度超过800 HV(相当于64 HRC)，硬化层厚度超过0.60 mm，说明其硬化层比较厚，对提高其表面耐磨性起到很好作用。紧接着相转变的区域为热影响区，该区域大小受材质本身的导热性影响而不同，其特点是硬度比正常预备热处理低。这是因为在激光强化处理前通常经过真空热处理强化，而热影响区的温度达不到相变温度，进行激光热处理强化过程中热影响区相当于进行一次高温回火，因此硬度会比中心区硬度(亦即之前常规热处理后的硬度)还要低，而且其降低幅度与构件尺寸和材质有关(实际是构件的储热能力)。最后区域为中心区，即构件真空热处理后区域，该部分区域没有受到激光热量的影响，其组织和硬度与原始一样[11]。

2.3 磨损试验

在球盘式摩擦磨损机上进行磨损试验，选择载荷400 g，摩擦副选用直径为4 mm的 Gr15小球，磨损时间为40 min。

图3为激光热处理前后磨损量对比。从图可知，激光强化处理试样磨损量比普通热处理试样的磨损量大约减少50%，这是因为常规强化处理后，从表至里，硬化层硬度呈梯度下降趋势，即表面硬度最高，耐磨性最好。但随着磨损时间的延长，表层将逐渐被磨去，其摩擦接触面的硬度值随之逐渐降低，造成磨损随之加剧，最终使零件因磨损量过大而失效。而经过激光热处理强化后，虽然在磨损过程中表层也被磨损掉，但次表层的硬度仍然较高，耐磨性较好，因而不会发生磨损随之逐渐加剧的现象，从而大大提高了模具零件的耐磨损寿命，故激光相变硬化模具的使用寿命能提高几倍甚至十几倍[12]。

图3 CrWMn激光热处理前后磨损量对比Fig.3 Comparison of the weight loss of CrWMn sample before and after laser heat treatment

图4为激光热处理前后摩擦系数的对比，由于激光热处理试样淬火层的硬度比未激光热处理试样高，从而降低了粘着磨损程度和表面粗糙度，所以其摩擦因数比未激光热处理试样低[13-14]。随着磨损试验的进行，激光淬火层被磨损掉，摩擦因数开始逐渐上升并且趋于稳定，达到0.4左右。

图4 CrWMn激光热处理前后摩擦系数对比Fig.4 Comparison of the friction coefficient of CrWMn sample before and after laser heat treatment

2.4 应用

中国航空工业昌河飞机工业集团钛合金孔冷挤压强化棒现采用CrWMn制造，目前采用真空热处理硬度59～61 HRC，在使用过程中发现其耐磨性较差，使用寿命很短，挤压一次后就报废。主要原因是CrWMn普通热处理后组织较粗大，硬度不高，耐磨性差，因而寿命差。而采用本实验工艺对钛合金孔冷挤压强化棒进行激光热处理，其表面硬度达到64 HRC以上，至少使用5次，有的甚至可以使用8～10次。目前已经使用600多根挤压棒，挤压次数均超过5次，其使用寿命显著提高且稳定。

3 结论

1)CrWMn钢激光热处理较普通热处理所获得的金相组织更细小，其表层淬硬区的组织为隐晶马氏体+合金碳化物+残留奥氏体。

2)CrWMn钢激光热处理表面硬化层厚度约为0.6 mm，且表面硬度明显高于基体。

3)CrWMn钢激光热处理较普通热处理有较好的耐磨性和更低的摩擦系数，其磨损量比普通热处理后试样的磨损量大约减少50%。

4)现场试验表明钛合金孔冷挤压强化棒采用激光热处理比普通热处理使用寿命提高5倍以上。