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激光衝擊改（gǎi）善 W6Mo5Cr4V2（M2）高速鋼刀具材料耐磨性的研究

2020-3-31 來源：無錫（xī）工藝職業江蘇大學機械工程學（xué）院作者：吳健周建忠孟憲凱

摘要（yào）：目的研究激光衝擊強化（LSP）技術對 M2 高速鋼材料表麵抗磨損性能的影響。方法采用高功率短脈衝的強激光束對 M2 試樣進行激光衝擊處理，然後用顯微（wēi）硬度計測量試樣衝（chōng）擊區橫（héng）截麵上的縱向顯微硬度，用磨損試驗機對衝（chōng）擊處理前後的試樣進行磨損（sǔn）實驗。結果在鋁箔塗層、流水約束層作用下對 M2 高速鋼試樣（yàng）進行激光衝擊（jī）強化處理，試樣強化層中的（de）奧氏體晶粒（lì）顯著（zhe）細化。試樣衝擊區橫截麵上形成了由表及裏（lǐ）的縱向顯微硬度梯度，獲（huò）得了深約 0.6 mm 的硬化層，表層（céng）材料顯微硬度峰值高達 70HRC 左（zuǒ）右，比基體硬度提高 10%左右。激光衝（chōng）擊處理後的 M2 試（shì）樣表麵較光潔，磨痕較少，磨痕底部相對平滑，犁溝深度較淺，磨損量較小，穩定磨損階段較長，表麵呈（chéng）現較好的（de）抗咬合性和較高的（de）耐磨性。結論經激光衝（chōng）擊處理後，M2高速（sù）鋼材料強化層所獲得的（de）較細晶粒和較高硬（yìng）度有效改善了表麵抗磨（mó）損性能，進一步提高了 M2 高速鋼（gāng）刀具的切削性能與使用壽命。

關鍵詞：激光衝擊強化；M2 高速鋼；刀（dāo）具；縱向（xiàng）顯微硬度；抗磨損性能

激（jī）光衝擊強化技術（Laser Shock Processing/ Pee- ning，LSP）是一種（zhǒng）先（xiān）進高（gāo）效的表（biǎo）麵（miàn）改性技術，利用（yòng）超高功率密度（dù）、超短脈衝寬度的強激光束輻照金屬材料表麵所產生的衝擊波使表層材料發生形變（biàn）強化而改性，由此提高材料的顯微硬度、耐磨性、耐腐蝕性和（hé）疲勞（láo）壽命等表麵性能。其具有顯著的強化效果、精準（zhǔn）的參數控製和靈活的加工方式等（děng）特性，具備其他技術所沒有的非接觸性、無熱影響區及強化區域可控性（xìng）強等獨特優勢，已成為國內外表麵強化技術專家的（de）研究熱（rè）點（diǎn），在高周疲勞、腐蝕防護、生（shēng）物醫療、精（jīng）密成（chéng）形等多方麵得到了廣泛應用。LSP 的原理主要包括等離子體衝擊波的形成（chéng）和（hé）衝擊波（bō）對金屬材料的作用兩個方麵。當（dāng）激光束輻照塗有吸收層（céng）和約束層的金屬靶材表麵時，吸收層吸收激光能量而迅速氣化成（chéng）大量的高溫等離子（zǐ）體，該等離子體（tǐ）在約束層和靶材之間形成峰值壓力達 GPa 級的高強度衝擊波，並衝擊靶（bǎ）材表麵。由於衝（chōng）擊波（bō）峰值應力大（dà）於材料（liào）的動態（tài）屈服強度，所以表層局部材料會產生屈服而引起超高應變率的塑性變形，並出現密集、均勻、穩（wěn）定的位錯（cuò）、孿晶等晶體結構，導致表層形成殘餘壓應力場（chǎng），從而顯著（zhe）改善材料表麵的（de）力學性能[1-2]。

W6Mo5Cr4V2（M2）高速鋼屬於鎢鉬係高速（sù）鋼，兼有鎢係和鉬係高速鋼的優點，便（biàn）於機械加（jiā）工。其通用性強，應（yīng）用廣泛，可製作熱成形刀具及可承受（shòu）衝擊的結構薄（báo）弱的刀具（jù）等。磨損是 M2 高速鋼切削（xuē）刀具最常見的失效形式之一（yī）。提高金屬材料表麵耐磨性的方法較（jiào）多，包（bāo）括有機械噴丸、化學熱處理、表麵合金化、氣相沉積（jī）、激光淬火等。

目（mù）前，關於（yú）采用激光衝擊（jī）強化 M2 高（gāo）速鋼刀（dāo）具材料來改善其表麵耐磨性的研究報道還不是（shì）太多。前期對 M2 高速鋼（gāng）刀具材料試樣進行了（le）激光衝擊強化（huà）處理，並進行了金相（xiàng）組織（zhī）觀察、顯微硬度測量和殘餘應力測定等實驗。實（shí）驗研究結果（guǒ）表（biǎo）明，LSP 後（hòu），M2 高速鋼（gāng）材料強化層中的微觀組織發（fā）生了晶粒細（xì）化，表（biǎo）層材料（liào）的顯微硬度得到了提高，獲得了一定深度（dù）的（de）殘餘壓應力層。本文在前期實驗研（yán）究成果的基礎上，進（jìn）一步對激光衝擊強化處理的 M2 高速鋼刀具材料試樣進行（háng）摩擦磨損實驗，研（yán）究 LSP 對 M2 高速鋼材料表麵（miàn）耐磨性能的影響，為采用 LSP 技術（shù）提（tí）高高速鋼刀具的使用性能做有益的嚐試。

M2 高速（sù）鋼試樣的激（jī）光衝擊強化實驗原理如（rú）圖 1所示。

圖 1 M2 高速鋼刀具材料的激光衝擊強化實驗示意圖

1 、試驗

試驗材（cái）料（liào）采用 M2 高速鋼刀具坯料，退火（huǒ）態，抗彎強度為 3.5~4.0 GPa，衝（chōng）擊韌性為 0.30~0.40 MJ/m²，化學成分見表 1。

表（biǎo） 1 M2 高速鋼的主（zhǔ）要化學成分及含（hán）量

將 M2 高速鋼坯料加工成試塊，進行調質預處理：首先采用分（fèn）級淬火，即經過（guò）兩次（cì）預（yù）熱（rè）再（zài）高溫淬火（huǒ），第一次預熱溫（wēn）度 600 ℃，第二次預熱（rè）溫度 800 ℃，淬火加熱在 1230 ℃鹽浴爐（lú）中進（jìn）行，油（yóu）冷；然後進行（háng）560 ℃×1 h 的三次回火，空冷。在激光（guāng）處理前用（yòng）馬日夫鹽進行磷化處（chù）理（lǐ）。M2 高（gāo）速鋼試樣的基體金相組織主要為回火馬氏體+彌散分布的（de）細粒狀合金碳化物+極少（shǎo）量殘餘奧氏體（tǐ）的混合組織，平（píng）均硬度為 62~ 65HRC。將試塊切割成 50 mm×50 mm×5 mm 的試樣，表麵用粗細砂紙逐級打磨並拋光，用酒精除（chú）油，冷風吹幹，備用。LSP 前，為減弱金屬表麵（miàn）的高反（fǎn）射現象，增強對激光能量的吸收，並避免（miǎn）試樣表層材料受到高功率激（jī）光加熱而氣化或灼傷，采用（yòng）了（le）鋁箔作為表麵吸收層，厚度約 120 μm。為提高試樣表麵激光衝擊（jī）波的峰值壓力、增大衝擊波（bō）脈寬，並延長衝擊波（bō）的作用時間，采用了對（duì）激光（guāng）透明的流水作為約束（shù）層介質，水簾厚約 2 mm。

采用超高功（gōng）率密度、超短脈衝寬度的釹玻璃激光強化係統對 M2 高速鋼刀具試樣進行激光衝擊強化實驗，選用 Nd:YAG GAIA 激光（guāng）器，實驗參數為（wéi）：激光（guāng）波長 1064 nm，激光能量 9 J，激光功率密度 12.7 GW/ cm2，脈寬<12 ns，采用圓形光斑、半圓搭接、單麵（miàn）無重複衝擊，光斑直徑為 3 mm。激光衝擊前後的 M2試樣外觀如圖 2 所示。

圖 2 激光衝（chōng）擊處理前後的 M2 試樣（yàng）外觀對比圖

衝擊實驗後，將 M2 高速鋼試樣表麵（miàn）打磨、拋（pāo）光至（zhì）無劃痕（hén）。采用線切割法將試樣沿衝擊區橫截麵切開，並將截麵磨平拋光（guāng）。采用 HR-150A 洛氏硬度計測定衝擊區橫截麵上的顯微硬度，由表及裏每隔 100 μm 測試 3 次（cì），取其算術平均值。在大氣和（hé）室溫環境下，采用 MM-200 型磨（mó）損試驗機（jī）進行摩擦磨損實驗，采（cǎi）用球-平麵往複幹摩擦方式（shì）。從激光衝擊處理前後的長方體試樣上各切取 25 mm× 10 mm×5 mm 的小試樣作為磨損試樣，將其 25 mm× 10 mm 的表（biǎo）麵磨平並拋光後，在該表麵進行摩擦磨損實驗。磨損實驗前，將試樣放入超聲波清（qīng）洗機中用酒精清洗，然後幹燥。對磨偶件為φ6 mm 的 GCr15 軸（zhóu）承鋼摩擦球（qiú），其經 860 ℃淬火、油冷（lěng）、160℃低溫回火、空冷處理後的硬度為 65HRC。對（duì）磨試樣（yàng）之間完全接觸，先在低速下預磨，然後轉（zhuǎn）為高速對磨，對磨線速度為 20 m/min，轉速為 400 r/min，在幹摩擦條件下將（jiāng）載荷加至 300 N。試（shì）樣的磨損量用精度為 0.01 mg 的精密天平進行測量（liàng） , 磨損（sǔn）試樣的磨痕形貌在X650 型掃描電鏡（jìng）下進行觀察與分析[3-6]。

2、實（shí）驗結果

2.1 縱向顯（xiǎn）微硬度分布

對（duì） M2 試樣衝擊區橫截麵由（yóu）表及裏進行顯微硬度測量（liàng），顯微硬度（dù）分布如圖 3 所示。硬度曲（qǔ）線表明，M2 試樣衝擊區橫截麵上形成了縱向顯（xiǎn）微硬度梯度，硬化層深度達 0.6 mm 左右。其中，表層硬度最高，約 70HRC，芯部硬度最低，接近基體硬度的 63HRC，說明表層硬度比基體硬度提高了 10%左右。這是因為M2 試（shì）樣表層材（cái）料受強激光快速衝擊（jī）後，大部（bù）分碳（tàn）化物已溶入基體，且主要微量素均勻分布在（zài）碳化物中。在（zài）衝擊波的爆（bào）轟作用、空氣與靶材基體的雙重激（jī）冷作用（yòng）下，奧氏體的保溫時間極短，其來（lái）不及長（zhǎng）大，產生晶粒細化（huà），而未溶碳化物也（yě）阻礙奧氏體晶粒的長大，從而使單位體積內（nèi）的晶粒數量增多（duō），晶界密度增大。而且，由於位錯滑移和（hé）孿（luán）生組織的協調作用，微（wēi）觀組織產生了（le）重構（gòu），引起了劇烈的塑性變形，形成（chéng）了高密度位（wèi）錯、晶格畸變的馬氏體位錯與孿晶等（děng）缺陷。位錯密度的增加提高了材料抵抗變形外力的能力，即提高了材料的（de）屈服極限，從而提高了硬度。同（tóng）時，產生了一定深度的殘餘壓應力層。細化致密的微觀晶粒、複雜的（de）馬氏體亞結構、較高的固溶含碳量、碳化物的析（xī）出強化以及表層形成的殘餘壓應力場等因素都有效提（tí）高了 M2 高速鋼（gāng）試樣的表麵硬度。

另外，快速的激光衝擊對 M2 試樣深層材料的影（yǐng）響不太明顯。通過分析可知，激（jī）光衝（chōng）擊波在金屬材料（liào）內部傳播的過程中，衝擊波能量（liàng）隨深度的增加而減小，其峰值壓力隨傳播距離的增加呈指數（shù）衰減。靶材表層材料受到的衝擊波較強，對材料的強化效果也較強，形成了較為致密（mì）的組織。因此，晶界強化、彌散強化、位錯與孿晶亞結構強化等綜合作用導致了表層的高硬度。隨著傳播距離的增（zēng）加，芯部材（cái）料的強化效果隨著衝擊波能量的減小而減弱，位錯缺陷程度變小，顯微硬度降低。當（dāng）應力波峰（fēng）低於材料的強度（dù）極限時，材料不再發生塑性變形，由此形成了由表及（jí）裏的硬度梯度。因此，激光強衝擊應力波使金屬表麵以下（xià）一定（dìng）深度範圍內的材料得到（dào）了強（qiáng）化。硬度梯度的形成既可以（yǐ）改善表層材料的抗磨損性能，又可以保持芯部材料的良好（hǎo）韌性。此外，高（gāo）密度位錯可以阻礙材料的滑移和疲勞裂（liè）紋的擴展，有利於提高材（cái）料的抗（kàng）疲勞強度。以（yǐ）上結果對提（tí）高 M2 高速鋼刀具的使用性（xìng）能都（dōu）有積極作（zuò）用[7-13]。

圖 3 M2 試樣激光衝擊區橫截麵上的縱（zòng）向顯微硬度分布圖

2.2 表麵抗磨損性能

圖（tú） 4 為 M2 高速鋼試樣經激光衝擊處理前後的表麵磨痕對比圖。由圖可以明顯看出，在相同的磨損條件下，LSP 前（qián） M2 試樣的表麵磨痕為較深的犁溝，磨痕底部出現了（le）明顯的裂紋和磨粒脫（tuō）落，磨損比較嚴重，主要表現為剝落磨損。LSP 後 M2 試樣的磨痕較少（shǎo），犁（lí）溝深度較淺，磨痕底部相對平（píng）滑（huá），表麵（miàn）較光潔，有輕微的片狀脫落，主要表現為磨粒（lì）磨損。這說明激光衝擊強化可以提高 M2 高速（sù）鋼材料（liào）表麵（miàn）的抗磨損能力。

圖 4 M2 試樣經激（jī）光（guāng）衝擊處理前後（hòu）的表麵磨痕形貌對比（bǐ）圖

圖 5 為 M2 高速鋼試樣（yàng）經激光衝擊處（chù）理前後表（biǎo）麵（miàn）材料磨損量與磨損時間的（de）關係曲線。對比（bǐ）磨（mó）損量曲線（xiàn）可知，0～30 min 為跑合階段，由於（yú）磨損初期（qī）的（de）試樣表麵存在（zài）粗糙度，微凸體接觸麵積小（xiǎo），接觸應力大，磨（mó）損速度較快，磨損量較大。隨著（zhe）摩擦的（de）進行，在一定載荷作用下，摩擦表麵的微觀幾何形狀發生了改變（biàn），微凸體逐漸被磨平，實際接觸麵積逐漸增大，應力變小，變為彈性接觸，磨損速度逐漸減慢，進入了穩定磨損階段。此階段（duàn）的磨損量曲線較平坦，試樣（yàng）表麵材料的（de）磨損量隨著摩擦過（guò）程的（de）進（jìn）行增加緩（huǎn）慢。其中，經激光衝擊處理（lǐ）試樣的穩定磨損階（jiē）段為 30～120 min，而未經激（jī）光處理試樣的穩定磨損階段為 30～90 min。120 min 以（yǐ）後為劇烈磨損階段，磨損速度急劇增加。在整個試驗過程的各個階（jiē）段（duàn），經（jīng）激光衝擊處理後試樣的表（biǎo）麵磨（mó）損（sǔn）程度均明顯低於未（wèi）經激光衝擊處理試（shì）樣，且穩定磨損（sǔn）時間（jiān）較長。在磨損（sǔn）時（shí）間均為 210 min 時，未經激光衝擊處（chù）理試樣的表麵磨損量達到 4.0× 10−3 g，而經激光處理後試樣的表麵磨損量為 2.5×10−3 g，說明經激光處理後，試樣的磨損量減少了，耐磨性得到了提高。

圖 5 M2 試樣（yàng）經激光衝擊處理前後的磨損量曲線對比

分析其原因，材料表麵的（de）耐（nài）磨（mó）性與硬度成正比，表（biǎo）麵硬度越低，越易發生塑（sù）性（xìng）流動，越容易“咬死”。提高表麵硬度，硬化層中的細小組織可以（yǐ）減少微觀切削效應，有效抵抗摩擦拉應（yīng）力，抑製疲勞裂紋萌生和顆粒剝落，降低磨粒磨損程度，提高（gāo）表麵耐磨（mó）性（xìng）。激光衝擊處理促（cù）進了殘留奧（ào）氏體向（xiàng）較硬馬氏體的轉變，使微觀組織發（fā）生了（le）晶粒細化，同時促進了彌散性碳化物析出，提高了 M2 高速鋼試樣的表麵硬度，增（zēng）強（qiáng）了（le）材料表麵的屈服強度，使材料的抗咬合性提高，摩擦係數降低，從而有效提高了 M2 高速（sù）鋼材料的表麵抗磨損（sǔn）性能，延長了穩定磨損階段。此外（wài），激光衝擊強化所產生的表層殘餘應（yīng）力場還起到了調節試樣所承受載荷的作用，提高了延緩（huǎn）疲勞（láo）裂紋萌生的能力，增（zēng）強（qiáng）了疲勞裂紋的閉合效應。疲勞裂紋萌生的延緩與閉合效應既可以提高材料的失效抗力，延長材料的疲勞壽命，又可以有效（xiào）改善材料的（de）耐磨性（xìng）能[14-20]。

3 、結論

1）激（jī）光衝擊強化使 M2 高（gāo）速鋼刀具材料（liào）強化層中的奧氏（shì）體晶粒顯著細化，所產（chǎn）生的馬氏體位錯（cuò）與孿晶的複雜亞結構、碳化物的固溶強化（huà）與析出強化、一定深度的（de）殘餘壓應力（lì）層（céng）等因（yīn）素都有效提高了材料的硬度、強度和耐磨性。

2）激（jī）光衝擊處理後，M2 高速鋼（gāng）刀具材料衝擊區橫截麵上由表及裏形成了（le）縱向顯微硬度梯度，表層材料顯微硬（yìng）度峰值高（gāo）達約 70HRC，比基體硬（yìng）度提高約10%，硬化（huà）層深度約 0.6 mm，強化效果比較（jiào）明顯。

3）激光衝擊處（chù）理後，M2 高（gāo）速（sù）鋼刀具材料所獲得的較高表麵硬度和表層殘餘壓應力場有效地改善了材料的表（biǎo）麵耐磨性（xìng），延長了穩定磨損階段，進一（yī）步提高了 M2 高速鋼刀具（jù）的切削性能與使用壽命。

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