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科学新讯


第 4 卷- 2016 年 12 月刊
沉淀硬化与激光冲击喷丸复合处理压铸模具钢



图1:固溶退火状态中未处理和LSP处理的马氏体时效钢的表面粗糙度


图2:沉淀硬化状态中未处理和LSP处理的马氏体时效钢的表面粗糙度


图3:a) 研磨样品(800粒度砂纸)、b) LSP处理的样品(1.5mm激光光斑直径、2500cm2脉冲密度)、c) LSP处理的样品(2.5mm光斑直径、900cm-2脉冲密度)的表面形貌


图4:进行不同顺序的沉淀硬化和LSP之前和之后,0.05mm深度处的残余应力


图5:固溶退火的马氏体时效样品表面层在LSP之前和之后的显微硬度曲线


图6:沉淀硬化的马氏体时效样品表面层在LSP之前和之后的显微硬度曲线

简介

  激光冲击喷丸(LSP)是一种创新性[1]机械表面工程技术,用于通过降低表面的有残余压缩应力来改善金属组件的机械疲劳抗性。在LSP期间,处理组件的表面(通常通过一层薄吸收性涂层保护,并且覆盖了透明的封闭介质)暴露在高强度能量的纳秒长激光脉冲下。交互区中的材料通过激光束汽化,并且转变成等离子体,将冲击波传入至处理的材料表层,在表层上产生压应力[2]。超过金属动态屈服强度的冲击波的机械效应可在处理的表面中产生最深达1mm的残余压应力层。

  这项技术自从20世纪60年初出现后[3,4],研究人员已经研究了LSP对多种金属表面和机械属性的影响,例如不锈钢、铝合金、钛合金和铬镍铁合金等。但是,对于LSP对模具钢的表面完整性和机械属性的影响还知之甚少。近年来的研究[5-8]已表明LSP可通过产生残余压应力和引起应变硬化提高AISI M2、D2和H13等模具钢的耐磨性和热机械疲劳抗性。在本文所公开的研究中,通过分析不同激光处理和沉淀硬化阶段处理前后表面完整性的变化,研究了LSP对于马氏体时效压铸钢的影响。

实验详情

  本研究选择的材料为马氏体时效钢X2NiCoMo18-9-5(DIN 1.6358),其可用于附加值应用的结构钢,以及压铸模具钢。在820°C下将厚度为9.5mm的马氏体时效方形样品固溶退火1小时,进行空气冷却淬火处理,在480°C下进行3小时的沉淀硬化处理。热处理后马氏体时效样品的研磨表面暴露于LSP下,与使用Q开关的Nd进行传导:YAG激光操作波长为1.064μm,激光脉冲能量为2.8J,激光脉冲持续时间为10ns,且激光光斑大小为1.5mm。在一例中,LSP在固溶退火阶段和沉淀硬化阶段之间进行。为评估未处理和LSP处理后的样品的表面完整性,需要对形貌、粗糙度、表面残余应力以及深度显微硬度进行分析。

形貌和表面粗糙度

  通过测量表面轮廓的算术平均偏差Ra和最大峰谷高度Rt分析表面粗糙度。为此,使用了Surtronic 3+接触式轮廓测量仪。

  未处理和经LSP处理的马氏体时效钢样品的Ra和Rt测量结果如图1和2所示。当使用相同的LSP加工参数时,退火+淬火后的样品和沉淀硬化的样品的表面粗糙度几乎相同。使用800粒度砂纸的研磨样品的Ra和Rt总计分别为0.2μm和3μm。进行LSP后,表面粗糙度明显上升。使用2500cm-2的激光脉冲密度处理的沉淀硬化样品达到了最大表面粗糙度。从两幅图中可见,在最高脉冲密度下更大分散的Ra测量结果表明表面粗糙度较不一致。未处理和经LSP处理的样品的表面形貌的差异如图3:a-c所示。在进行LSP后,未经激光处理的样品(图3a)上的平行刮痕消失,由于剥蚀和等离子体压力的结合,其产生了许多小坑。图3c中可见该独特的图案及激光束的纵向方向,其表示经直径为2.5mm、脉冲密度为900cm-2的激光处理后马氏体时效样品的表面。通过减小光斑直径和提高脉冲密度,也可导致覆盖率提高,激光路径线因此变得难以看出(图3b)。

表面残余应力

  按照标准钻孔应变计法ASTM E837,使用2500cm-2脉冲密度对未处理和经LSP处理样品的薄表面层中的残余应力进行了分析。在该测量技术中,通过花形应变计的几何中心钻了小孔。材料去除可使存在于表面层中的残余应力放松,并可产生应变。正确连接到研究表面区域的花形应变计用于检测使用铣削导引在表面上钻孔除去材料期间产生的应变。之后,通过测量的应变计算残余应力及其方向。

  进行不同顺序的沉淀硬化和LSP之前和之后的残余应力测量结果如图4所示。各条形图表示在相应深度测量的最大和最小主应力之间的差值。如图所示,在沉淀硬化(SA+PH)后,固溶退火样品(SA)的轻微压缩状态几乎消失。低应力是在沉淀硬化温度下暴露3小时造成的轻微结果。根据该结果,在固溶退火样品(SA+LSP)和沉淀硬化样品(SA+PH+LSP)的LSP后,均成功产生了残余压应力。结果显示,即使在固溶退火和沉淀硬化(SA+LSP+PH)之间执行LSP时,也存在残余压应力。除沉淀硬化后的降低外,SA+LSP+PH的表面残余压应力相当于SA+PH+LSP的表面残余压应力。

显微硬度曲线

  通过测量显微硬度分析了未处理和经LSP处理样品表面层的显微硬度曲线。通过200g的负载和15s的负载时间实现压陷力。获得的未处理及经LSP处理的固溶退火样品和沉淀硬化样品的显微硬度曲线分别如图5和6所示。LSP前固溶退火样品的平均显微硬度总计为340 HV0.2。激光处理后,显微硬度增加为368 HV0.2,这表示存在由于冲击波的机械效应造成的应变硬化。在沉淀硬化状态中激光喷丸马氏体时效样品后,同样存在显微硬度增加的情况,如图6中所示。在LSP后,沉淀硬化的样品的平均显微硬度从669 HV0.2上升到742 HV0.2,测量的最大曲线值出现在使用2500cm-2脉冲密度处理的马氏体时效样品上。对沉淀硬化状态的显微硬度曲线的比较表明,使用较高的LSP脉冲密度时,可产生较大的应力硬化效应。即使在LSP处理的固溶退火样品进行沉淀硬化(SA+LSP+PH)后,显微硬度仍然保持增加,达到了最高值716 HV0.2。

结语

  研究了马氏体时效压铸模具钢上激光冲击喷丸和沉淀硬化的不同顺序。测量结果表明,LSP成功产生了进入表明层的残余压应力。在固溶退火后进行的LSP产生了最高的残余压应力。LSP处理的固溶退火样品在沉淀硬化后达到的表面压缩应力相当于LSP处理的沉淀硬化的样品的表面应力。表面完整性分析表明,使用较高的激光脉冲密度时,LSP后的表面粗糙度明显提高。因此,必须研究最佳喷丸参数,以避免表面处理阶段过长(这可能导致表面层中存在不必要的残余应力)。

参考文献

[1] Ding, K., Ye, L. (2006).激光冲击喷丸 — 性能和工艺模拟.伍德海地出版公司,佛罗里达州博卡拉顿.
[2] Petan, L., Ocaña, J. L., Grum, J. (2016).激光冲击喷丸对18% Ni马氏体时效钢的表面完整性的影响.机械工程期刊.第62卷.第291-298页.
[3] Askar, C. A., Moroz, E. M. (1963).射线束中蒸发物质上的压力.实验和理论物理通讯.第16卷.第1638–1644页.
[4] White, R. M. (1963).由电子轰击或电磁波吸收产生的弹性波.应用物理学杂志.第34卷.第2123-2124页.
[5] Chang, S.-H., Tang, T.-P., Tai, F.-C. (2011).通过抛喷丸处理对H13工具钢热裂解和机械属性的强化.表面工程.第27卷.第581-586页.
[6] Cho, K. T., Song, K., Oh, S. H., Lee, Y.-K., Lee, W. B. (2013).通过氮扩散对抛喷丸的H13进行表面硬化.表面和涂层技术.第232卷.第912-919页.
[7] Harada, Y., Fukaura, K., Haga, S. (2007).微粒子喷丸对结构钢表面层特性的影响.材料加工技术杂志.第191卷.第297-301页.
[8] Sawada, T., Yanagitani, A. (2010).通过1200 HV级Fe-Cr-B气体雾化粉作为抛喷丸介质进行抛喷丸的冷作工具钢的性质.材料会刊.第51卷.第735-739页.



Luca Petan(a),Researcher
邮箱:luca.petan@fs.uni-lj.si

Prof. Dr. José Luis Ocaña(b)
邮箱:joseluis.ocana@upm.es

通訊作者
Prof. Dr. Janez Grum(a)
邮箱:janez.grum@fs.uni-lj.si

(a) University of Ljubljana, Faculty of Mechanical Engineering, Slovenia

(b) Polytechnic University of Madrid, Laser Center, Spain


 
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