GCr15鋼表面激光硼化研究

2013-09-27 王瑞蘭州物理研究所表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

　　在已經(jīng)過常規(guī)淬火的GCr15 軸承鋼表面，利用脈沖Nd: YAG 激光進(jìn)行了B4C 粉末硼化改性處理。采用掃描電子顯微鏡、X 射線衍射儀、顯微硬度儀及摩擦磨損試驗(yàn)儀器對激光硼化處理后改性層的顯微組織及性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:激光硼化改性層由樹枝晶的FeB、Fe2B 和基體組成，改性層的表面硬度高達(dá)HV1560，相比處理前硬度提高了81.8%，硬化層深度約為150 um，磨損率相比處理前降低了67.55%，激光硼化后GCr15 鋼表面的硬度和耐磨性能顯著提高。

　　軸承是機(jī)械制造裝備中廣泛應(yīng)用的通用部件之一，其性能和壽命對整個系統(tǒng)質(zhì)量有著非常關(guān)鍵和決定性的影響。如果軸承在高速、高溫、重載、腐蝕等惡劣工作條件下運(yùn)行，將導(dǎo)致軸承提前失效。硼化物因具有高熔點(diǎn)( 2300~ 3300 K) 、低電阻率、高硬度和高穩(wěn)定的特點(diǎn)，是改善各類鋼表面性能的首選材料，而在鋼表面形成具有高硬度、耐磨損、抗氧化和腐蝕的硼化層，常用的主要手段為熱化學(xué)表面改性方法；而利用激光在鋼表面進(jìn)行硼化處理是更為先進(jìn)的處理技術(shù)，其能量密度高度集中，激光作用時間短等特點(diǎn)，部件完成改性處理后幾乎無變形，并且可以獲得硬度值在1200~ 2000VHN 的硼化改性層，其突出的特點(diǎn)為可以進(jìn)行任何曲面部件的局部表面硼化處理，因而激光硼化是優(yōu)選處理技術(shù)。

　　本工作利用毫秒量級脈沖激光在已經(jīng)過常規(guī)淬火熱處理的GCr15 軸承鋼表面進(jìn)行了硼化處理，并利用X 射線衍射(XRD) 儀、掃描電鏡(SEM) 等分析儀器對改性層的組織結(jié)構(gòu)，改性層剖斷面硬度梯度和耐磨損性能進(jìn)行了深入分析。

1、實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1、實(shí)驗(yàn)材料

　　激光硼化的材料選用經(jīng)過常規(guī)淬火熱處理的GCr15軸承鋼，硬度HV857.91=HRC66，磨損率1.88× 10^-5 mm3/m.N；制作的樣品尺寸為6 mm × 7 mm×30 mm。

表1 選用的GCrl5 鋼試樣化學(xué)成分

選用的GCrl5 鋼試樣化學(xué)成分

　　滲硼劑選用粒度為280 目、含量為90% ( 含約10% 的游離碳) 、外觀為黑灰色晶狀的B4C 粉末。

1.2、實(shí)驗(yàn)方法

　　首先用膠水與B4C 粉末均勻混合，調(diào)成粘稀的混合物，然后均勻涂刷于清洗干凈的GCr15 鋼表面,并保持厚度在0.15~ 0.3 mm 之間。如果涂覆層太厚，激光處理后容易形成很脆的B4C 涂覆層，在室溫條件下將其晾干。

　　激光器為波長11064 um 的Nd: YAG 脈沖激光,其平均功率為500W，單脈沖能量最大40 J。在實(shí)驗(yàn)的過程中通過工藝優(yōu)化，最后采用了脈沖能量為1216 J、脈寬為3 ms、頻率10 Hz、光斑直徑為1.5mm、激光束相對移動速度為10 mm/ s 的激光硼化工藝參數(shù)。

　　在大氣環(huán)境下采用同軸氣流保護(hù)裝置進(jìn)行GCr15 鋼表面硼化處理，保護(hù)氣流采用高純氮?dú)? 純度99.99%) ，通過控制氣流量大小在氣流保護(hù)區(qū)域內(nèi)形成層流模式的保護(hù)氣流，以排開空氣起到保護(hù)作用，若保護(hù)氣流形成湍流容易混入環(huán)境中的氧氣。保護(hù)氣流的大小約為5000 ml/min( 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) 時可形成層流模式，能夠獲得無氧混入的硼化改性層。耐磨性能測試: 試驗(yàn)參數(shù)為滑速( X) 0.428 m/ s,載荷50 N；實(shí)驗(yàn)周期60 min；對磨材料GCr15 鋼環(huán)。磨損率用單位力矩上磨損的體積量表示。

　　硬度測試: MH-5-VM 顯微硬度儀。載荷: 25 gf,時間: 5 s。XRD 測試儀器為Philips PW3710。SEM 為JSM-6610 A。