45钢的激光淬火温度场与相变硬化区

马正和, 阿达依·谢尔亚孜旦, 刘俊杰, 古丽·尼尕尔

(新疆大学 机械工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047)

齿轮作为大多数机械的核心部件,其性能的好坏直接决定了机械的使用寿命。随着齿轮加工技术的完善、加工质量的提高以及变位齿轮的使用,齿轮齿面,尤其是啮合区的点蚀以及齿面的磨损已成为影响齿轮传动使用性能的重要因素。激光淬火可以有效解决这一问题,它依靠受激辐射光照射到试件表面,激光束的能量密度在103～105W/cm2,工件表面温度快速上升至相变点与熔点温度之间,待空冷后形成组织细密、位错密度高的马氏体。激光淬火的优势[1-2]有硬度高,速率快,热变形小,表面粗糙度变化不大,能够对不规则工件和特殊位置进行局部淬火,热影响区小以及对加工精度没有影响等。由于激光淬火的上述优势,国内外专家对激光淬火的工艺方法进行了相关研究,并取得了大量的研究成果。

1974年,某汽车公司对曲轴、活塞环和转向器壳体等汽车零件表面进行了激光淬火,大大提高了零件的耐磨性和疲劳性能[3]。2015年,惠英龙等[4]模拟了齿轮的激光硬化过程并计算了相变层的深度,但忽略了激光淬火过程中温度变化对材料物理参数的影响。2019年,Yu等[5]构建了45钢激光淬火过程的热力学耦合模型,在模型中,采用CALPHAD(相图计算)方法计算了45钢部分物理参数随温度变化的曲线,计算得出了激光淬火过程中温度变化规律,并基于响应面法计算了45钢激光淬火工艺参数对相变硬化层深度和宽度灵敏度的影响。

影响激光淬火质量的工艺参数有很多,如激光功率、扫描速度、光斑尺寸、激光入射角度等[6]。目前生产中,对激光淬火工艺参数的判断完全依赖经验或工艺试错法,此过程耗费大量的人力、物力和时间成本,不利于工艺参数的优化。因此,研究和揭示45钢淬火过程中温度和微观组织的瞬变机理是提高淬火质量的关键。随着计算机技术的发展,数值模拟为获取淬火过程的瞬态温度场和组织转变信息提供了有效途径[7]。本文通过建立考虑45钢部分热物性参数随温度变化的激光淬火热力学耦合模型,以激光功率、扫描速度、光斑直径为主要研究对象,计算了不同激光淬火工艺参数下温度场与淬硬层的分布规律,并研究了单一因素对淬硬层深度及淬硬层宽度的影响,为优化45钢激光淬火的工艺参数提供了理论依据。

1 激光淬火过程多场耦合数值模型的建立

1.1 激光淬火过程的传热模型

激光淬火过程中传热方式主要为热传导、热对流和热辐射。热传导是影响激光淬火内部传热的主要形式,也是相变硬化的主要原因。其方程可表示为[8]

(1)

式中:k是导热系数,W/(m·K);qn是工件表面的热流密度,W/m2;∂T/∂n是n方向温度梯度,K/m,负号表示热能从高温传递到低温。

热对流可通过牛顿冷却方程计算,该方程可表示为[9]

q=-h(T-TL)

(2)

式中:q为向内热通量,W/m2;h为流体的换热系数;T为工件表面温度,K;TL为环境温度,K。

在激光淬火过程中,基体与外界存在温差,Stephen-Boltzmann方程将向外的热辐射定义为

(3)

式中:q为工件表面的辐射热流密度,W/(m·K);n=1;ε为黑体辐射系数;T0为工件的环境温度,K;σ0为Stephen-Boltzmann常数,其值为5.67×108W/(m2·K4)。

激光淬火的总传热方程可表示为[10]

(4)

(5)

1.2 有限元模型的建立

通过Comsol Muitiphysics建立如图1所示试件,尺寸170 mm×70 mm×7 mm。材料元素含量见表1。

图1 基于Comsol的45钢激光淬火试件模型Fig.1 Laser quenching specimen model of the 45 steel based on Comsol

表1 45钢的化学成分(质量分数,%)

图2为由JMatpro软件计算的45钢相变曲线,图3为45钢的CCT曲线。由于在激光淬火过程中材料表面会经历较大的升温与降温梯度,材料的部分热物性参数会随着温度的变化而发生较大的转变,通过JMatpro软件计算得出45钢的导热系数、比热容、密度、电阻率等热物理参数随温度的变化曲线,并以插值函数的形式引入Comsol Multiphysics,改变模型的物理参数。整个模型为自由四面体网格,沿激光淬火方向部分细化,以确保计算的收敛性和准确性,网格的数量为27 625个域单元、5132个边界单元和344个边单元,网格划分如图4所示。根据图2和图3确定激光淬火相变硬化区和热影响区,相变硬化区T>1069 K,V>192.5 K/s,热影响区为T>1069 K,13.09 K/s

图2 45钢激光淬火过程的相变曲线(据JMatpro计算)Fig.2 JMatpro-calculated phase transformation curves of the 45 steel during laser quenching

图3 45钢的CCT曲线(据JMatpro计算)Fig.3 JMatpro-calculated CCT curves of the 45 steel

图4 激光淬火三维模型的网格划分Fig.4 Mesh division of laser quenching 3D model

2 激光淬火过程的温度场及相变硬化层分析

表2为用于模拟激光淬火过程的激光淬火参数。

表2 激光淬火模拟参数

激光在x=0,y=-35,z=3.5位置沿Y轴正方向扫描试样,计算了激光淬火过程中温度场和相变硬化区分布情况。以试样2为例,计算了0～10 s激光淬火温度场,结果如图5所示。淬火时,激光光斑位置会产生一个中心温度最高的泪滴形集中加热区。最高温度为1603.9 K。随着热源的移动,以及热传导、热对流和热辐射的综合影响,在工件表面沿相反的扫描方向产生“彗星尾”型收缩温度区,温度区的温度由内向外降低,冷却效果明显。当t=10 s时激光光斑到达终点位置,试件表面最高温度略高于其他时刻的最高温度,这是由于热堆积引起的。数值模拟能精确重现激光淬火时温度场瞬态变化过程。

图6是激光淬火时沿光斑扫描方向不同部位温度随时间的变化梯度,在激光光斑运动时,沿图6(a)采集线上各部位的温度呈规律性变化,激光光斑到达后温度显著升高,激光光斑扫过后温度随着自激冷却快速降低,不同时刻的温度变化趋势基本一致。

图6 试样2不同时刻沿激光扫描路径淬火温度变化曲线(a)激光扫描路径温度采集线;(b)不同时刻的淬火温度变化曲线Fig.6 Quenching temperature change curves of specimen 2 along laser scanning path at different time (a) laser scanning path temperature acquisition line; (b) change curves of quenching temperature at different time

图7(a)为激光扫描开始位置的温度采集线,图7(b)为采集线上不同时刻的温度变化。从图7(b)可以看出,在扫描初始时刻,基体温度为室温温度,当激光热源作用于试件后温度快速升高,温度变化情况近似于高斯分布,光斑中心处温度最高,当t=0.3 s时温度达到最大值,随着光斑的移动,温度快速降低至室温,热影响区域较小。

图7 试样2激光扫描初始位置线不同时刻的淬火温度变化曲线(a)激光扫描初始位置温度采集线;(b)不同时刻的淬火温度变化曲线Fig.7 Quenching temperature curves of specimen 2 at laser scanning initial position line at different time(a) laser scanning initial position temperature acquisition line; (b) change curves of quenching temperature at different time

图8(a)为激光扫描结束位置的温度采集线,图8(b)为采集线上不同时刻的温度变化曲线。从图8(b)中可以看出,在t=0 s时,此时,光斑离采集线较远,采集线上的温度不受光斑热的影响;t=10 s时,光斑到达采集线的位置,温度明显升高,且温度的变化规律近似呈高斯分布状态,其最大值可达1628 K。光斑经过后,在热传导、热对流和热辐射的共同作用下,降温梯度较大,温度很快降至室温,热效应明显,热影响区范围较小。

图8 试样2激光扫描终止位置线不同时刻的淬火温度变化曲线(a)激光扫描终止位置温度采集线;(b)不同时刻的淬火温度变化曲线Fig.8 Quenching temperature curves of specimen 2 at laser scanning termination position line at different time(a) laser scanning termination position temperature acquisition line; (b) change curves of quenching temperature at different time

以表2中3组激光工艺参数为例计算得出激光淬火后基体表层的相变硬化层分布状态,如图9所示。从图9中可以看出,相变硬化层宽度与相变硬化层深度受工艺参数影响明显,不同工艺参数下相变层宽度、深度明显不同。试件1的相变层深度为658.8 μm,热影响区深度为351.5 μm,相变层宽度为4513.9 μm。试件2相变层深度为569.8 μm,热影响区深度为314.45 μm,相变层宽度为4367.3 μm。试件3的相变层深度为683.4 μm,热影响区深度为358.06 μm,相变层宽度为5857.8 μm。

图9 不同工艺参数扫描后试样的硬化层分布(a)和模拟数据(b)Fig.9 Distributions of hardened layer(a) and simulation data(b)of the specimens scanned with different process parameters

3 不同工艺参数对激光淬火硬化层的影响

3.1 激光功率对硬化层的影响

激光输出功率是激光表面淬火的一个重要工艺参数[12],通常,激光输出功率越高,传递到工件表面的热流密度越大,不同激光功率扫描后试样硬化层的宽度和深度不同。

图10为光斑直径D=5 mm、扫描速度V=7 mm/s时不同激光功率扫描后试样硬化层的分布情况。可以看出,激光功率从1100 W增加至1700 W,淬硬层深度及宽度也相应的增加,当激光功率为1100 W时,淬硬层深度仅为197.5 μm,宽度为2508.6 μm,当激光功率为1700 W时,淬硬层深度与宽度分别达到了796.9、5176.4 μm。这是因为在其他条件不变时,激光功率越高,单位时间内工件表面获得的热量越大,通过热传导的作用,传递到工件层深及层宽方向的热量就越多,从而影响淬硬层的大小。值得注意的是,不能为获得更厚的淬硬层而盲目的增加激光功率,功率一旦过高,试件表面会出现熔融现象,影响材料的使用性能。

图10 不同激光功率淬火后试样的硬化层分布(光斑直径φ5 mm,扫描速度7 mm/s)Fig.10 Distributions of hardened layer of the specimens after quenching with different laser powers (spot diameter of φ5 mm, scanning speed of 7 mm/s)

3.2 扫描速度对硬化层的影响

激光扫描速度是指激光光斑相对于工件表面的位移与发生这段位移所用的时间的比值。当其他条件不变时,激光扫描速度越大,光斑在工件表面停留的时间越短,工件表面及其法向平面所能获得的热量就越低,从而影响工件相变硬化层深度与相变硬化层宽度[13]。

图11为光斑直径D=5 mm、激光功率P=1500 W时不同速率扫描后试件的硬化层分布示意图。从图11中可以看出,当扫描速度从4 mm/s向12 mm/s增大时,淬硬层深度与淬硬层宽度同时减小,这是由于,在其他条件不变时,扫描速度越小,激光光斑在工件表面停留的时间越长,单位时间吸收的热量越多,温度峰值越高,热扩散效应越明显,淬硬层深度与宽度越大。反之,扫描速度越快,单位时间内吸收的热量越少,温度峰值越低,热扩散效应不明显,甚至达不到完全奥氏体化温度,导致自淬效应失败。

图11 不同扫描速度淬火后试样的硬化层分布(光斑直径φ5 mm,激光功率1500 W)Fig.11 Distributions of hardened layer of the specimens after quenching with different scanning speeds (spot diameter of φ5 mm, laser power of 1500 W)

3.3 光斑直径对硬化层的影响

光斑直径是指作用于工件表面上具有特定形状和大小的光斑的直径。光斑直径D和功率密度q之间的关系[14]:

(6)

式中:P为激光功率;D为光斑直径。

图12为激光功率扫描速度V=7 mm/s、P=1500 W时不同光斑直径扫描后试件的硬化层分布示意图。从图12中可以看出,当光斑直径从φ4.25 mm增加到φ6.00 mm时,硬化区的深度和宽度同时降低,这是由于在其他条件(激光功率、扫描速度)不变时,光斑直径增大,光斑的能量密度减小的缘故。

图12 不同光斑直径淬火后试样的硬化层分布(扫描速度7 mm/s,激光功率1500 W)Fig.12 Distributions of hardened layer of the specimens after quenching with different spot diameters (scanning speed of 7 mm/s, laser power of 1500 W)

4 结论

1) 通过将Jmatpro与Comsol Multiphysics相结合,可以建立并计算考虑热物性参数变化的45钢的激光淬火热力学耦合模型,实现激光淬火温度场和相变硬化区的预测。

2) 激光淬火相变硬化层深度受工艺参数的影响明显,不同工艺参数下相变硬化层深度和宽度明显不同。

3) 在保证材料表面温度不超过其熔点的情况下,45钢相变硬化层深度和相变层宽度与激光功率成正相关,与扫描速度和光斑直径成负相关。