汽车覆盖件模具材料激光表面相变硬化工艺与性能研究

摘要

激光相变硬化(激光淬火)是激光技术在工业中应用的一个重要领域，该技术与激光物理学、激光加工技术、金属学热处理等几门学科紧密相关。 本文以汽车覆盖件常用材料T8/T10为主要研究对象，重点研究了T8/T10碳素工具钢在不同激光淬火工艺参数下的显微硬度、组织结构、硬化层深度、硬化层宽度及耐磨性等性能。SEM分析表明：激光相变硬化层在显微组织结构上分为（1）过热区，由粗针状马氏体、残余奥氏体和未溶碳化物组成；（2）相变硬化区，由过饱和隐晶马氏体、细小弥散分布的碳化物和残余奥氏体组成；（3）过渡区，由回火索氏体和碳化物颗粒组成。激光加热材料时，根据热传导原理，表面温度高，冷却速度慢，内部温度低，但冷却速度较快。这就使得碳化物溶解和溶入奥氏体中的碳以及合金元素的扩散再分布的情况在激光加热区不同深度之间有很大差异，即奥氏体中的含碳量分布不均匀，冷却后得到不同含碳量的马氏体，致使各区域显微硬度分布不均匀。其中，均匀相变硬化区平均硬度最高，可达940HV0.1左右。通过对热处理后的试样的硬度分布测定，用金相和电镜观察金相组织的变化，认为激光热处理产生高硬度的原因是晶粒细化、高的位错密度和高的马氏体含量。 经正交实验设计结果分析得出：在其他条件不变的情况下，随着激光功率密度的增加，相变硬化层的显微硬度是先增大后减小，显微硬度越大则组织越细小，材料表面的耐磨性能也就越好，而深度、宽度则是越来越大；随着扫描速度的增加，相变硬化层的硬度也是先增大后减小，耐磨性也随硬度的增加而变得越好，但硬化层深度、宽度则越来越小。 以激光功率、扫描速度、光斑直径为参数进行正交试验设计。通过控制这三个参数，获得适合实际生产要求的显微硬度、硬化层深度、耐磨性能等。从中选出最优的激光相变硬化工艺参数。