Cr12MoV钢的高功率半导体激光表面硬化

　　激光表面硬化处理通常又称激光淬火，其主要目的是改善零件的耐磨、耐蚀和耐疲劳性能[1]。采用激光这种特殊的热源对工件表面进行硬化处理，其基本原理是用高能激光束对工件表面扫描，使被扫描的材料温度急剧升高到相变温度以上且低于熔化温度，当激光束离开后，通过热传导使加热层迅速冷却即自冷淬火，获得细小的马氏体等组织达到表面硬化的目的[2-3]。与其他常规表面淬火工艺相比较，激光淬火由于能量密度高，加热速度快，热影响区小，工件淬火应力及畸变较小。同时由于激光淬火是自冷淬火，无需冷却介质，因此生产成本较低，对环境的影响也小[4-5]。目前，国内外常采用的激光淬火器有CO₂激光器、YAG激光器以及半导体激光器[6-7]，其中半导体激光器具有结构紧凑、体积小、易于移动的特点，而且由于半导体激光器的波长较短，材料的吸收率高，因此可省略表面黑化处理工序，简化了工艺流程[8-10]。

　　Cr12MoV钢具有淬透性好、硬度高、耐磨性好及热处理畸变小等优点，被广泛应用于冷作模具[11-13]。为了进一步提高模具的表面硬度和耐磨性，延长使用寿命，本文采用配备红外双色高温计的LDF-3000型高功率光纤耦合半导体激光器(见图1)对Cr12MoV冷作模具钢进行激光控温硬化处理。

　　1 试验方法

　　试验用材料为商业用Cr12MoV冷作模具钢，具体成分如表1所示。试样经线切割加工成尺寸为200mm× 200mm×20mm的板片，磨加工至粗糙度Ra6.3。在激光淬火前，对试样1020℃ 真空高压气淬，然后180℃二次回火，试样表面硬度为610HV0.3。采用丙酮清洗试样表面。所用LDF-3000型高功率光纤耦合半导体激光器额定功率为3000W，光斑尺寸为4mm×10mm，波长980nm，焦距150mm。试验中，激光束对试样表面的离焦量均设置为0mm。淬火温度、扫描速度、搭接率等工艺参数列于表2。试样经激光淬火后，采用FM700型全自动显微维氏硬度计测定表面硬度，载荷300g，加载时间10s。沿垂直于激光扫描方向线切割取样并制备成金相试样，用LEICA DMI5000M型金相显微镜观察其显微组织。为了研究激光硬化处理对材料耐磨性的影响，以800mm/min和1000mm/min 的扫描速度(淬火温度均为1500℃，搭接率均为30%)对Cr12MoV钢表面进行激光硬化处理，然后将板片线切割成摩擦磨损试验所需标准试样。摩擦磨损试验在CMT5305型摩擦磨损试验机上进行，滑动摩擦副材料为硬度62HRC的GCr15钢，载荷100N，在无润滑介质条件下进行高速干滑动摩擦1h，用电子天平测定Cr12MoV钢试样摩擦磨损试验前、后的质量。

　　2 试验结果与分析