28《激光杂志》2021年第42卷第2期LASER JOURNAL(Vol.42,No.2,2021)激光熔覆工艺
42CrMo钢激光熔凝组织及力学性能研究
李金东，杨勇，齐康，胡国放，路昕
青岛理工大学机械与汽车工程学院，青岛265200
摘要：42CrMo钢因具有良好的淬透性、强度以及韧性，被广泛应用于拉矫輕制造中，但是这种材料的耐蚀性、耐磨损性及耐疲劳性还不够理想，限制了拉矫鶴连续工作能力。为进一步提高拉矫鶴基材强度和耐磨损性能，利用激光熔凝技术对调质后42CrM。钢进行了激光强化工艺研究。采用光学显微镜、金相显微镜、显微硬 度计、摩擦磨损试验机等仪器对42CrMo钢激光熔凝后的显微组织、相结构、强度及摩擦磨损性能进行了分析，研究了激光功率、扫描速度对熔凝层性能的影响规律。结果表明：工艺参数对熔凝区力学性能影响较大，激光功率显著影响熔凝层的深度，扫描速度影响表面成形质量；调质后42CrMo钢基体组织主要为回火马氏体+残余奥氏体，经过激光熔凝后，基体组织发生转变，马氏体含量显著提高。 关键词：激光熔凝;42CrMo钢；金相组织；硬度；摩擦磨损性能
中图分类号：TN249文献标识码：A doi：10.14016/jki.jgzz.2021.02.028
Research on the42CrMo laser melting structure and its mechanical performance
LI Jindong,YANG Yong,QI Kang,HU Guofang,LU Xin
Qingdao Universily of Techru)lugy School of Mechanical and AiUomative Engineering,Qingdao265200,China
Abstract：42CrMo steel is widely used in the manufacture of tension straightening rolls because of its good hardenability,strength and toughness,but the corrosion resistance,wear-resistance and fatigue resistance of this material are not ideal,which limits the continuous working ability of the tension straightening roller.To further improve the strength and wear resistance of the base material of the tension straightening roller,the laser strengthening process of the tempered42CrMo steel was studied using laser coagulation technology.The microstructure,phase structure,strength and friction and wear properties of42CrMo steel after laser surface melting was analysed using an optical microscope,metallographic microscope,microhardness tester,friction and wear tester and other instruments,and the effects of laser power and scanning speed on the performance of the fused layer were studied.The results show that:the process parameters have a significant influence on the
mechanical properties of the melting zone,the laser power significantly affects the depth of the melting layer,and the scanning speed affects the surface forming quality;after tempering,the 42CrMo steel matrix structure is mainly tempered martensite+residual austenite After laser melting,the matrix stmc-ture changes and the martensite content increases significantly.
Key words:laser surface melting；42crmo steel；microstructure；friction and wear performance
1引言
拉矫辗是钢板轧制过程中的重要耗材，其表面质量对板坯成形的平整度及质量有很大的影响。拉矫棍在使用的过程中会承受很大的压力和接触应力非
收稿日期:2020-08-28
基金项目：山东省青岛市西海岸新区自主创新重大专项(No.2016-2)；山东省自然科学基金面上项目(No.ZR2017MEE077)
作者简介：李金东(1994-)，男，硕士，激光熔凝。E-mail：396067093@ qq
通讯作者：杨勇，男，教授，博士生导师。E-mail：yyong901@163 常容易产生疲劳裂纹，导致
拉矫辐早日失效［'-21o目前，钢铁企业的连铸机拉矫辗的平均工作寿命三到六个月，而拉矫辗的失效维修损失是钢铁行业的主要成本之一，经过激光熔凝处理强化及修复后的工作寿命均显著提高，与其它表面强化技术相比(如热喷涂、堆焊、镀合金等)，具有高效的利用率，所产生的热影响区和热变形更小，其硬度和耐腐蚀性能会显著提高07。因此，激光熔凝技术在拉矫辗强化及修复领域具有广阔的应用前景。
激光熔凝技术具有加热速度快，冷却速度快的特
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点，可以在不改变成分的前提下对组织进行细化同时提高碳及合金元素的固溶度进而生成亚稳相，从而提高材料的力学性能!5_8]o LEE等对H13钢进行不同热输入的激光激光强化处理，随着热输入的增加，硬化宽度和深度增大⑼。付安庆等人利用激光熔凝对超级13Cr不锈钢组织进行处理，在表面获得具有高耐蚀性的过渡层W高亚丽等人在真空条件下对AZ91HP镁合金进行激光熔凝处理，得到随激光扫描速度增加，熔凝层的硬度，耐磨蚀性得到提高蔡幼庆利用激光熔凝对H13钢进行强化，其耐磨性
、硬度和回火稳定性与常规热处理相比得到显著提高〔闵。李美艳对高常钢进行激光熔凝，得到由于碳化物的溶解和固溶体中合金元素的增加以及大量奥氏体的出现，大大改善了激光表面熔炼钢的耐蚀性⑶。
42CrMo钢因具有良好的淬透性、强度以及韧性，被广泛应用于拉矫银制造中，但是这种材料的耐蚀性、耐磨损性及耐疲劳性还不够理想，限制了拉矫楹连续工作的能力[“⑷。利用激光熔凝技术对42CrMo 钢进行处理，探究工艺参数对表面质量的影响，以期获得工艺参数对激光熔凝处理的影响规律，为拉矫辐激光强化和修复提供理论依据。
2实验设计
2.1实验材料与工艺参数
实验基材选用42CrMo钢，化学成分（质量分数,％）如表1所示。基体组织主要由回火马氏体和残余奥氏体组成。
表142CrMo钢化学成分（质量分数,％）
c Mn Cr Ni Mo V P s
1.090.5310.480.56 1.040.390.0310.017
实验前依次用150#.400#.600#的碳化硅砂纸对基体表面进行打磨，然后用超声清洗干净。实验设备选用由德国ROFIN公司生产的FL020型光纤激光器（最大功率2000W）,KUKA公司KR3O-3型6轴机器人，冷却系统和数控操作台组成的集成系统。实验过程中，用纯度M99.9%的高纯氮气作为保护气保护熔池。采用6组不同工艺参数对在氮气保护下对基体进行激光熔凝处理。工艺参数见表2所示。
表2激光熔凝工艺参数
123456功率（W）120014001600120014001600速度（mm/s）444555
2.2实验测试
2. 2.1微观组织观察
将激光熔凝后的基体用正华DK7745线切割切成15mm X15mm x10mm的长方体，用砂纸打磨，然后进行抛光。对熔覆层横截面的微观形貌和组织结构用体式显微镜进行观察。下一步用配置好的4%硝酸酒精对截面进行20s的腐蚀，腐蚀好后用金相显微镜进行观察分析。
2.2.2硬度检测
实验采用HV-1000显微硬度测试仪对熔覆层横截面的硬度进行测量。测试时，显微硬度仪加载载荷为4.
9N，保荷时间10s，如图1从截面熔凝区中点为起点，沿竖直方向，每隔0.2mm进行一次测试，共测试10次。
图1硬度测试示意图
2.2.3摩擦磨损性能测试
实验采用MFT-EC4000型摩擦磨损试验设备对熔凝层的磨损性能进行测试，如图所示。实验前先去除熔凝层表面的氧化皮，并将熔凝层表面抛光呈平面.减少氧化物对摩擦测试的影响。磨损测试时，对磨材料选用直径9.525mm的鹄钢球，载荷为20N，摩擦往复频率为2Hz，运动行程为5mm，测试时间为20min，磨损测试过程中不加任何润滑液。
3结果分析
3.1激光熔凝形貌分析
图2分别是6组不同工艺参数的表面形貌图，从图中可以看出不同工艺参数下激光熔凝都能形成稳定的熔池。在熔凝的过程中，熔池的形态会与激光输入量以及熔池存在的时间有联系，可以看出当扫描速度偏小时，表面的碳和一些合金元素的烧损会加重，熔凝层表面出现凹凸不平的现象；当扫描速度增加时，表面的熔池会存在时间也会加长，熔池流动充分，产生的气体可以有充足的时间排出，表面气
孔会相对减小。但通过对比分析可以得出，当扫描速度"= 5mm/s时，没有明显增多的气孔，能获得相对平缓的表面，对轧银的后续精加工更有利。
经过熔凝处理后，42CrMo钢的组织已经发生了显著的变化，如图3所示由于激光采用圆形光斑产生高斯热源，当激光功率足够高时，材料的表面会形成一个中心高，边缘低，硬化层呈半月状的熔池，整个区
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域由熔凝区(MZ)、相变区(PTZ)、热影响区(HAZ)和
基体(Matrix)组成，熔凝区与相变区、相变区与基体间
存在明显的界限，熔池的深度可达2 mm 。
图2表面形貌图
图3熔池特征图
3. 2金相分析
如图4( a)对熔凝区进一步放大分析，熔凝区会 出现大量竖直方向树枝晶，根据激光加热材料时的热
传导原理，表面温度高，冷却速度慢；内部温度较低，
但冷却速度较快，而枝晶的生长方向平行于散热的反
向，所以这些枝晶会由下至上迅速生长。熔凝区主要 由细小针状马氏体、少量板状马氏体以及弥散的碳化
物组成，马氏体含量较多。激光的光斑照射后，温度 迅速上升,42CrMo 钢中出现极大的相变驱动力，形成 粒装奥氏体晶粒核心，这些奥氏体晶粒来不及长大， 在冷却时发生马氏体转变，会形成细小的针状马氏
体；此外，该区域在激光束作用下温度迅速升高，来不 及进行扩散均匀化，使奥氏体含碳量不均匀，高碳区
的奥氏体转变成了片状马氏体，而低碳区的奥氏体转 变成条状马氏体，冷却后组织中残余奥氏体的含量很
少，马氏体组织以片状马氏体为主。
图4(b)为相变区放大组织，该区域组织也是以 树枝晶为主，且树枝晶的生长方向与交界处垂直，是
因为该区域靠近基体，通过热影响区散热快，同理其 枝晶的生长方向会垂直于相变区与热影响区的交界 处。组织成分主要为微小马氏体、残余奥氏体以及碳
化物。当激光照过表面时该区域的温度也可以瞬间 达到Acl 以上而获得颗粒细小的奥氏体晶粒，由于该
区域靠近基体，散热快受热时间较熔凝区短，过冷度 大，因此，晶粒要比熔凝区要细一些。此外，相变区不 存在液体对流该区域的碳及合金元素没有重新分布， 同时高温下碳原子在奥氏体扩散速度快，扩散的相对
充分，该区域的成分会更均匀。
(a)熔凝区
(b)相变区
(c)热影响区
图4 42CrMo 钢熔激光熔凝后金相组织
图4(c)热影响区，可以看出该区域组织主要为 回火马氏体以及粗颗粒状的渗碳体和铁素体的整合 组织，由于在激光快速加热时，激光的辐射的大部分
能量被上层吸收，此刻42CrMo 钢的Acl 线大幅提高， 而该区域温度无法达到Acl ，使得此区域组织未能完 全奥氏体化，马氏体部分发生回火软化，产生高温回 火组织，且温度的降低碳扩散速度也会减小，综合影 响，最终该区域的组织为回火索氏体、大量的大块状
碳化物。
3. 3硬度分析
图5为6组参数实验的显微硬度分布图。 42CrMo 基体的硬度约为600 HV，熔凝区的硬度约为 700 HV，强化后的最大硬度可以达到780 HV 。基体 熔化区的表层产生脱碳，碳及合金元素的溶解不均
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匀，强度偏低，硬度分布不均匀。从图5显示每组实
验的熔凝层的显微硬度相对于基体都有很大的提高, 但受到工艺参数的影响，强化的效果也不一样。可以 看出，激光功率对强度的影响最大，扫描速度对硬度 分布的影响比较明显。
在一定范围内随着激光功率的增大，熔凝层的硬 度会随之增加，随着能量密度的提高，晶体短时间内 吸收热量提高，温度梯度的增加，基体组织转化成奥 氏体组织效率加快形成奥氏体晶粒越细，冷却后再结 晶形成的马氏体含量也会增加，晶体更容易从粗大的 树枝晶向较细树枝晶和胞状晶改变，晶体晶粒越细 小，有利位向上的晶粒就会越多，晶粒的变形会更均 匀，而同时晶界处的原子排列更加乱序，晶格畸变情 况加重可以抑制裂纹的产生；同时不利位向上的晶粒 也会增多，这种地方的晶粒会抑制位错滑移，从而可 以增强金属的塑性变形抵抗力，提高金属的硬度。基
体表面受热熔化，熔池产生Marangoni 效应是熔池流 动的主要因素，熔池流动的快慢会影响到碳及合金元 素的溶解分布，扫描速度对温度梯度影响不大，但会 影响冷却速度，温度梯度与冷却速率的比值降低，提 高熔池流速，使碳及合金元素分布均匀，硬度分布相
对均匀。热影响区P=1 400 W,v = 5 mm/s 是42CrMo 钢拉矫辗激光熔凝处理时较为合理的工艺参数。
对于激光熔凝产生的热影响区软化问题，通过几 组实验以及显微硬度测试，热影响区的硬度下降幅度
并不大，而且热影响区的深度没有超过1 mm，对轧辐 的使用效率及寿命影响不大，但仍需控制热影响区的 范围。
>O O K)O IO O
K)O 0505 心 5
05
0077661554AH.
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矍越®*-t
、・
►
号号号号号号
瞬
12345630.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
距表面距离/mm
图5强化前后42CrMo 钢表面的显微硬度
3.4摩擦磨损性能分析
在摩擦磨损实验设备上测试结果如图6所示，从 样品磨损量可以看出激光熔凝对基体耐磨性提高很 大，通过对比磨损量，激光功率对熔凝层的耐磨性影 响最大，是影响耐磨性的主要因素，在一定范围内，功 率越高耐磨性越好，但是如果功率过高，表面碳及合金 元素的烧损也会影响耐磨性能，在功率是1 400 W 时磨 损量最小不到0. 15 mm'，其次是扫描速度对耐磨性的 影响，可看出5 mm/s 的磨损量明显会小于4 mm/s 。 图7是熔凝层磨损轮廓图，磨损的轮廓两边较浅，中
间变深，呈现梭子形，在底部中心位置还会出现几道 犁沟，但数量不多，这与使用鹄钢小球的形状相符。 从这几组图可以看出，工艺参数不同，磨损的轮廓也 略有差别，功率较高的组别的塑形变形相对较小，表 面较为光滑平整。
熔凝强化层，主要以马氏体为主还有细小的共晶 莱氏体以及一些残余奥氏体，马氏体可以增加熔凝层 的强度和硬度，可以减少前期的磨损度，而残余的奥 氏体可以在高应力条件下增加熔凝层的加工硬度，进 一步提高熔凝层的耐磨性。轧辐在工作中必然会受 到较高的应力，激光熔凝对其强化可以表现出较好的 耐磨性能。
图6熔凝层磨损面积1 ~6号对6组实验,7号为基体
0.40.2
0.0S -0.2 ±-04
\
“
-0.6 \
-0 8 \ /
TO V -1.2
_1 4 ―—■~~~~_—__>―>__'>
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
距离/mm
0.40.20.0
-0.2
-0.4-0.6
-0.8-1.0
(c) I
联
-1.2
~L 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
距离/mm
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\
±
0.40.20.0
0.20.4
0.60.8
1.01.2
L 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
距离/mm
0.40.20.0
g -0.2 g -0.4 i -0-6
-0.8-1.0
(e)
-1.2
L 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
距离/mm
0.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0
• (0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
移动距离/mm
图7熔凝层磨损轮廓图(a) ~(f)分别对应实验组1 ~6,(g) 为基体
4结论
(1) 不同工艺参数下，熔凝层都可以与基体有良 好的冶金结合，随着功率的增大，熔凝层会岀现碳及 合金元素的烧损，增加扫描速度会缓解这种情况；(2) 基体激光熔凝处理后，截面会分为：熔凝区、 相变区、热影响区以及基体四部分。熔凝区有大量树 枝晶由内部向表面生长，主要组织以马氏体为主以及 残余奥氏体加莱氏体，相变区主要以细小的条状马氏 体和板状马氏体整合组织为主，组织分布均
匀；(3) 经过激光熔凝处理，熔凝层和相变区硬度明 显提高，最高显微硬度可以达到780 HV 0参数为1 400 W,5 mm/s 时，熔凝层硬度分布均匀，强化效果 较好；
(4) 激光熔凝可以明显减少42CrMo 钢的磨损量 损失，增加耐磨性，轧辐在高应力的工作环境下，熔凝 层的高硬度马氏体是减少磨损量的主要机制，同时残 余奥氏体也会提高加工硬度。
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