一种激光淬火工艺参数测试方法

技术领域

本发明涉及激光淬火技术领域，特别是涉及一种激光淬火工艺参数测试方法。

背景技术

激光淬火作为一种新型热处理手段，相比传统的热处理具有热效率高、加工时间短、能量集中等诸多优点,激光淬火属于激光相变硬化技术，从二十世纪以来，已经有各种对于此技术的相关研究，并且也发现了此技术也有一些不足之处。由于激光淬火时升温和降温速度过快，很难检测到试样表面的瞬时温度分布，因此，对于激光淬火参数的控制多采用控制激光功率、扫描速度和激光光斑的形状及激光光斑的尺寸。

为选取特定材料的激光淬火参数，多通过对多个待处理试样施加不同的激光淬火参数进行激光淬火处理，然后切割并研磨激光淬火处理后的各个处理后试样，并对处理后试样进行维氏硬度以及金相检测，根据处理后试样的维氏硬度值及金相组织，来选定最佳的激光淬火参数。然而，为选取合适激光淬火参数，需要设置的激光淬火参数的组合较多，切割并研磨各个处理后试样需要耗费大量的人力及物力成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：目前，为选取特定材料的激光淬火参数，需要切割并研磨激光淬火处理后的各个处理后试样，切割并研磨各个处理后试样需要耗费大量的人力及物力成本。

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种激光淬火工艺参数测试方法，包括以下步骤：

步骤S1、根据设定的激光淬火参数分别对各个待处理试样进行激光淬火；

步骤S2、测试各个处理后试样的洛氏硬度；

步骤S3、选取洛氏硬度值较高的若干所述处理后试样进行切割、研磨并压制为镶嵌试样；

步骤S4、对各所述镶嵌试样进行维氏硬度及金相检测；

步骤S5、根据各所述镶嵌试样的维氏硬度及金相检测结果确定最佳激光淬火参数。

作为优选方案，所述步骤S3中，对洛氏硬度值较高的若干所述处理后试样进行切割时，切割路径沿垂直于激光淬火的行走路径的方向设置。

作为优选方案，所述步骤S4中，对各所述镶嵌试样进行维氏硬度检测包括：

以激光光斑的中心点在所述镶嵌试样的表层的投影点为起点，从各所述镶嵌试样的表层至所述镶嵌试样的内层，依次间隔设置多个检测点，维氏硬度值最低的所述检测点的距离所述镶嵌试样表层的距离为激光淬火深度。

作为优选方案，所述金相检测的项目为淬火层的形态，所述淬火层的形态为开口朝上的圆弧，激光淬火较好的所述圆弧的平均曲率较小。

作为优选方案，所述步骤S1之前包括：

在各所述待处理试样表面进行涂黑处理。

作为优选方案，对各所述待处理试样表面进行涂黑处理之前还包括：

对各所述待处理试样进行清洗并烘干。

作为优选方案，所述步骤S4之后、步骤S5之前，包括:

对各所述镶嵌试样进行摩擦磨损测试。

作为优选方案，所述激光淬火参数包括光斑形状和光斑大小。

作为优选方案，所述淬火光斑的形状为矩形光斑。

作为优选方案，所述待处理试样的材料为42CrMo钢，最佳的所述矩形光斑尺寸为长8mm、宽6mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的激光淬火工艺参数测试方法，在根据设定的激光淬火参数分别对各个待处理试样进行激光淬火后，测试各个处理后试样的洛氏硬度；洛氏硬度测试可直接在试样表面进行，不需切割试样，通过洛氏硬度测试实现对激光淬火结果的初步筛选，之后根据洛氏硬度的测试结果，选取洛氏硬度值较高的若干处理后试样进行切割、研磨并压制为镶嵌试样；再对各镶嵌试样进行维氏硬度及金相检测；实现对激光淬火结果的最终筛选，最后根据各镶嵌试样的维氏硬度及金相检测结果确定最佳激光淬火参数，因此，本发明的激光淬火工艺参数测试方法，不需要切割并研磨激光淬火处理后的各个处理后试样，避免了切割并研磨各个处理后试样所耗费的人力及物力。

附图说明

图1为本发明的激光淬火工艺参数测试方法的流程示意图；

图2为在镶嵌试样上进行维氏硬度测试的取点示意图；

图中，11、环氧树脂本体；12、激光淬火硬化层；13、试样本体；2、维氏硬度检测点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

本发明一种激光淬火工艺参数测试方法的优选实施例，如图1、图2所示，包括以下步骤：

步骤S1、根据设定的激光淬火参数分别对各个待处理试样进行激光淬火；

步骤S2、测试各个处理后试样的洛氏硬度；

步骤S3、选取洛氏硬度值较高的若干所述处理后试样进行切割、研磨并压制为镶嵌试样；

步骤S4、对各所述镶嵌试样进行维氏硬度及金相检测；

步骤S5、根据各所述镶嵌试样的维氏硬度及金相检测结果确定最佳激光淬火参数。

洛氏硬度测试可直接在试样表面进行，不需切割试样，通过洛氏硬度测试实现对激光淬火结果的初步筛选，实现对部分淬火结果不佳的试样的剔除，之后根据洛氏硬度的测试结果，选取洛氏硬度值较高的若干处理后试样进行切割、研磨并压制为镶嵌试样；再对各镶嵌试样进行维氏硬度及金相检测；实现对激光淬火结果的最终筛选，最后根据各镶嵌试样的维氏硬度及金相检测结果确定最佳激光淬火参数，因此，本发明的激光淬火工艺参数测试方法，不需要切割并研磨激光淬火处理后的各个处理后试样，避免了切割并研磨各个处理后试样所耗费的人力及物力。

其中，所述步骤S3中，对洛氏硬度值较高的若干所述处理后试样进行切割时，切割路径沿垂直于激光淬火的行走路径的方向设置。

所述步骤S4中，对各所述镶嵌试样进行维氏硬度检测包括：

以激光光斑的中心点在所述镶嵌试样的表层的投影点为起点，从各所述镶嵌试样的表层至所述镶嵌试样的内层，依次间隔设置多个检测点，维氏硬度值最低的所述检测点的距离所述镶嵌试样表层的距离为激光淬火深度。具体的，如图2所示，试样本体13嵌设在环氧树脂本体11中，维氏硬度的各个检测点沿激光淬火深度的方向均匀间隔布置，一部分维氏硬度检测点2位于激光淬火硬化层12中，另一部分维氏硬度检测点2位于试样本体中，在激光淬火硬化层12与试样本体13的过渡位置处存在因温度不足而形成的珠光体组织，因此过渡位置处的硬度低于试样本体13，各个检测点的测试数据随着距离镶嵌试样的表层的距离增加，呈现先减小后增大的规律布置，维氏硬度值最低的所述检测点的距离所述镶嵌试样表层的距离为激光淬火深度，从而确定激光淬火深度。

本实施例中，所述金相检测的项目为淬火层的形态，所述淬火层的形态为开口朝上的圆弧，激光淬火较好的所述圆弧的平均曲率较小。具体的，由于激光的高斯分布特性，激光淬火的特点是中心能量高，边缘能量低。在激光淬火过程中，能量过低的边缘能量无法有效地提升淬火带边缘，导致淬火不均匀，甚至出现中心区域能量过高而出现熔池，难以实现淬火地效率和可靠性。通过进行检测观察淬火层的形态，淬火层圆弧的平均曲率越小，圆弧越平坦，激光淬火的能量分布越均匀，通过观察淬火层圆弧的平均曲率实现对激光淬火均匀性的评价。

所述步骤S1之前包括：

在各所述待处理试样表面进行涂黑处理，涂黑处理能够提升待处理样品表层对热量的吸收率，从而使得激光淬火的效率更高，提高激光淬火工艺参数测试效率。

进一步地，为保证涂黑效果，本实施例中，对各所述待处理试样表面进行涂黑处理之前还包括：

对各所述待处理试样进行清洗并烘干。

为对激光淬火的综合性能进行评价，本实施例中，所述步骤S4之后、步骤S5之前，包括:

对各所述镶嵌试样进行摩擦磨损测试。

本实施例中，所述激光淬火参数包括光斑形状和光斑大小。

下面以42CrMo钢为例阐述本发明的激光淬火工艺参数测试方法的具体实施方式：

本实施例中所选样品尺寸为100mm*50mm*10mm的调制42CrMo钢，并将其进行粗砂纸打磨，换细砂纸打磨，打磨后的试样放进100％的酒精溶液，并用PC-40A超声波清洗机清洗表面。并将其进行涂黑处理，使其增加激光吸收率μ。实验采用的激光器为RFL-A2000D半导体光纤激光器。

匀化光斑淬火42CrMo钢的工艺步骤包括：

步骤1：在实验装置台调试好半导体激光器，样品台可以垂直于激光头的方向以设定速度移动，从激光功率1000w，光斑大小8mm*6mm，移动速度5mm/s作为初始值。

步骤2：将表面处理好的42CrMo钢放置在样品台上，调试激光光斑能扫描样品预期的路径，并保存此路径。

步骤3：启动激光头，此时工作台会随着激光头发出激光同时开始按照保存好的路径开始移动，实验全程戴好护目镜。

步骤4：实验结束后保证材料冷却，用洛氏硬度计沿激光扫描方向，宽度的中线去测量它的表面硬度，分别每隔10mm测一个点，测量五次取平均值。

步骤5：使用相同的样品，重复步骤1至步骤4，将激光功率从1000w依次增加到1500w，1760w，2000w，光斑大小从8mm*6mm依次增加到10mm*6mm，12mm*6mm，移动速度从5mm/s依次增加到7.5mm/s，10mm/s，15mm/s，20mm/s。测得的硬度表一所示。

步骤6：选择步骤5中所测平均值较大15号的2000w，15mm/s，8mm*6mm，表面平均硬度55.7HRC，标记为1号；14号2000w，10mm/s，8mm*6mm，表面平均硬度61.0HRC，标记为2号。

步骤7：使用沙迪克WEDM-LS线切割机将所选样品沿垂直于激光扫描方向切割，单道扫描的样品制成尺寸为10mm*18mm*10mm。采用环氧树脂冷镶嵌，用不同型号的砂纸由粗到细打磨，抛光，硝酸酒精溶液腐蚀之后，制成金相试样。

步骤8：图2为2000w，8*6mm，扫描速度15mm/s和10mm/s的42CrMo钢样品淬火后的横截面结构示意图，呈期望的月牙形。

步骤9：沿着淬火深度方向，每隔0.1mm取一个维氏硬度检测点，总共测15个点，每个维氏硬度检测点测三次取平均值，得到横截面硬度分布曲线图，横截面硬度测量采用falcon 507维氏硬度计。

步骤10：将样品1和2进行摩擦磨损实验，磨损时间为60min，摩擦磨损机为往复式Bruker(CETR)UMT-2，摩擦磨损形式为线性往复干滑动摩擦，摩擦球的材料为GCr15，载荷100N，得到摩擦磨损曲线。

通过以上激光淬火工艺和有关测试后可以得出，对于42CrMo钢，发现最适合的激光功率为2000w，扫描速度10mm/s到15mm/s，激光光斑大小为10mm*6mm左右，得到的表面平均硬度最大可以达到60HRC以上。通过对42CrMo钢淬火层横截面进行硬度测试，发现2000w，10mm/s，8mm*6mm光斑为最佳强化参数，硬度最高可以达到836.82HV0.2。对42CrMo钢淬火表面进行了摩擦磨损实验，发现硬度深度最大的样品，同样磨损量最小，平均摩擦因数最小。

综上，本发明的激光淬火工艺参数测试方法，在根据设定的激光淬火参数分别对各个待处理试样进行激光淬火后，测试各个处理后试样的洛氏硬度；洛氏硬度测试可直接在试样表面进行，不需切割试样，通过洛氏硬度测试实现对激光淬火结果的初步筛选，之后根据洛氏硬度的测试结果，选取洛氏硬度值较高的若干处理后试样进行切割、研磨并压制为镶嵌试样；再对各镶嵌试样进行维氏硬度及金相检测；实现对激光淬火结果的最终筛选，最后根据各镶嵌试样的维氏硬度及金相检测结果确定最佳激光淬火参数，因此，本发明的激光淬火工艺参数测试方法，不需要切割并研磨激光淬火处理后的各个处理后试样，避免了切割并研磨各个处理后试样所耗费的人力及物力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

表一