激光噴丸強(qiáng)化處理技術(shù)(laser shot peening，LSP)是利用短脈沖(ns 級)的強(qiáng)激光(GW/cm2 級)對金屬零件表面進(jìn)行輻照，在零件表面誘導(dǎo)高幅沖擊波，使金屬表層材料發(fā)生冷塑性強(qiáng)化的一項(xiàng)新技術(shù)，它是利用激光沖擊波的力學(xué)效應(yīng)對材料進(jìn)行無屑加工的 。它與利用激光熱效應(yīng)的激光淬火硬化、激光熔覆等技術(shù)在強(qiáng)化的原理上有著本質(zhì)不同 。它不 僅具有高效、靈活、非熱、非接觸式等特點(diǎn)，且可以有 效提高金屬材料屈服強(qiáng)度、硬度、耐磨性，還可以 在零件表面誘導(dǎo)有益的殘余壓應(yīng)力，延長工件 疲勞壽命等。該技術(shù)在國外已經(jīng)開始替代傳統(tǒng)的噴丸強(qiáng)化技術(shù) 。

40Cr 鋼是一種力學(xué)性能優(yōu)良的中碳合金鋼， 具有較高抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度，綜合力 學(xué)性能較好，被廣泛用作制造軟齒面齒輪、凸輪、 軸套、傳動(dòng)軸等零件。當(dāng)零件承受較大動(dòng)載荷作 用時(shí)，其表面需要有較高的抗疲勞和抗磨損性能， 因此通常對零件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理。傳統(tǒng)的表面 強(qiáng)化方法如滲碳、滲氮、氮碳共滲等往往存在處理 溫度高、時(shí)間長、工件變形大等缺點(diǎn)。采用激光噴 丸強(qiáng)化技術(shù)改善 40Cr 鋼組織及其耐磨性至今鮮 見報(bào)道。

本文通過對 40Cr 調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化處 理及其滑動(dòng)磨損試驗(yàn)，研究了處理后材料表層組 織結(jié)構(gòu)的變化，硬度梯度分布以及摩擦磨損特征， 為激光噴丸強(qiáng)化處理技術(shù)實(shí)用化和推廣提供依據(jù) 和參考。

1 試驗(yàn)材料及方法 

1. 1 試驗(yàn)材料

試樣材料為 40Cr 調(diào)質(zhì)鋼，它的化學(xué)成分及其力 學(xué)性能如表 1 和表 2 所示，試樣尺寸為 50 mm × 50 mm × 10 mm，試樣數(shù)量為 3 塊，用于不同次數(shù)的強(qiáng) 化處理。

1. 2試驗(yàn)方法

激光噴丸強(qiáng)化的方法如圖 1 所示。在粗糙度較低的試樣表面依次有能量吸收層和約束層。能量吸 收層覆蓋在試樣表面，這樣就避免了強(qiáng)激光直接輻照 在金屬材料表面。當(dāng)試樣受強(qiáng)激光輻照時(shí)，吸收層材 料吸收激光的能量材料氣化，對金屬材料起著遮蔽和 保護(hù)作用，避免其表面被強(qiáng)激光氣化而造成了熱損 傷，本試驗(yàn)采用厚度為 0. 1 mm 黑漆涂層。約束層是 附著在吸收層表面的透明物質(zhì)層，其限制了吸收層吸 收激光能量氣化產(chǎn)生的高壓等離子體的快速擴(kuò)散，從 而提高了沖擊波的峰值壓力和延長了沖擊波作用時(shí) 間。約束層剛性的不同，對激光沖擊波壓力峰值的影 響不同，常用的約束層有光學(xué)玻璃、水簾等，為了 滿足本試驗(yàn)連續(xù)多點(diǎn)多次沖擊的需要，選用流動(dòng)的水 簾作為約束層，其厚度在 0. 2 mm。隨后就可以進(jìn)行 激光噴丸試驗(yàn)，激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)的光束參數(shù)為:激 光波長 1054 nm，脈寬 23 ns，輸出功率 20 ~ 24 J，光斑 尺寸為 直徑8 mm，相鄰光斑中心間距為 7 mm。在不同 的試樣上分別進(jìn)行 1 次、3 次和 5 次激光強(qiáng)化處理。

 1. 3 強(qiáng)化層性能測試

去除試樣表面殘留的黑漆，并擦凈表面，用線切 割沿光斑的中心切開，將切開的面研磨平整，用 3% 硝酸酒精溶液腐蝕試樣，用 PHILIPS2XL30 型掃描電 鏡(SEM)進(jìn)行組織形貌觀察，采用 HV-1000 型顯微 硬度計(jì)測量強(qiáng)化層顯微硬度。摩擦磨損試驗(yàn)在 MM- 200 型環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，從激光噴丸處理 的 40Cr 長方體試樣上切取 30 mm × 6.5 mm × 6. 5 mm的小試樣作為磨損的上試樣，強(qiáng)化層待磨損表 面 尺 寸 為 3 0 m m × 6 . 5 m m ，表 面 磨 光 ( 表 面 粗 糙 度 Ra≤0.05 μm)，下試樣(偶件)采用環(huán)形 H13 鋼試 樣，環(huán)外圓表面激光熔覆厚度為 2 mm 的 WCP/Ni 基 合金復(fù)合涂層，硬度為 63 HRC，表面粗糙度 Ra ≤ 0. 05 μm，環(huán)形試樣總體尺寸為外徑 40 mm，內(nèi)徑 16 mm，厚度為 10 mm。每個(gè)磨損試樣先在低速下 預(yù)磨 5 min，然后轉(zhuǎn)為高速對磨，試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速 2 0 0 r / m i n ，磨 損 時(shí) 間 3 0 m i n ，載 荷 9 8 N ，用 1 ∶ 1 0 0 的 乳化液作為冷卻潤滑液，上試樣(試樣強(qiáng)化層)的磨 損質(zhì)量損失用感量為 0. 1 mg 的分析天平稱量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論 

2. 1 掃描電子顯微分析

對截取的試樣進(jìn)行拋光腐蝕后觀察其微觀組織， 圖 2(a)為激光處理前的微觀組織，圖 2(b)為激光處理 3 次后的微觀組織。由圖可以看出，沖擊前表層的微 觀組織的晶粒粗大，而沖擊后晶粒得到細(xì)化，位錯(cuò)密度 得到較高。晶粒細(xì)化源于金屬內(nèi)部材料在高幅應(yīng)力波 作用下晶粒的破碎和晶格重構(gòu)，是激光沖擊波誘導(dǎo)的 沖擊波的力學(xué)效應(yīng)，屬于冷加工范疇，而非激光熱效應(yīng) 導(dǎo)致溫度變化引起的。晶粒的細(xì)化不僅可以提高材料 的硬度和強(qiáng)度，而且可以阻礙金屬材料的滑移和疲勞 裂紋的擴(kuò)展，從而提高金屬的抗疲勞強(qiáng)度。

2. 2 顯微硬度

圖 3 為試樣在不同沖擊次數(shù)下沿厚度方向分布 的硬度曲線，可以看出強(qiáng)化層的顯微硬度較基體都有 了較大提高，隨著處理次數(shù)的增加，處理層的硬度有所增加，最高值可達(dá) 360 HV，與基體硬度相比，提高 了 30% 左右。且在同一沖擊次數(shù)下，其硬度值與表 面距離近似成線性關(guān)系減小。

硬度值的提高是激光誘導(dǎo)的應(yīng)力波對材料冷作 硬化的結(jié)果，由于應(yīng)力波在材料內(nèi)部傳播過程中其壓力峰值按照指數(shù)曲線衰減。在表面，應(yīng)力波峰值壓力 高，材料塑性變形就越充分，則硬度就越高;隨傳播距 離增加，壓力波壓力減小，材料變形不充分，材料硬度 就低，當(dāng)應(yīng)力波的壓力峰值低于材料的動(dòng)態(tài)屈服極限 時(shí)，不能對材料起到強(qiáng)化作用。

2.3 磨損量

沖擊的試樣進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，磨損累計(jì)的質(zhì)量損失隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖 4 所示。未強(qiáng)化處理試 樣在單位時(shí)間內(nèi)磨損損失的質(zhì)量基本上保持恒定，即 曲線的斜率近似不變，沖擊處理后的試樣在單位時(shí)間 內(nèi)磨損損失的質(zhì)量先大后小，曲線的斜率由小變大， 最后保持不變。在摩擦磨損進(jìn)行到 30 min 時(shí)間，未 處理試樣的磨損失重達(dá) 26. 9 mg，而經(jīng)過 5 次強(qiáng)化處 理后的試樣磨損失重為 19. 1 mg，未處理試樣的磨損 量是處理過試樣的 1. 4 倍，經(jīng)過沖擊處理的試樣的磨 損失重明顯低于未處理的試樣。表明材料經(jīng)過噴丸 處理后，其耐磨性得到明顯提高，強(qiáng)化次數(shù)越多，材料 耐磨性就越好。

材料的硬度越大，越耐磨，磨損失重就越小。 材 料 受 激 光 沖 擊 強(qiáng) 化 后 ，硬 度 提 高 ，使 磨 損 量 減 小。在磨擦磨損過程中，試樣的磨損由外及內(nèi)，隨 時(shí)間增加，磨損深度增加。由于應(yīng)力波在傳播過 程中其壓力峰值逐漸衰減，對材料強(qiáng)化的程度逐 漸減弱，使得強(qiáng)化層材料的強(qiáng)度和硬度沿深度方向增量越來越小。摩擦磨損的時(shí)間長短對應(yīng)著不 同的層的深度，亦即對應(yīng)材料不同的強(qiáng)度和硬度。 開始時(shí)，表面外層的硬度高，磨損損失質(zhì)量小，隨 后次表層的硬度有所降低，磨損損失的質(zhì)量就加 大，當(dāng)強(qiáng)化層被磨損穿后，其單位時(shí)間的磨損損失 質(zhì)量與未強(qiáng)化處理試樣單位時(shí)間的磨損損失質(zhì)量 相等。

2. 4 磨損面的形貌

圖 5 ( a ) 、5 ( b ) 、5 ( c ) 是 進(jìn) 行 5 次 激 光 強(qiáng) 化 處 理后的試樣經(jīng)過 5、10、30 min 滑動(dòng)磨損后的表面磨痕 形貌。由圖可以看出表面磨痕均為明顯的犁溝和粘 結(jié)著的碎片，即材料磨損方式以磨粒磨損和粘結(jié)磨損 為主，隨著磨損時(shí)間的逐漸推進(jìn)，粘結(jié)磨損越來越嚴(yán) 重，表面磨痕形貌越來越明顯。

當(dāng)激光處理的試樣在外加力的作用下與對磨環(huán) 相互接觸擠壓對磨時(shí)，接觸面間存在彈性變形抗力和 塑性變形抗力以及相互摩擦力。由于對磨環(huán)的硬度 較高，對磨環(huán)上凸起的微峰很容易嵌入較軟試樣中， 產(chǎn)生滑擦、耕犁作用，在滑擦作用下，試樣表面只產(chǎn)生 彈性變形，在耕犁作用下，工件材料被擠向兩邊產(chǎn)生 隆起，在表面上刻劃出一條溝痕，此時(shí)產(chǎn)生塑性變形 但仍然不產(chǎn)生切屑，經(jīng)過后續(xù)的多次擠壓因疲勞斷 裂、脫落而形成試樣失重，即磨損。在磨損過程中，脫 落的硬質(zhì)點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生耕犁。在滑動(dòng)磨損達(dá) 5 min 時(shí)， 由于外表層受激光沖擊強(qiáng)化作用明顯，試樣表面的硬 度較高，材料的強(qiáng)度較大，抵抗塑性變形和破壞的能 力強(qiáng)，材料的磨痕表現(xiàn)不明顯;在磨損經(jīng)過 10 min時(shí)，試樣外表層已被磨去，次表層的硬度和強(qiáng)度有所降低，抵抗破壞的能力降低，磨痕就越來越明顯。在 磨損經(jīng)過 30 min 時(shí)，由圖 4 可知，強(qiáng)化層已被磨穿， 此時(shí)表面磨痕形貌就是未強(qiáng)化基體的磨痕形貌。

同時(shí)在對磨的過程中，彈性變形功、塑性變形功 以及摩擦力所作的功轉(zhuǎn)化為熱，在壓力和溫度的作用 下，接觸面吸附膜被擠破，形成了新鮮的接觸表面，當(dāng) 接觸面達(dá)到了原子間的距離時(shí)，因金屬分子間的親和 力而發(fā)生粘結(jié)，隨著相對的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行，粘結(jié)處在剪切 力作用下發(fā)生撕裂破壞。接觸面滑動(dòng)在粘結(jié)處產(chǎn)生 連接磨損的程度與壓力、溫度和材料間的親合程度有 關(guān)。隨著摩擦?xí)r間的延長，摩擦輪陷入材料的表面越 來越深，摩擦層深度加深，材料的強(qiáng)度和硬度降低;同 時(shí)潤滑冷卻越來越不充分，使溫度越來越高，使材料 軟化越來越明顯，使強(qiáng)度也越來越低，材料越來越容易粘結(jié)。 粘結(jié)磨損就是由于剪切破壞造成的，受 剪切力、粘結(jié)力以及材料不均勻性等因素的影響， 材料發(fā)生撕裂破壞的方向非常復(fù)雜，如圖 5(d) 所示。

3 結(jié)論

1) 激光噴丸強(qiáng)化處理 40Cr 鋼是激光誘導(dǎo)沖擊波力學(xué)效應(yīng)作用的結(jié)果，可有效地改善 40Cr 鋼表層 組織和提高其硬度;

2) 激光沖擊強(qiáng)化處理能顯著改善材料表面的耐 磨性，強(qiáng)化層單位時(shí)間磨損失重按照先大后小順序 變化;

3) 在滑動(dòng)摩擦條件下，40Cr 強(qiáng)化層的磨損機(jī)制 以磨粒磨損和粘著磨損為主。

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