一种提高8Cr4Mo4V轴承钢表面压应力层深度和疲劳性能的激光冲击强化方法

一种提高8cr4mo4v轴承钢表面压应力层深度和疲劳性能的激光冲击强化方法
技术领域
1.本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种提高8cr4mo4v轴承钢表面压应力层深度和疲劳性能的激光冲击强化方法。


背景技术：

2.激光冲击强化（lsp）是一种先进的表面处理技术，用于改变表面层微观结构，提高表面压应力层深度和疲劳性能，增强金属材料的其他机械性能。在lsp工艺中，高功率密度（gw/cm
−2）、短脉冲持续时间（ns）的激光束照射到金属部件的表面，通过吸收保护层的快速气化产生等离子体形成冲击波，对材料表面产生力的作用，并传递到材料内部，同时与周围材料发生强烈的相互作用。在这种相互作用下，材料表层产生了塑性变形，形成了局部区域的残余应力层，可以显著提高材料表面压应力层深度和抗疲劳性能。
3.经研究表明，以往的大部分研究聚焦在激光能量、搭接率等参数对残余应力和组织形貌的影响。如果针对由激光烧蚀对材料表面产生的损伤程度，在冲击强化表面去除损伤层，能够更有效的提高材料的疲劳性能，延长构件的使用寿命。


技术实现要素：

4.针对以上所述，本发明的目的在于提供一种提高8cr4mo4v轴承钢表面压应力层深度和疲劳性能的激光冲击强化方法。
5.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案。
6.一种提高8cr4mo4v轴承钢表面压应力层深度和疲劳性能的激光冲击强化方法，具体包括如下步骤：步骤一：对8cr4mo4v轴承钢进行热处理；步骤二：经过热处理后的8cr4mo4v轴承钢，进行磨光以获得光滑的冲击强化表面；步骤三：将冲击强化表面用乙醇清洗干净并吹干；步骤四：清洗干净的冲击强化表面粘贴适当厚度的吸收保护层；步骤五：将8cr4mo4v轴承钢试样装夹至机械臂卡盘，并调整位置至激光束入射试样所需强化的区域；步骤六：调整水路机械臂至8cr4mo4v轴承钢试样附近位置，出水口倾斜适当角度，使水帘均匀覆盖所需冲击强化表面；步骤七：设置激光参数并进行激光冲击强化，激光参数包括激光能量、脉宽、光斑尺寸及光斑搭接率；步骤八：冲击强化后去除吸收层并用乙醇清洗干净；步骤九：采用研磨抛光的方法去除适当厚度的激光冲击强化后表面损伤层。
7.进一步地，所述步骤1中，热处理条件为1070-1100℃、保温15-35min，三次回火540-550℃、保温2.5h。
8.进一步地，所述步骤四中，吸收保护层的厚度为70-100μm，吸收保护层的材料为黑胶带、铝箔或黑漆。
9.进一步地，所述步骤五中，调整所需冲击强化试样表面位置，使激光束与所需强化表面呈70-90
°
入射状态。
10.进一步地，所述步骤六中，水路机械臂出水口倾斜角度30-60
°
，水膜厚度为1-2mm。
11.进一步地，所述步骤七中，激光参数设置，脉冲能量设为6-8j，脉宽设为15-19ns，方形光斑设置边长范围为3-4mm，搭接率30%-50%。
12.进一步地，所述步骤九中，激光冲击强化后强化区域表面用磨光的方法至少去除20μm的强化层深度。
13.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
14.1、本发明根据吸收保护层厚度相关计算理论，推算出本发明所用8cr4mo4v轴承钢的吸收保护层厚度为70-100μm，可以有效的保证冲击波的有效利用，降低损伤率。
15.2、本发明使激光束与待强化表面呈70-90
°
入射状态，可以保障达到最优的强化效果。
16.3、本发明提出得设置参数：脉冲能量、脉宽、方形光斑、搭接率能够有效地提高8cr4mo4v轴承钢的表面压应力层深度，材料的表面显微硬度提高约4%。
17.4、本发明针对8cr4mo4v轴承钢激光冲击强化后表面损伤，提出采用精磨或研磨抛光的方法加工掉适当的强化层深度，去除了材料表面损伤层，疲劳极限强度可提高30%-50%，能够有效的提高材料的疲劳性能和其他力学性能。
附图说明
18.图1为本发明的流程图。
19.图2为本发明具体实施试样尺寸示意图。
20.图3为试样表面需粘贴吸收保护层示意图。
21.图4为实施例1激光冲击强化后试样表面微观组织。
22.图5为实施例1去掉损伤层后试样表面微观组织。
23.图6为实施例1强化后材料表面硬度提高情况。
24.图7为实施例1、实施例2进行疲劳试验后的疲劳极限强度。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.一种提高8cr4mo4v轴承钢表面压应力层深度和疲劳性能的激光冲击强化方法，具体包括如下步骤：步骤一：对8cr4mo4v轴承钢进行热处理，热处理条件为1070-1100℃、保温15-35min，三次回火540-550℃、保温2.5h；步骤二：经过热处理后的8cr4mo4v轴承钢，进行磨光至光滑以获得光滑的冲击强化表面；
步骤三：将冲击强化表面用乙醇清洗干净并吹干；步骤四：清洗干净的冲击强化表面粘贴吸收保护层厚度为70-100μm，吸收保护层的材料为黑胶带、铝箔或黑漆中的一种；步骤五：将8cr4mo4v轴承钢试样装夹至机械臂卡盘，并调整所需冲击强化试样表面位置，使激光束与所需强化表面呈70-90
°
入射状态；步骤六：调整水路机械臂至8cr4mo4v轴承钢试样附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度30-60
°
，水膜厚度为1-2mm，使水帘均匀覆盖所需冲击强化表面；步骤七：设置激光参数，脉冲能量设为6-8j，脉宽设为15-19ns，方形光斑设置边长范围为3-4mm，搭接率30%-50%，并进行激光冲击强化；步骤八：冲击强化后去除吸收层并用乙醇清洗干净；步骤九：采用磨光的方法去除至少20μm厚度的激光冲击强化后表面损伤层。
27.经检测材料的表面显微硬度提高约4%，疲劳极限强度提高了30%-50%。
28.下面结合图1对本发明采用的技术路线进行更详细的描述。
29.本实施例所采用的试样材料为8cr4mo4v轴承钢，具体尺寸如图2所示。
30.实施例1。
31.一种采用上述方法进行处理的试样实例，其步骤为：步骤一：对8cr4mo4v轴承钢进行热处理，热处理条件为1090℃、保温32min，三次回火550℃、保温2.5h；步骤二：经过热处理后的8cr4mo4v轴承钢，采用金相砂纸240
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、600
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、1000
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、2000
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逐级打磨并利用金刚石研磨膏抛光，以获得光滑的冲击强化表面；步骤三：将冲击强化表面用乙醇清洗干净并吹干；步骤四：清洗干净的冲击强化表面粘贴吸收保护层（如图3所示）厚度为100μm，吸收保护层的材料为黑胶带；步骤五：将8cr4mo4v轴承钢试样装夹至机械臂卡盘，并调整所需冲击强化试样表面位置，使激光束与所需强化表面呈90
°
入射状态；步骤六：调整水路机械臂至8cr4mo4v轴承钢试样附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度45
°
，水膜厚度为1mm，使水帘均匀覆盖所需冲击强化表面；步骤七：设置激光参数，脉冲能量设为8j，脉宽设为15ns，方形光斑设置为4mm
×
4mm，搭接率30%，并进行激光冲击强化，强化后表面组织形貌如图4所示；步骤八：冲击强化后去除吸收层并用乙醇清洗干净；步骤九：采用研磨抛光的方法去除20μm的激光冲击强化后表面损伤层。（如图5所示）。
32.采用维氏硬度仪测得激光冲击强化后表面硬度有明显提高，最大可由强化前746.78hv提高到776.40hv（如图6所示）。利用旋转弯曲疲劳试验机，检测得8cr4mo4v轴承钢试样黑胶带为吸收层时相比未强化的疲劳极限强度提高44.59%（如图7所示），验证了本发明方法的有效性。
33.实施例2。
34.一种采用上述方法进行处理的试样实例，其步骤为：步骤一：对8cr4mo4v轴承钢进行热处理，热处理条件为1090℃、保温32min，三次回
火550℃、保温2.5h；步骤二：经过热处理后的8cr4mo4v轴承钢，采用金相砂纸240
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、1000
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逐级打磨并利用金刚石研磨膏抛光，以获得光滑的冲击强化表面；步骤三：将冲击强化表面用乙醇清洗干净并吹干；步骤四：清洗干净的冲击强化表面粘贴吸收保护层（如图3所示）厚度为100μm，吸收保护层的材料为铝箔；步骤五：将8cr4mo4v轴承钢试样装夹至机械臂卡盘，并调整所需冲击强化试样表面位置，使激光束与所需强化表面呈90
°
入射状态；步骤六：调整水路机械臂至8cr4mo4v轴承钢试样附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度45
°
，水膜厚度为1mm，使水帘均匀覆盖所需冲击强化表面；步骤七：设置激光参数，脉冲能量设为8j，脉宽设为15ns，方形光斑设置为4mm
×
4mm，搭接率30%，并进行激光冲击强化；步骤八：冲击强化后去除吸收层并用乙醇清洗干净；步骤九：采用研磨抛光的方法去除20μm的激光冲击强化后表面损伤层。
35.采用维氏硬度仪测得激光冲击强化后表面硬度有明显提高，最大可由强化前746.78hv提高到782.04hv。利用旋转弯曲疲劳试验机，检测得8cr4mo4v轴承钢试样铝箔为吸收层时相比未强化的疲劳极限强度提高45.95%（如图7所示）。
36.实施例3。
37.一种采用上述方法进行处理的试样实例，其步骤为：步骤一：对8cr4mo4v轴承钢进行热处理，热处理条件为1090℃、保温32min，三次回火550℃、保温2.5h；步骤二：经过热处理后的8cr4mo4v轴承钢，采用金相砂纸240
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逐级打磨并利用金刚石研磨膏抛光，以获得光滑的冲击强化表面；步骤三：将冲击强化表面用乙醇清洗干净并吹干；步骤四：清洗干净的冲击强化表面粘贴吸收保护层（如图3所示）厚度为100μm，吸收保护层的材料为黑胶带；步骤五：将8cr4mo4v轴承钢试样装夹至机械臂卡盘，并调整所需冲击强化试样表面位置，使激光束与所需强化表面呈90
°
入射状态；步骤六：调整水路机械臂至8cr4mo4v轴承钢试样附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度45
°
，水膜厚度为1mm，使水帘均匀覆盖所需冲击强化表面；步骤七：设置激光参数，脉冲能量设为8j，脉宽设为15ns，方形光斑设置为4mm
×
4mm，搭接率30%，并进行激光冲击强化；步骤八：冲击强化后去除吸收层并用乙醇清洗干净；步骤九：采用研磨抛光的方法去除25μm的激光冲击强化后表面损伤层。
38.采用维氏硬度仪测得激光冲击强化后表面硬度有明显提高，最大可由强化前746.78hv提高到779.06hv，利用旋转弯曲疲劳试验机，检测得8cr4mo4v轴承钢试样加工掉25μm的强化层深度其疲劳极限强度大于1080mpa，由于旋转弯曲疲劳测试规定试样的疲劳寿命若能达到107循环周次而不断裂，则认为在该应力下疲劳寿命为无限长，即可认为其旋转弯曲疲劳极限大于1080mpa。
39.实施例4。
40.一种采用上述方法进行处理的试样实例，其步骤为：步骤一：对8cr4mo4v轴承钢进行热处理，热处理条件为1090℃、保温32min，三次回火550℃、保温2.5h；步骤二：经过热处理后的8cr4mo4v轴承钢，采用金相砂纸240
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逐级打磨并利用金刚石研磨膏抛光，以获得光滑的冲击强化表面；步骤三：将冲击强化表面用乙醇清洗干净并吹干；步骤四：清洗干净的冲击强化表面粘贴吸收保护层（如图3所示）厚度为100μm，吸收保护层的材料为黑胶带；步骤五：将8cr4mo4v轴承钢试样装夹至机械臂卡盘，并调整所需冲击强化试样表面位置，使激光束与所需强化表面呈90
°
入射状态；步骤六：调整水路机械臂至8cr4mo4v轴承钢试样附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度45
°
，水膜厚度为1mm，使水帘均匀覆盖所需冲击强化表面；步骤七：设置激光参数，脉冲能量设为8j，脉宽设为15ns，方形光斑设置为4mm
×
4mm，搭接率30%，并进行激光冲击强化；步骤八：冲击强化后去除吸收层并用乙醇清洗干净；步骤九：采用研磨抛光的方法去除50μm的激光冲击强化后表面损伤层。
41.采用维氏硬度仪测得激光冲击强化后表面硬度有明显提高，最大可由强化前746.78hv提高到774.50hv。利用旋转弯曲疲劳试验机，检测得8cr4mo4v轴承钢试样加工掉50μm的强化层深度其疲劳极限强度为大于1080mpa。
42.对比例1。
43.步骤一：对8cr4mo4v轴承钢进行热处理，热处理条件为1070-1100℃、保温15-35min，三次回火540-550℃、保温2.5h；步骤二：经过热处理后的8cr4mo4v轴承钢，采用金相砂纸240
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、1000
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逐级打磨并利用金刚石研磨膏抛光，以获得光滑的表面。
44.采用维氏硬度仪测得激光冲击强化后表面硬度有明显提高，最大可由强化前746.78hv提高到774.50hv。利用旋转弯曲疲劳试验机，检测得8cr4mo4v轴承钢试样的疲劳极限强度为740mpa。
45.表1 去掉不同强化层深度的疲劳试样结果。
46.由表1可知，采用本发明的激光冲击强化方法，8cr4mo4v轴承钢试样加工掉25μm、50μm的强化层深度其疲劳极限强度均大于1080mpa，说明加工掉25μm时已全部去除表面损伤层，而在强化层范围内去掉更深的强化层其疲劳极限强度不变。可知，本发明方法显著提
高了8cr4mo4v轴承钢表面压应力层深度和疲劳性能。
47.对比例2。
48.步骤一：对8cr4mo4v轴承钢进行热处理，热处理条件为1090℃、保温32min，三次回火550℃、保温2.5h；步骤二：经过热处理后的8cr4mo4v轴承钢，采用金相砂纸240
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逐级打磨并利用金刚石研磨膏抛光，以获得光滑的冲击强化表面；步骤三：将冲击强化表面用乙醇清洗干净并吹干；步骤四：清洗干净的冲击强化表面粘贴吸收保护层（如图3所示）厚度为60μm，吸收保护层的材料为黑胶带；步骤五：将8cr4mo4v轴承钢试样装夹至机械臂卡盘，并调整所需冲击强化试样表面位置，使激光束与所需强化表面呈90
°
入射状态；步骤六：调整水路机械臂至8cr4mo4v轴承钢试样附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度45
°
，水膜厚度为1mm，使水帘均匀覆盖所需冲击强化表面；步骤七：设置激光参数，脉冲能量设为8j，脉宽设为15ns，方形光斑设置为4mm
×
4mm，搭接率30%，并进行激光冲击强化；步骤八：冲击强化后去除吸收层并用乙醇清洗干净；步骤九：采用研磨抛光的方法去除适当厚度的激光冲击强化后表面损伤层。
49.采用维氏硬度仪测得激光冲击强化后表面硬度有明显提高，最大可由强化前746.78hv提高到755.30hv。利用旋转弯曲疲劳试验机，检测得8cr4mo4v轴承钢试样黑胶带为吸收层时相比未强化的疲劳极限强度提高20.27%。由此可知，吸收层厚度较小时，强化效果比实施例1较差。
50.对比例3。
51.步骤一：对8cr4mo4v轴承钢进行热处理，热处理条件为1090℃、保温32min，三次回火550℃、保温2.5h；步骤二：经过热处理后的8cr4mo4v轴承钢，采用金相砂纸240
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逐级打磨并利用金刚石研磨膏抛光，以获得光滑的冲击强化表面；步骤三：将冲击强化表面用乙醇清洗干净并吹干；步骤四：清洗干净的冲击强化表面粘贴吸收保护层（如图3所示）厚度为110μm，吸收保护层的材料为黑胶带；步骤五：将8cr4mo4v轴承钢试样装夹至机械臂卡盘，并调整所需冲击强化试样表面位置，使激光束与所需强化表面呈90
°
入射状态；步骤六：调整水路机械臂至8cr4mo4v轴承钢试样附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度45
°
，水膜厚度为1mm，使水帘均匀覆盖所需冲击强化表面；步骤七：设置激光参数，脉冲能量设为8j，脉宽设为15ns，方形光斑设置为4mm
×
4mm，搭接率30%，并进行激光冲击强化；步骤八：冲击强化后去除吸收层并用乙醇清洗干净；步骤九：采用研磨抛光的方法去除适当厚度的激光冲击强化后表面损伤层。
52.采用维氏硬度仪测得激光冲击强化后表面硬度有明显提高，最大可由强化前746.78hv提高到757.80hv。利用旋转弯曲疲劳试验机，检测得8cr4mo4v轴承钢试样黑胶带
为吸收层时相比未强化的疲劳极限强度提高21.62%。由此可知，吸收层厚度较大时，强化效果比实施例1较差。
53.对比例4。
54.步骤一：对8cr4mo4v轴承钢进行热处理，热处理条件为1090℃、保温32min，三次回火550℃、保温2.5h；步骤二：经过热处理后的8cr4mo4v轴承钢，采用金相砂纸240
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逐级打磨并利用金刚石研磨膏抛光，以获得光滑的冲击强化表面；步骤三：将冲击强化表面用乙醇清洗干净并吹干；步骤四：清洗干净的冲击强化表面粘贴吸收保护层（如图3所示）厚度为100μm，吸收保护层的材料为黑胶带；步骤五：将8cr4mo4v轴承钢试样装夹至机械臂卡盘，并调整所需冲击强化试样表面位置，使激光束与所需强化表面呈60
°
入射状态；步骤六：调整水路机械臂至8cr4mo4v轴承钢试样附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度45
°
，水膜厚度为1mm，使水帘均匀覆盖所需冲击强化表面；步骤七：设置激光参数，脉冲能量设为8j，脉宽设为15ns，方形光斑设置为4mm
×
4mm，搭接率30%，并进行激光冲击强化；步骤八：冲击强化后去除吸收层并用乙醇清洗干净；步骤九：采用研磨抛光的方法去除适当厚度的激光冲击强化后表面损伤层。
55.采用维氏硬度仪测得激光冲击强化后表面硬度有明显提高，最大可由强化前746.78hv提高到760.50hv。利用旋转弯曲疲劳试验机，检测得8cr4mo4v轴承钢试样黑胶带为吸收层时相比未强化的疲劳极限强度提高24.32%。由此可知，冲击角度较小时，强化效果比实施例1相对较差。
56.对比例5。
57.步骤一：对8cr4mo4v轴承钢进行热处理，热处理条件为1090℃、保温32min，三次回火550℃、保温2.5h；步骤二：经过热处理后的8cr4mo4v轴承钢，采用金相砂纸240
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逐级打磨并利用金刚石研磨膏抛光，以获得光滑的冲击强化表面；步骤三：将冲击强化表面用乙醇清洗干净并吹干；步骤四：清洗干净的冲击强化表面粘贴吸收保护层（如图3所示）厚度为100μm，吸收保护层的材料为黑胶带；步骤五：将8cr4mo4v轴承钢试样装夹至机械臂卡盘，并调整所需冲击强化试样表面位置，使激光束与所需强化表面呈120
°
入射状态；步骤六：调整水路机械臂至8cr4mo4v轴承钢试样附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度45
°
，水膜厚度为1mm，使水帘均匀覆盖所需冲击强化表面；步骤七：设置激光参数，脉冲能量设为8j，脉宽设为15ns，方形光斑设置为4mm
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4mm，搭接率30%，并进行激光冲击强化；步骤八：冲击强化后去除吸收层并用乙醇清洗干净；步骤九：采用研磨抛光的方法去除适当厚度的激光冲击强化后表面损伤层。
58.采用维氏硬度仪测得激光冲击强化后表面硬度有明显提高，最大可由强化前
746.78hv提高到759.80hv。利用旋转弯曲疲劳试验机，检测得8cr4mo4v轴承钢试样黑胶带为吸收层时相比未强化的疲劳极限强度提高22.97%。由此可知，冲击角度较大时，强化效果比实施例1较差些。
59.对比例6。
60.步骤一：对8cr4mo4v轴承钢进行热处理，热处理条件为1090℃、保温32min，三次回火550℃、保温2.5h；步骤二：经过热处理后的8cr4mo4v轴承钢，采用金相砂纸240
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逐级打磨并利用金刚石研磨膏抛光，以获得光滑的冲击强化表面；步骤三：将冲击强化表面用乙醇清洗干净并吹干；步骤四：清洗干净的冲击强化表面粘贴吸收保护层（如图3所示）厚度为100μm，吸收保护层的材料为黑胶带；步骤五：将8cr4mo4v轴承钢试样装夹至机械臂卡盘，并调整所需冲击强化试样表面位置，使激光束与所需强化表面呈90
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入射状态；步骤六：调整水路机械臂至8cr4mo4v轴承钢试样附近位置，水路机械臂出水口倾斜角度45
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，水膜厚度为1mm，使水帘均匀覆盖所需冲击强化表面；步骤七：设置激光参数，脉冲能量设为4j，脉宽设为15ns，方形光斑设置为4mm
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4mm，搭接率30%，并进行激光冲击强化；步骤八：冲击强化后去除吸收层并用乙醇清洗干净；步骤九：采用研磨抛光的方法去除适当厚度的激光冲击强化后表面损伤层。
61.采用维氏硬度仪测得激光冲击强化后表面硬度有明显提高，最大可由强化前746.78hv提高到750.20hv。利用旋转弯曲疲劳试验机，检测得8cr4mo4v轴承钢试样黑胶带为吸收层时相比未强化的疲劳极限强度提高18.92%。由此可知，激光能量较小时，强化效果比实施例1较差。
62.最后应强调的是：以上实施案例是对本发明的技术方案进行示范，并非限制其使用范围，对其材料参数以及尺寸参数的修改本发明仍然适用。