一种利用激光冲击提高G13Cr4Mo4Ni4V钢表面硬度及耐磨性能的工艺方法

一种利用激光冲击提高g13cr4mo4ni4v钢表面硬度及耐磨性能的工艺方法
技术领域
1.本发明属于激光冲击强化技术领域，特别涉及一种利用激光冲击提高g13cr4mo4ni4v钢表面硬度及耐磨性能的工艺方法。


背景技术：

2.众所周知，轴承材料的性能是决定轴承质量好坏的重要因素，8cr4mo4v钢虽然强度高、耐高温，但其断裂韧性差，容易产生疲劳裂纹。继而，外硬内韧的g13cr4mo4ni4v渗碳轴承钢被研制出来，但由于渗碳层中碳化物颗粒尺寸细小，所以导致其表面硬度低于8cr4mo4v钢、耐磨性略差。激光冲击强化技术是新兴的表面强化技术，其力学效应使表层材料发生塑性变形，引入加工硬化效应，正适合用于提高g13cr4mo4ni4v渗碳轴承钢表面硬度及耐磨性。
3.近年来，激光冲击强化技术发展迅速，该技术不仅能够使金属材料表层产生有利的残余压应力，而且能够使金属材料表层的晶粒细化，生成大量位错、孪晶等微观组织结构，从而有效提高材料表层的疲劳强度、耐磨性能，同时激光冲击强化技术具有非接触、操作方便、可控性强和适用范围广等特点，因此在滚动轴承领域内具有良好的应用前景。
4.g13cr4mo4ni4v作为第二代航空轴承钢，广泛应用于航空轴承的制造，由于其表面硬度及耐磨性能有待进一步提高，且鉴于激光冲击强化技术的优异性，优选一种提高g13cr4mo4ni4v钢表面硬度及耐磨性能的激光冲击强化方法显得尤为重要。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种利用激光冲击提高g13cr4mo4ni4v钢表面硬度及耐磨性能的工艺方法，以解决现有g13cr4mo4ni4v钢轴承套圈表面硬度及耐磨性不足等问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种利用激光冲击提高g13cr4mo4ni4v钢表面硬度及耐磨性能的工艺方法，包括以下步骤：步骤一：对试样进行热处理工艺；步骤二：将步骤一中所述热处理工艺（真空气淬+回火）后的10
×
10
×
10块状试样打磨至粗糙度一致；步骤三：对试样粘贴黑色吸收层；步骤四：装夹试样于试验专用夹具上，进行激光冲击强化处理；步骤五：测定激光冲击强化处理后试样表面硬度和耐磨性；步骤六：测定激光冲击强化处理后试样耐磨性；进一步地，所述步骤一中，热处理工艺中淬火温度为1070-1090℃，保温30~35min，三次回火处理温度是540℃-560℃，保温1.5-3.5 h。每次回火前都需一次冷处理，冷处理温
度为-75℃~-65℃，保温2h~3h；真空气淬加热前真空度低于5
×
10-2
pa。
7.进一步地，，所述步骤三中，吸收层采用型号为2100frtv型黑胶带、黑漆或铝箔中的任意一种，粘贴吸收层要求紧密贴合工件、无气泡、无杂质等。
8.进一步地，所述步骤四中，用1.974gw/cm
2-3.333gw/cm2的激光功率密度来大面积冲击试样表面，水膜厚度为1-2mm。
9.进一步地，所述步骤四中，激光器能量分布采用平顶分布，光斑为4mm
×
4mm方形光斑，光斑采用50%-75%搭接率。
10.与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是。
11.1、本发明通过50%-75%搭接，用1.974gw/cm
2-3.333gw/cm2的激光功率密度进行冲击，使得大面积激光冲击效果更均匀，该方法明显增强了冲击效果，使得g13cr4mo4ni4v轴承钢表面硬度及耐磨性能显著增加。
12.2、本发明通过紧密粘贴黑色吸收保护层，增加了激光能量的吸收利用率。
13.3、本发明用1.974gw/cm
2-3.333gw/cm2的激光功率密度来大面积冲击试样表面，使试样表面硬度及耐磨性增加，且不至有烧蚀现象发生，水膜厚度为1-2mm，约束了爆炸冲击波，增加了靶材方向的冲击波峰值压力及持续时间。
14.4、本发明采用平顶分布的激光器能量束、50%-75%搭接率冲击试样表面，使试样表面硬度及耐磨性能均匀增加。
附图说明
15.图1是本发明的工艺方法的冲击路径图。
16.图2是本发明工艺方法的50%搭接率图。
17.图3是本发明工艺方法实施例1-4的表面硬度图。
18.图4是本发明工艺方法实施例1-4的冲击后耐磨性能图。
19.图5是本发明工艺方法的对比例1-2表面硬度结果图。
20.图6是本发明工艺方法中对比例1-2冲击后耐磨性能图。
21.图7是本发明工艺方法中对比例3-4冲击后耐磨性能图。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
23.一种利用激光冲击提高g13cr4mo4ni4v钢表面硬度及耐磨性能的工艺方法，包括以下步骤：步骤一：准备15块10mm
×
10mm
×
10mm试样进行热处理工艺，热处理工艺中淬火温度为1070℃-1090℃，保温30~35min，三次回火处理温度是540℃-560℃，保温1.5h-3.5 h。每次回火前都需一次冷处理，冷处理温度为-75℃~-65℃，保温2h~3h；真空气淬加热前真空度低于5
×
10-2
pa。
24.步骤二：将步骤一中热处理工艺后的10mm
×
10mm
×
10mm块状试样15块，采用240、600、1000、2000目砂纸打磨至粗糙度一致，分别编号a1、a2、a3，b1、b2、b2，c1、c2、c3，d1、d2、d3，e1、e2、e3，分为a、b、c、d、e五组。
25.步骤三：b、c、d、e组分别粘贴黑色吸收层，吸收层采用型号为2100frtv型黑胶带或黑漆或铝箔（吸收能量和防止激光烧蚀工件表面的作用），粘贴吸收层要求紧密贴合工件、无气泡、杂质等。
26.步骤四：装夹b、c、d、e组试样于试验专用夹具上，设置激光器参数，分别用1.974gw/cm
2-3.333gw/cm2的激光功率密度来大面积冲击试样，搭接率为50%-75%，激光器能量分布采用平顶分布，水膜厚度为1-2mm，冲击路径，如附图1。
27.步骤五：移动机械臂至装夹位置，取下工件，去除吸收层，微抛5-10μm后，再次置套圈于超声波清洗器内清洗5-10min，取出吹干。测试未冲击试样及不同参数冲击后试样表面硬度，记录硬度值，并对比激光冲击后试样表面硬度变化。
28.步骤六：进行摩擦磨损试验前将样品称重5-10次，记录初始重量（保留四位有效数字），然后安装至往复式摩擦磨损试验机夹具上，设定垂直试验力：1kn，往复次数：3600次，时间：3600s，频率：1hz，幅值：5mm，采用航空轴承专用油润滑，摩擦磨损试验结束后再次超声清洗、吹干、再次称重、记录实验数据。
29.实施例1。
30.步骤一：准备6块10mm
×
10mm
×
10mm试样进行热处理工艺，热处理工艺中淬火温度为1090℃，保温35min，三次回火处理温度是540℃，保温2 h。每次回火前都需一次冷处理，冷处理温度为-75℃，保温2.5h。真空气淬加热前真空度为5
×
10-2
pa。
31.步骤二：将步骤一热处理工艺（真空气淬+回火）后的10mm
×
10mm
×
10mm块状试样，采用240、600、1000、2000目砂纸打磨至粗糙度一致，分别编号a1、a2、a3，b1、b2、b2。
32.步骤三：a组不进行激光冲击工艺处理，b组粘贴黑色吸收层，吸收层采用型号为2100frtv型黑胶带（吸收能量和防止激光烧蚀工件表面的作用），粘贴吸收层要求紧密贴合工件、无气泡、无杂质等。
33.步骤四：装夹步骤三b组试样于试验专用夹具上，设置激光器参数，调节水膜厚度为2mm，用1.974gw/cm2的激光功率密度来大面积冲击试样，光斑搭接率为50%（一个面上冲击9个光斑）冲击路径，如附图1，50%搭接率，如附图2。
34.步骤五：移动机械臂至装夹位置，取下工件，去除吸收层，微抛10μm后，再次置套圈于超声波清洗器内清洗10min，取出吹干。测试未冲击试样及不同参数冲击后试样表面硬度，记录硬度值，并对比激光冲击后试样表面硬度变化，未冲击试样硬度为728.18hv，1.974gw/cm2的激光功率密度冲击后试样的表面硬度为730.88hv，如附图3。
35.步骤六：将步骤五所述试样用镊子夹持称重10次，记录初始重量（保留四位有效数字）后安装至往复式摩擦磨损试验机夹具上，设定垂直试验力：1kn，往复次数：3600次，时间：3600s，频率：1hz，幅值：5mm，采用航空轴承专用油润滑，摩擦磨损试验结束后再次超声清洗、吹干、再次称重、记录实验数据，未冲击试样磨损量为0.00595g，1.974gw/cm2的激光功率密度大面积冲击试样的磨损量为0.00133g，如附图4。
36.实施例2。
37.步骤一：准备6块10mm
×
10mm
×
10mm试样进行热处理工艺，热处理工艺中淬火温度为1090℃，保温35min，三次回火处理温度是540℃，保温2 h。每次回火前都需一次冷处理，冷处理温度为-75℃，保温2.5h。真空气淬加热前真空度为5
×
10-2
pa。
38.步骤二：将步骤一热处理工艺（真空气淬+回火）后的10mm
×
10mm
×
10mm块状试样，
采用240、600、1000、2000目砂纸打磨至粗糙度一致,分别编号a1、a2、a3,c1、c2、c3。
39.步骤三：a组不进行激光冲击工艺处理，c组分别粘贴黑色吸收层，吸收层采用型号为2100frtv型黑胶带（吸收能量和防止激光烧蚀工件表面的作用），粘贴吸收层要求紧密贴合工件、无气泡、无杂质等。
40.步骤四：装夹步骤二c组试样于试验专用夹具上，设置激光器参数，调节水膜厚度为2mm，分别用2.5gw/cm2的激光功率密度来大面积冲击试样，光斑搭接率为50%（一个面上冲击9个光斑）冲击路径，如附图1，50%搭接率，如附图2。
41.步骤五：移动机械臂至装夹位置，取下工件，去除吸收层，微抛10μm后，再次置套圈于超声波清洗器内清洗10min，取出吹干。测试未冲击试样及不同参数冲击后试样表面硬度，记录硬度值，并对比激光冲击后试样表面硬度变化，其结果是2.5gw/cm2的激光功率密度冲击后试样的表面硬度为740.7hv，如附图3。
42.步骤六：将a、c两组试样用镊子夹持称重10次，记录初始重量（保留四位有效数字）后安装至往复式摩擦磨损试验机夹具上，设定垂直试验力：1kn，往复次数：3600次，时间：3600s，频率：1hz，幅值：5mm，采用航空轴承专用油润滑，摩擦磨损试验结束后再次超声清洗、吹干、再次称重、记录实验数据，其结果是2.5gw/cm2的激光功率密度冲击后试样的磨损量为0.00021g，如附图4。
43.实施例3。
44.步骤一：准备6块10mm
×
10mm
×
10mm试样进行热处理工艺，热处理工艺中淬火温度为1090℃，保温35min，三次回火处理温度是540℃，保温2 h。每次回火前都需一次冷处理，冷处理温度为-75℃，保温2.5h。真空气淬加热前真空度为5
×
10-2
pa。
45.步骤二：将步骤一热处理工艺（真空气淬+回火）后的10mm
×
10mm
×
10mm块状试样，采用240、600、1000、2000目砂纸打磨至粗糙度一致,分别编号a1、a2、a3,d1、d2、d3。
46.步骤三：a组不进行激光冲击工艺处理，d组分别粘贴黑色吸收层，吸收层采用型号为2100frtv型黑胶带（吸收能量和防止激光烧蚀工件表面的作用），粘贴吸收层要求紧密贴合工件、无气泡、无杂质等。
47.步骤四：装夹步骤二d组试样于试验专用夹具上，设置激光器参数，调节水膜厚度为2mm，分别用2.632gw/cm2的激光功率密度来大面积冲击试样，光斑搭接率为50%（一个面上冲击9个光斑）冲击路径，如附图1，50%搭接率，如附图2。
48.步骤五：移动机械臂至装夹位置，取下工件，去除吸收层，微抛10μm后，再次置套圈于超声波清洗器内清洗10min，取出吹干。测试未冲击试样及不同参数冲击后试样表面硬度，记录硬度值，并对比激光冲击后试样表面硬度变化，其结果是2.632gw/cm2的激光功率密度冲击后试样的表面硬度为735.36hv，如附图3。
49.步骤六：将a、d两组试样用镊子夹持称重10次，记录初始重量（保留四位有效数字）后安装至往复式摩擦磨损试验机夹具上，设定垂直试验力：1kn，往复次数：3600次，时间：3600s，频率：1hz，幅值：5mm，采用航空轴承专用油润滑，摩擦磨损试验结束后再次超声清洗、吹干、再次称重、记录实验数据，其结果是2.632gw/cm2的激光功率密度冲击后试样的磨损量为0.00038g，如附图4。
50.实施例4。
51.步骤一：准备6块10mm
×
10mm
×
10mm试样进行热处理工艺，热处理工艺中淬火温度
为1090℃，保温35min，三次回火处理温度是540℃，保温2 h。每次回火前都需一次冷处理，冷处理温度为-75℃，保温2.5h。真空气淬加热前真空度为5
×
10-2
pa。
52.步骤二：将步骤一热处理工艺（真空气淬+回火）后的10mm
×
10mm
×
10mm块状试样，采用240、600、1000、2000目砂纸打磨至粗糙度一致,分别编号a1、a2、a3,e1、e2、e3。
53.步骤三：a组不进行激光冲击工艺处理，e组分别粘贴黑色吸收层，吸收层采用型号为2100frtv型黑胶带（吸收能量和防止激光烧蚀工件表面的作用），粘贴吸收层要求紧密贴合工件、无气泡、杂质等。
54.步骤四：装夹步骤二e组试样于试验专用夹具上，设置激光器参数，调节水膜厚度为2mm，分别用3.333gw/cm2的激光功率密度来大面积冲击试样，光斑搭接率为50%（一个面上冲击9个光斑）冲击路径，如附图1，50%搭接率，如附图2。
55.步骤五：移动机械臂至装夹位置，取下工件，去除吸收层，微抛10μm后，再次置套圈于超声波清洗器内清洗10min，取出吹干。测试未冲击试样及不同参数冲击后试样表面硬度，记录硬度值，并对比激光冲击后试样表面硬度变化，其结果是2.5gw/cm2的激光功率密度冲击后试样的表面硬度为745.18hv，如附图3。
56.步骤六：将a、e两组试样用镊子夹持称重10次，记录初始重量（保留四位有效数字）后安装至往复式摩擦磨损试验机夹具上，设定垂直试验力：1kn，往复次数：3600次，时间：3600s，频率：1hz，幅值：5mm，采用航空轴承专用油润滑，摩擦磨损试验结束后再次超声清洗、吹干、再次称重、记录实验数据，其结果是3.333gw/cm2的激光功率密度冲击后试样的磨损量为0.00181g，如附图4。
57.对比例1。
58.步骤一：准备6块10mm
×
10mm
×
10mm试样进行热处理工艺，热处理工艺中淬火温度为1090℃，保温35min，三次回火处理温度是540℃，保温2 h。每次回火前都需一次冷处理，冷处理温度为-75℃，保温2.5h。真空气淬加热前真空度为5
×
10-2
pa。
59.步骤二：将步骤一热处理工艺（真空气淬+回火）后的10mm
×
10mm
×
10mm块状试样，采用240、600、1000、2000目砂纸打磨至粗糙度一致，分别编号a1、a2、a3，b1、b2、b2。
60.步骤三：a组不进行激光冲击工艺处理，b组粘贴黑色吸收层，吸收层采用型号为2100frtv型黑胶带（吸收能量和防止激光烧蚀工件表面的作用），粘贴吸收层要求紧密贴合工件、无气泡、无杂质等。
61.步骤四：装夹步骤三b组试样于试验专用夹具上，设置激光器参数，调节水膜厚度为2mm，用1.1904gw/cm2的激光功率密度来大面积冲击试样，光斑搭接率为50%（一个面上冲击9个光斑）冲击路径，如附图1，50%搭接率，如附图2。
62.步骤五：移动机械臂至装夹位置，取下工件，去除吸收层，微抛10μm后，再次置套圈于超声波清洗器内清洗10min，取出吹干。测试未冲击试样及不同参数冲击后试样表面硬度，记录硬度值，并对比激光冲击后试样表面硬度变化，未冲击试样硬度为728.18hv，1.1904gw/cm2的激光功率密度冲击后试样的表面硬度为728.3hv, 如附图5。
63.步骤六：将步骤五所述试样用镊子夹持称重10次，记录初始重量（保留四位有效数字）后安装至往复式摩擦磨损试验机夹具上，设定垂直试验力：1kn，往复次数：3600次，时间：3600s，频率：1hz，幅值：5mm，采用航空轴承专用油润滑，摩擦磨损试验结束后再次超声清洗、吹干、再次称重、记录实验数据，未冲击试样磨损量为0.00595g，1.1904gw/cm2的激光
功率密度大面积冲击试样的磨损量为0.00233g，如附图6。
64.对比例2。
65.步骤一：准备6块10mm
×
10mm
×
10mm试样进行热处理工艺，热处理工艺中淬火温度为1090℃，保温35min，三次回火处理温度是540℃，保温2 h。每次回火前都需一次冷处理，冷处理温度为-75℃，保温2.5h。真空气淬加热前真空度为5
×
10-2
pa。
66.步骤二：将步骤一热处理工艺（真空气淬+回火）后的10mm
×
10mm
×
10mm块状试样，采用240、600、1000、2000目砂纸打磨至粗糙度一致，分别编号a1、a2、a3，b1、b2、b2。
67.步骤三：a组不进行激光冲击工艺处理，b组粘贴黑色吸收层，吸收层采用型号为2100frtv型黑胶带（吸收能量和防止激光烧蚀工件表面的作用），粘贴吸收层要求紧密贴合工件、无气泡、无杂质等。
68.步骤四：装夹步骤三b组试样于试验专用夹具上，设置激光器参数，调节水膜厚度为2mm，用3.417gw/cm2的激光功率密度来大面积冲击试样，光斑搭接率为50%（一个面上冲击9个光斑）冲击路径，如附图1，50%搭接率，如附图2。
69.步骤五：移动机械臂至装夹位置，取下工件，去除吸收层，微抛10μm后，再次置套圈于超声波清洗器内清洗10min，取出吹干。测试未冲击试样及不同参数冲击后试样表面硬度，记录硬度值，并对比激光冲击后试样表面硬度变化，未冲击试样硬度为728.18hv，3.417gw/cm2的激光功率密度冲击后试样的表面硬度为746.9hv, 如附图5。
70.步骤六：将步骤五所述试样用镊子夹持称重10次，记录初始重量（保留四位有效数字）后安装至往复式摩擦磨损试验机夹具上，设定垂直试验力：1kn，往复次数：3600次，时间：3600s，频率：1hz，幅值：5mm，采用航空轴承专用油润滑，摩擦磨损试验结束后再次超声清洗、吹干、再次称重、记录实验数据，未冲击试样磨损量为0.00595g，3.417gw/cm2的激光功率密度大面积冲击试样的磨损量为0.00258g，如附图6。
71.对比例3。
72.步骤一：准备6块10mm
×
10mm
×
10mm试样进行热处理工艺，热处理工艺中淬火温度为1090℃，保温35min，三次回火处理温度是540℃，保温2 h。每次回火前都需一次冷处理，冷处理温度为-75℃，保温2.5h。真空气淬加热前真空度为5
×
10-2
pa。
73.步骤二：将步骤一热处理工艺（真空气淬+回火）后的10mm
×
10mm
×
10mm块状试样，采用240、600、1000、2000目砂纸打磨至粗糙度一致，分别编号a1、a2、a3，b1、b2、b2。
74.步骤三：a组不进行激光冲击工艺处理，b组粘贴黑色吸收层，吸收层采用型号为2100frtv型黑胶带（吸收能量和防止激光烧蚀工件表面的作用），粘贴吸收层要求紧密贴合工件、无气泡、无杂质等。
75.步骤四：装夹步骤三b组试样于试验专用夹具上，设置激光器参数，调节水膜厚度为2mm，用1.974gw/cm2的激光功率密度来大面积冲击试样，光斑搭接率为30%（一个面上冲击9个光斑）冲击路径，如附图1。
76.步骤五：移动机械臂至装夹位置，取下工件，去除吸收层，微抛10μm后，再次置套圈于超声波清洗器内清洗10min，取出吹干。测试未冲击试样及不同参数冲击后试样表面硬度，记录硬度值，并对比激光冲击后试样表面硬度变化，未冲击试样硬度为728.18hv，1.974gw/cm2的激光功率密度冲击后试样的表面硬度分布不均匀，分别为728.9、730.88hv。
77.步骤六：将步骤五所述试样用镊子夹持称重10次，记录初始重量（保留四位有效数
字）后安装至往复式摩擦磨损试验机夹具上，设定垂直试验力：1kn，往复次数：3600次，时间：3600s，频率：1hz，幅值：5mm，采用航空轴承专用油润滑，摩擦磨损试验结束后再次超声清洗、吹干、再次称重、记录实验数据，未冲击试样磨损量为0.00595g，1.974gw/cm2的激光功率密度大面积冲击试样的磨损量为0.00183g，如附图7。
78.对比例4。
79.步骤一：准备6块10mm
×
10mm
×
10mm试样进行热处理工艺，热处理工艺中淬火温度为1090℃，保温35min，三次回火处理温度是540℃，保温2 h。每次回火前都需一次冷处理，冷处理温度为-75℃，保温2.5h。真空气淬加热前真空度为5
×
10-2
pa。
80.步骤二：将步骤一热处理工艺（真空气淬+回火）后的10mm
×
10mm
×
10mm块状试样，采用240、600、1000、2000目砂纸打磨至粗糙度一致，分别编号a1、a2、a3，b1、b2、b2。
81.步骤三：a组不进行激光冲击工艺处理，b组粘贴黑色吸收层，吸收层采用型号为2100frtv型黑胶带（吸收能量和防止激光烧蚀工件表面的作用），粘贴吸收层要求紧密贴合工件、无气泡、无杂质等。
82.步骤四：装夹步骤三b组试样于试验专用夹具上，设置激光器参数，调节水膜厚度为2mm，用1.974gw/cm2的激光功率密度来大面积冲击试样，光斑搭接率为80%（一个面上冲击9个光斑）冲击路径，如附图1。
83.步骤五：移动机械臂至装夹位置，取下工件，去除吸收层，微抛10μm后，再次置套圈于超声波清洗器内清洗10min，取出吹干。测试未冲击试样及不同参数冲击后试样表面硬度，记录硬度值，并对比激光冲击后试样表面硬度变化，未冲击试样硬度为728.18hv，1.974gw/cm2的激光功率密度冲击后试样的表面硬度为731.2hv、733.8hv,表面硬度分布不均匀。
84.步骤六：将步骤五所述试样用镊子夹持称重10次，记录初始重量（保留四位有效数字）后安装至往复式摩擦磨损试验机夹具上，设定垂直试验力：1kn，往复次数：3600次，时间：3600s，频率：1hz，幅值：5mm，采用航空轴承专用油润滑，摩擦磨损试验结束后再次超声清洗、吹干、再次称重、记录实验数据，未冲击试样磨损量为0.00595g，1.974gw/cm2的激光功率密度大面积冲击试样的磨损量为0.00156g，如附图7。
85.以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。