凸轮与从动件往往为高副接触，通常在高温、高转速与变压力作用下工作，容易导致凸轮工作面产生剧烈摩擦、磨损，从而影响设备的工作精度^[1,2]。机械零件的主要的失效形式为摩擦磨损^[3,4,5]。金属零件经表面激光淬火强化处理后，其表面硬度、耐磨性、耐蚀性及高温性能均可获得较大的提高^[6,7]，同时芯部仍可保持较好的韧性，耐冲击和抗疲劳性能，从而提高其使用寿命^[8]。目前学者主要采用CO₂激光器对45钢进行淬火研究，研究表明，激光淬火可以显著提高45钢的表面硬度及耐磨性，但存在激光波长较长，试样对激光的吸收率低，对能源的利用率低，且CO₂激光器设备占地面积大，柔性化弱等缺点。光纤激光作为新一代激光技术的代表^[9]，具有体积小、可调谐范围宽、光束质量好、光电转化率高和免维护等优点，且激光波长短，材料表面不需要黑化处理，对45钢淬火有很大优势，可以有效提高激光利用率，更加高效环保。文中采用光纤激光宽带扫描，对45钢的表面进行宽带激光淬火处理，研究不同激光功率条件下沿深度方向上硬度和显微组织的分布和淬火后45钢摩擦磨损性能，分析45钢的最佳激光淬火功率，为提高凸轮表面的耐磨性能提供试验依据。

试验采用最大功率为4 000 W的YLS-4000型光纤激光器。激光光斑为矩形光斑，光斑尺寸为10 mm×2 mm，激光波长1 070 nm，扫描速度为15 mm/s，激光功率分别为1 000、1 200、1 400、1 600和1 800 W。试样材料为调质态的45钢，激光淬火完成后，采用线切割将试样切割成20 mm×20 mm×10 mm小块，将试样经金相砂纸和抛光机抛光。硬度测试使用HVS-1000A型显微硬度仪，载荷9.8 N、载荷时间10 s。金相观察前用5%的硝酸酒精溶液腐蚀处理，采用金相显微镜和JSM-6360LA型扫描电子显微镜(SEM)观察不同工艺参数下的金相组织和形貌。摩擦磨损性能测试采用往复式干摩擦试验，试验仪器为CFT-I型材料表面性能综合测试仪，加载载荷20 N、试验时间20 min、行程10 mm。

如图 1(a)~(c)所示为试样在不同激光功率淬火后界面微观形貌。激光功率分别为1 200、1 600和1 800 W时，其所对应的淬硬层深度分别为0.2、0.5和0.7 mm，随着激光功率的增大，淬硬层深度不断增加。这是因为随着激光功率增大，45钢表面单位面积所吸收的热量增加，温升越高，达到奥氏体转变温度(Ac3)的范围更广，即淬硬层的深度越深。同时激光入射功率较大，淬火层和冷态基体之间的温度梯度越大，冷却速度越快，过冷奥氏体越容易转变为马氏体，有利于形成较厚的硬化层。

图 1 不同扫描功率下淬火后试样截面形貌 Fig. 1 Cross section morphologies of the laser quenched samples under different scanning powers

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图 2为激光功率为1 200、1 600和1 800 W时显微硬度垂直于表面纵向分布曲线。在经过光纤宽带激光淬火后，各个功率下试样表面的硬度均有很大的提升，最高硬度可达860 HV以上，是基体硬度(约245 HV)的3.7倍。在激光快速加热和冷却过程中，相变完成时间短，形成马氏体和残余奥氏体，晶体缺陷密度激增。晶粒细化和马氏体的高位错密度和高的碳固溶度可提高淬硬层的强度及耐磨性。但最大的硬度值并不出现在表层，而是出现在距表面约50~200 μm之间的次表面。这是因为试样表面的温度过高，加热后所形成的奥氏体晶粒较粗大，以至冷却后所形成的马氏体晶粒相对较粗，使得该区域的硬度值低于次表面。淬硬层硬度整体随深度的增加而降低，直至接近基体的硬度。随着淬硬深度的增加，由激光高能量转化的热量逐渐降低，因此马氏体组织的转变也减少，逐渐保持原始组织，硬度接近基体硬度。

图 2 显微硬度沿硬化层深度的分布 Fig. 2 Microhardness distribution along the depth of hardened layer

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功率为1 200、1 600和1 800 W时，在载荷为20 N下次表面最高硬度分别约780、906和864 HV。表现为随着激光功率增强，硬化层最高硬度逐渐升高。入射功率为1 200 W时，硬度沿纵向迅速下降，硬化层最浅。当入射功率为1 800 W时，显微硬度分布曲线波动较大，是因为激光功率过大，表面过热区较大，整个淬硬层深度较大且受热不均匀，导致奥氏体的含碳量不均匀，因此冷却后产生的马氏体含碳量不同，造成硬度分布不规律。同时激光功率过大，会使试样表面熔化，产生粗大的马氏体结构，表面硬度下降，这是当功率升为1 800 W后，表面硬度比功率为1 600 W时有所下降的主要原因。在文献^[11]中采用CO₂激光器对45钢淬火，在功率3 500 W时表面最高硬度为650 HV，而光纤激光淬火功率为1 600 W时表面最高硬度可达到906 HV，这说明光纤激光淬火更大程度上提高45钢的硬度。

对激光入射功率为1 600 W时试样界面进行检测，如图 3所示，选取3个区域001、002、003进行EDS分析。结果如表 1所示，其含碳量从表面至基体呈现下降的趋势，其作用机理为激光淬火后，自冷效应明显，奥氏体中碳原子来不及排出便转化为过饱和马氏体，且越接近表面其温度梯度越大。一般组织中含碳量高则硬度越高，从表面至基体含碳量呈逐渐下降趋势，这是显微硬度沿硬化层深度分布曲线变化的原因之一。

图 3 激光功率1 600 W时45钢界面EDS分析 Fig. 3 EDS analysis of the 45 steel interface at laser power of 1 600 W

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图 4为激光淬火后1 600 W试样金相组织形貌，淬硬层的深度随入射激光功率的增大而增大。激光硬化区从上到下分为3个区域：表面过热区、相变区和过渡区。图 1(a)中的硬化层分区不明显，这说明激光功率较低时试样表面接受到的光能较少，不能够形成一定的冷却梯度，所以得到的组织结构较单一，没有明显的硬化层分区。图 4(a)中显现出明显的硬化层分区。这是因为激光功率增大后，从表层到基体，其金相组织尺寸逐渐增大，激光相变明显。

图 4 1 600 W时激光淬火后试样的金相组织和SEM形貌 Fig. 4 Microstructure and SEM morphologies of the laser quenched samples at 1 600 W

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图 4(b)为表面过热区SEM的形貌，其微观组织主要为针状马氏体，淬火时表面过热区温度最高，甚至大大高于Ac3，因此冷却后生成马氏体组织最多同时还有少量的残余奥氏体和未熔碳化物的混合物，所以表面过热区的表面硬度高平均可以达到750 HV。图 4(c)为相变硬化区SEM的形貌。相变硬化区范围最宽，如图 4(a)所示。微观组织结构主要为板条状马氏体、残余奥氏体和原始组织的混合物，淬火时相变区的温度比表面过热区的温度稍低，但稍高于Ac3，激光作用时，有一部分基体组织还来不及转变为奥氏体就已冷却，保留下下原始的组织形态。这一区域的硬度低于表面过热区，平均硬度为650 HV。图 4(d)为过渡区SEM的形貌，其微观组织形貌为铁素体和珠光体且夹杂少量马氏体和屈氏体。过渡区离表面过热区较远，大部分热量还没来得及传导到过渡区就已经散去，因此激光作用对过渡区的影响小，所以过渡区的范围较小。通过对该微观组织的分析，验证了淬硬层硬度提高的原因是因为淬硬层组织细化和大量的马氏体分布。

不同激光功率下试样往复式磨损试验的磨损量如表 2所示。从表中可得，随着激光入射功率的增大磨损量减小，在功率增加到一定范围内磨损量趋于平稳。当功率超过1 600 W时，试样的磨损量仅为基体磨损量的30.9%，这说明光纤激光淬火后的45钢的耐磨性显著提高。其原因在于经光纤激光淬火后，硬化层组织含有大量细化马氏体，提高了试样表面硬度，因此耐磨性得到加强^[12,13,14]。由表 2激光功率为1 600 W时磨损深度出现了极值，这是由于激光功率达到一定值时，试样表面的硬度变化不大，因此试样的磨损量近乎相同，但激光功率1 600 W时，试样相变完全表面硬度高，因此磨损的深度浅，当激光功率升至1 800 W时，试样表面出现微熔现象，表面硬度低于1 600 W时的硬度值，因此反致磨损深度升高。在文献^[15]中可以得知CO₂激光淬火的45钢的试样，经过磨损实验后其磨损率为5.45×10^-3 mm³/N，远远大于试验中的最大磨损率1.435×10^-3 mm³/N，因此光纤激光淬火对于提升试样的耐磨性能有较大的优势。

45钢试样表面的摩擦因数随摩擦时间变化关系曲线图如图 5所示。在磨损开始阶段，激光淬火试样表面的摩擦因数随时间快速上升，随着摩擦时间的增加，摩擦因数在一定范围内稳定波动并且趋于平缓。图 5中可以看出45钢基体的摩擦因数较大且存在很大的波动，这说明基体的表面硬度很低，表面容易磨损。

图 5 激光淬火后试样表面摩擦因数与时间关系 Fig. 5 Friction coefficient of the laser quenched samples as a function of time

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从图 5中也看到1 200 W激光淬火试样表面摩擦因数远大于1 600和1 800 W。这说明激光功率较低时，试样表面硬度过低，表面易被对磨副破坏，造成表面粗糙度上升。磨损前期淬火功率为1 800 W时试样的摩擦因数高于1 600 W时的曲线，这说明激光功率过大时，试样表层分布的是晶粒粗大的马氏体，所以硬度较低，导致试样的耐磨性差。磨损一段时间后，1 800 W试样表面的摩擦因数下降并趋于稳定。这说明试样的次表层组织结构为细化的马氏体，因此硬度高，所以耐磨性好。试验约12 min时，1 800 W时试样表面的摩擦因数陡然上升，并持续升高。这说明由于激光功率过大，提高硬度的同时造成淬硬层脆性较差，发生脆性剥落，所以导致摩擦因数增大。

45钢基体和试样淬火后不同功率试样表面磨损形貌如图 6所示，其中图 6(a)为基体试样表面磨痕形貌，试样表面出现大小不一的深坑，表面非常凹凸不平，这说明基体的耐磨性较差。图 6(b)为激光功率1 200 W时试样表面磨痕形貌，试样表面凹凸不平，存在许多较深的犁沟，并且表面出现严重剥落，这说明激光功率较低时，试样表面的耐磨性差，也进一步说明，激光功率低时，试样的表面硬度低。图 6(c)为激光功率1 600 W时试样表面磨痕形貌，表面较平坦，只有局部的小凹坑和小划痕，说明试样表面耐磨性显著提高。图 6(d)为激光功率1 800 W时试样表面磨痕形貌，试样表面分布较多较浅的犁沟，并且局部有深划痕。其原因为激光功率过高时试样表面会出现微熔现象，试样表面硬度降低，导致试样表面耐磨性差。

图 6 45钢和不同功率淬火后覆层的表面磨痕形貌 Fig. 6 Worn morphologies of 45 steel and layers obtainded with different power

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(1) 激光淬火后45钢表面硬度得到大幅提高，是基体硬度的2～3倍。激光淬火的淬硬层深度和表面硬度随着激光的功率的增大而增大，但是在激光功率增大到一定范围内，淬硬层深度和表面硬度逐渐趋于稳定。激光功率过大可能导致表面重熔，降低其硬度。

(2) 光纤激光功率在(1 200～1 600 W)时，通过金相组织分析得出，淬硬层分为3个区域：表面过热区、相变区、过渡区。试样表面的硬度和耐磨性都得到了提升，特别激光功率为1 600 W时，表面的硬度和耐磨性的性能较好。

(3) 一定范围内，淬火后试样磨损量和摩擦因数随着激光功率的增大而降低。当功率过大时，表面过热区范围大，可能出现脆性剥落，导致摩擦因数变大。因此得出应用于45钢光纤激光淬火最佳功率为1600 W。

(4) 不用光纤激光淬火功率对试样表面进行黑化处理，节省时间，激光利用率远高于CO₂激光淬火。光纤激光淬火后试样表面硬度及耐磨性远优于CO₂激光淬火。