45鋼表面激光相變硬化處理的組織及性能

1、45 鋼表面激光相變硬化處理的組織及性能【摘 要】為了探討激光相變硬化處理對(duì) 45 鋼組織及 性能的影響， 利用 CO2 激光加工機(jī)對(duì)其進(jìn)行激光相變硬化處 理。利用掃描電子顯微鏡、電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)、鹽霧試驗(yàn)機(jī)等 研究了激光相變硬化層的顯微組織、硬度、耐蝕性能。結(jié)果 表明：激光相變硬化層分為熔化區(qū)、相變硬化區(qū)以及熱影響 區(qū)三部分。其組織依次為：混合馬氏體 +未溶碳化物、針狀 馬氏體、殘余奧氏體。掃描為速度為 2.0m/min 時(shí)試樣的顯 微硬度提高約 2 倍；隨掃描速度增加，耐蝕性先變好而后變 差?！娟P(guān)鍵詞】激光相變硬化；顯微組織；顯微硬度；耐腐 蝕性激光相變硬化是使金屬材料表面在高能量密度的激光

2、 束照射下成為熔化狀態(tài)，依靠材料自身快速冷卻凝固，產(chǎn)生 新的表面改性層的方法。利用這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)材料表面局 部的快速加熱和冷卻，從而獲得細(xì)密的非平衡快速凝固組織， 改變金屬材料的組織結(jié)構(gòu)，減少雜質(zhì)，提高基體中固溶的合 金元素。激光相變硬化主要用于強(qiáng)化零件表面，提高金屬材 料及零件的表面硬度，使零件表層具有良好的耐磨性、沖擊 韌性高、疲勞強(qiáng)度高等特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外最成功的運(yùn)用大 多集中在表面要求耐磨的工零件，研究成果大多集中在改性 層耐磨性、組織結(jié)構(gòu)研究 1-3 ，而在激光相變硬化硬化改性 層的腐蝕性能方面研究不多。為此，本文通過測(cè)試激光相變 硬化試樣的極化曲線及抗中性鹽霧性能研究了其耐蝕性能

3、， 以其為理論研究和實(shí)際應(yīng)用提供參考。1 實(shí)驗(yàn)方法基體材料選用 45 鋼，加工成直徑 10cm 的圓盤狀， 用磨 床磨平并用丙酮溶液對(duì)基體表面進(jìn)行清洗，除去表面的污垢 和油垢，再對(duì)試樣表面刷涂增吸收涂料， 激光吸收系數(shù)為 98%， 利用TLF-3200 CO2軸流激光器及 LASERCELL -100六軸六聯(lián) 動(dòng)三維激光加工機(jī)對(duì)材料進(jìn)行激光相變硬化處理，工藝參數(shù)： 輸出功率為 3200W，離焦量為130mm，試樣A、B、C、D的 掃描速度分別為： 1m/min 、 1.5m/min 、 2m/min 、 2.5m/min 。將激光相變硬化處理后的試樣經(jīng)05#金相砂紙打磨并拋光制成所需試樣，用

4、5%（體積硝酸 -酒精溶分?jǐn)?shù)）的液進(jìn)行腐蝕，用JSM-5600LV型掃描電鏡觀察試樣微觀組織。利用DMH-2LS努氏顯微硬度計(jì)沿試樣縱向測(cè)試激光相變硬化層硬度。載荷 25g，加載時(shí)間15s，從距試樣表面0.05mm 的位置開始沿深度方向進(jìn)行測(cè)量，平行測(cè)三點(diǎn)取平 均值。用環(huán)氧樹脂密封非改性層表面，在 EG&G M273 電化 學(xué)測(cè)試系統(tǒng)上測(cè)試激光相變硬化試樣的極化曲線。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析2.1 激光相變硬化層的顯微組織圖 1 為激光相變硬化改性層 SEM 典型宏觀形貌。 圖中從 上至下依次為熔化區(qū) （A）、相變硬化區(qū)（B）、熱影響區(qū)（C）、 基體（D）。硬化層厚度為 703卩m。由圖1可

5、見，改性層與 原始基體相比晶粒變得細(xì)小，這主要是受掃描速影響，當(dāng)激 光處理時(shí)的掃描速度較大時(shí)，激光對(duì)試樣的作用時(shí)間相對(duì)較 短，使得試樣吸收的能量少，初始晶核來不及長(zhǎng)大，導(dǎo)致了 奧氏體晶粒較細(xì)小，隨后相變硬化區(qū)得到的馬氏體晶粒也較 細(xì)小，同時(shí)掃描速度大也會(huì)使試樣表面存在較多的未熔碳化 物。熔化區(qū)的組織為馬氏體以及部分殘余奧氏體，同時(shí)存在 一定量的未溶碳化物。其中馬氏體組織是片狀馬氏體和板條 馬氏體的混合型結(jié)構(gòu)，但主要是較細(xì)小的片狀馬氏體，而板 條馬氏體的組織也相對(duì)較細(xì)。激光處理時(shí)激光相變硬化層的 熔化區(qū)與激光束作用時(shí)間最長(zhǎng)，加熱溫度最高，加之原始組 織成分比較均勻，加熱后形成的成分均一的奧氏體在

6、急速冷 卻時(shí)會(huì)形成馬氏體組織，而與此同時(shí)珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體較 充分，導(dǎo)致殘余奧氏體的含量要少于相變硬化區(qū)的中間部分。相變硬化區(qū)的組織與相變硬化層的熔化區(qū)相似，為混合 馬氏體以及部分殘余奧氏體。但是隨著距表面距離的增加， 會(huì)出現(xiàn)大量細(xì)針狀馬氏體。這是因?yàn)樘幚磉^程中高的過熱度 造成高的奧氏體形核率，而高的過冷度又造成奧氏體晶粒來 不及長(zhǎng)大，這使得冷卻后得到的馬氏體組織也較細(xì)。細(xì)針狀 馬氏體是提高基體表面的顯微硬度的主要原因。熱影響區(qū)即基體受高能密度激光束照射所引起組織及 性能變化的區(qū)域。該區(qū)組織為殘余奧氏體。圖 1 激光相變硬化層宏觀形貌2.2 激光相變硬化層的顯微硬度圖 2 為不同掃描速度條件下

7、試樣的的顯微硬度縱向分布 曲線。可以看出：經(jīng)過激光相變硬化處理的試樣表面硬度有 明顯的變化。相變硬化層具有較高的硬度，這是由于激光快 速加熱使得表面晶粒細(xì)小，從而形成馬氏體。同時(shí)由于碳來 不及擴(kuò)散，以至于表面的碳含量相對(duì)較高。圖中試樣C 的平均硬度最大，可達(dá)到 869HK。這是因?yàn)槠鋻呙杷俣容^大，在 加熱過程中，由于掃描速度大，激光束停留在試樣表面的時(shí) 間短，材料吸收的能量少，奧氏體晶粒不易長(zhǎng)大，導(dǎo)致在隨 后的冷卻過程中所得到的馬氏體細(xì)小均勻，從而使得其顯微 硬度較高。而試樣 D 雖然表面硬度較高，但是其掃描速度過 大，使得激光束與試樣的接觸時(shí)間較短，試樣表面所吸收的 能量較少， 受熱面積小，

8、 這導(dǎo)致了所得到的表面硬化層過薄， 不適于實(shí)際應(yīng)用。圖 2 試樣的顯微硬度分布2.3 激光相變硬化層的耐腐蝕性45 鋼表面經(jīng)激光相變硬化處理后的在濃度為 0.5mol/L的 H2SO4 溶液中的極化曲線見圖 3。由線性擬合得出的腐蝕動(dòng)力學(xué)參數(shù)為：自腐蝕電位Ecorr=-415.0mV;自腐蝕電流lcorr=3.012 X 10-5A?cm-2;極化電阻 Rp=19.12kQ ?cm-2。其 具有較低的自腐蝕電流、較高的自腐蝕電位和極化電阻，表 明激光相變硬化處理后耐腐蝕性能良好。主要原因在于：在 激光的快速加熱和快速冷卻作用下，基體表面一薄層瞬間熔 化并快速凝固，晶粒來不及長(zhǎng)大，在基體表面形成

9、致密的激 光改性層，對(duì)內(nèi)部基體起到良好的保護(hù)作用。圖 3 試樣的動(dòng)電位極化曲線3 結(jié)論（1）激光相變硬化處理后所得的相變硬化層分為熔化 區(qū)、相變硬化區(qū)以及熱影響區(qū)。其組織依次為：混合馬氏體 +未溶碳化物、細(xì)針狀馬氏體、殘余奧氏體。（2） 激光相變硬化處理后樣硬度顯著提高，約為基體3 倍。（3）極化曲線表明激光相變硬化處理后的耐腐蝕性明 顯提高。隨掃描速度提高，樣品耐蝕性呈先變好后變壞的趨 勢(shì)?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 劉江龍，鄒至榮，蘇寶 ?.高能束熱處理 M. 機(jī)械工業(yè) 出版社， 1997： 187.2 張偉，姚建華 .45 鋼表面激光合金化及其在螺桿強(qiáng)化中的應(yīng)用J.金屬熱處理，2007, 32 (11): 59.3 MUDALI U K， DAGAL R K. Improv