4 5鋼表面激光相變硬化處理的組織及性能

邱星武 李世博 劉春閣

（1.四川建筑職業技術學院材料工程系，四川 德陽618000；2.西安理工大學材料科學與工程學院，陜西 西安710048；3.四川建筑職業技術學院測繪工程系，四川 德陽 618000）

激光相變硬化是使金屬材料表面在高能量密度的激光束照射下成為熔化狀態，依靠材料自身快速冷卻凝固，產生新的表面改性層的方法。利用這種技術可以實現材料表面局部的快速加熱和冷卻，從而獲得細密的非平衡快速凝固組織，改變金屬材料的組織結構，減少雜質，提高基體中固溶的合金元素。激光相變硬化主要用于強化零件表面，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、疲勞強度高等特點。目前，國內外最成功的運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、組織結構研究[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，以其為理論研究和實際應用提供參考。

1 實驗方法

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基體表面進行清洗，除去表面的污垢和油垢，再對試樣表面刷涂增吸收涂料，激光吸收系數為98%，利用TLF-3200 CO2軸流激光器及LASERCELL-1005六軸六聯動三維激光加工機對材料進行激光相變硬化處理，工藝參數：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0～5＃金相砂紙打磨并拋光制成所需試樣，用5%（體積硝酸-酒精溶分數）的液進行腐蝕，用JSM-5600LV型掃描電鏡觀察試樣微觀組織。

利用DMH-2LS努氏顯微硬度計沿試樣縱向測試激光相變硬化層硬度。載荷25g，加載時間15s，從距試樣表面0.05mm的位置開始沿深度方向進行測量，平行測三點取平均值。用環氧樹脂密封非改性層表面，在EG&G M273電化學測試系統上測試激光相變硬化試樣的極化曲線。

2 實驗結果及分析

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(A)、相變硬化區(B)、熱影響區(C)、基體(D)。硬化層厚度為703μm。由圖1可見，改性層與原始基體相比晶粒變得細小，這主要是受掃描速影響，當激光處理時的掃描速度較大時，激光對試樣的作用時間相對較短，使得試樣吸收的能量少，初始晶核來不及長大，導致了奧氏體晶粒較細小，隨后相變硬化區得到的馬氏體晶粒也較細小，同時掃描速度大也會使試樣表面存在較多的未熔碳化物。

熔化區的組織為馬氏體以及部分殘余奧氏體，同時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構，但主要是較細小的片狀馬氏體，而板條馬氏體的組織也相對較細。激光處理時激光相變硬化層的熔化區與激光束作用時間最長，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急速冷卻時會形成馬氏體組織，而與此同時珠光體轉變成奧氏體較充分，導致殘余奧氏體的含量要少于相變硬化區的中間部分。

相變硬化區的組織與相變硬化層的熔化區相似，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，會出現大量細針狀馬氏體。這是因為處理過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大，這使得冷卻后得到的馬氏體組織也較細。細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域。該區組織為殘余奧氏體。

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試樣的的顯微硬度縱向分布曲線?？梢钥闯觯航涍^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小，從而形成馬氏體。同時由于碳來不及擴散，以至于表面的碳含量相對較高。圖中試樣C的平均硬度最大，可達到869HK。這是因為其掃描速度較大，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間短，材料吸收的能量少，奧氏體晶粒不易長大，導致在隨后的冷卻過程中所得到的馬氏體細小均勻，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間較短，試樣表面所吸收的能量較少，受熱面積小，這導致了所得到的表面硬化層過薄，不適于實際應用。

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力學參數為：自腐蝕電位Ecorr＝-415.0mV； 自腐蝕電流Icorr＝3.012×10-5A·cm-2；極化電阻 Rp＝19.12kΩ·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，晶粒來不及長大，在基體表面形成致密的激光改性層，對內部基體起到良好的保護作用。

圖3 試樣的動電位極化曲線

3 結論

（1）激光相變硬化處理后所得的相變硬化層分為熔化區、相變硬化區以及熱影響區。其組織依次為：混合馬氏體+未溶碳化物、細針狀馬氏體、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。

［1］劉江龍,鄒至榮,蘇寶嫆.高能束熱處理[M].機械工業出版社,1997:187.

［2］張偉,姚建華.45鋼表面激光合金化及其在螺桿強化中的應用[J].金屬熱處理,2007,32(11):59.

［3］MUDALI U K,DAGAL R K.Improving inter granular corrosion resistance of sensitized type 316 stainless steel by laser melting [J].Mater Eng Perform,1992,1(3):341.