45鋼表面激光相變硬化改性組織及耐蝕性能

邱星武

(四川建筑職業技術學院,四川德陽618000)

45鋼表面激光相變硬化改性組織及耐蝕性能

邱星武

(四川建筑職業技術學院,四川德陽618000)

目的 為了改善45鋼表面狀態,提高其表面性能,采用CO2激光器對其表面進行激光相變硬化處理。方法 利用帶有能譜的掃描電子顯微鏡(SEM/EDS)、鹽霧試驗機等,對激光相變硬化層組織及耐蝕性能進行了觀察和分析。結果 激光相變硬化層由熔化區、相變硬化區和熱影響區三部分組成,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。隨掃描速度增加,耐蝕性先變好而后變差。結論 激光相變硬化處理可改善45鋼的表面性能,顯著提高其耐蝕性能。

激光相變硬化;顯微組織;耐蝕性能

激光相變硬化又稱為激光淬火,是指以高能密度的激光束照射材料表面,使其需要硬化部位瞬間吸收光能并立即轉化為熱能,從而使激光作用區的溫度急劇上升形成所需要的組織,進而達到表面改性目的的一種熱處理技術[1—10]。

45鋼是機械制造業中應用較廣的一種鋼種,其具有較高的強、韌、塑性,但是其耐磨性并不理想[11—16]。通常采用淬火+低溫回火工藝提高45鋼硬度、耐磨性。如果想進一步提高45鋼的強度,則韌性降低;而想提高韌性,則必須犧牲一定的強度,這樣就導致該材料的應用受到了限制。高能量激光束的出現為45鋼表面改性開辟了一條新的途徑,文中驗證了45鋼表面激光相變硬化層的組織與耐蝕性能,以期為拓展45鋼的應用范圍提供理論依據。

1 實驗

1.1 材料

基體材料為45鋼,加工成直徑10 cm的圓盤。

1.2 方法

先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CO2激光器對材料進行激光相變硬化處理,工藝參數:輸出功率為1000 W,試樣A,B,C,D的掃描速度分別為:4,5,6,7 mm/s。

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%硝酸-酒精溶液(體積分數)進行腐蝕,用JSM-5600LV型掃描電鏡觀察試樣微觀組織。

利用FDY/-03E型鹽霧試驗機和精度為0.0001 g的FA1104N型電子天平,采用失重法測試樣品耐腐蝕性能。腐蝕介質為0.5 mol/L的H2SO4溶液,實驗溫度為室溫,連續噴霧50 h。用丙酮清除樣品表面的腐蝕產物,冷風吹干后稱量腐蝕后樣品的質量,計算各個樣品的腐蝕速率。試樣放入鹽霧箱時,使受檢驗的表面與垂直方向呈15°～30°角。試樣間的距離控制在鹽霧能自由沉降在所有試樣上,且試樣表面的鹽水溶液不應滴在任何其他試樣上。試樣彼此互不接觸,也不得和其他金屬或吸水材料接觸。噴霧的大小和均勻性由噴嘴的位置和角度來控制。

2 分析與討論

2.1 顯微組織

圖1為激光相變硬化層顯微組織,相變硬化層由熔化區、相變硬化區和熱影響區三部分組成。

圖1a為相變硬化層熔化區。該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。

圖1b為相變硬化區。該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。細針狀馬氏體是基體表面的顯微硬度增大的主要原因。

圖1c為熱影響區,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 激光相變硬化層的顯微組織Fig.1 Microstructure of laser transformation hardening layer

2.2 耐蝕性能

鹽霧實驗是評定金屬材料的耐蝕性及涂層對基體金屬的保護程度的加速實驗方法。鹽霧實驗有中性鹽霧試驗(NSS)、醋酸鹽霧(AASS)和銅加速醋酸鹽霧(CASS,也稱氯化銅醋酸鹽霧)實驗3種,其中應用最廣的是中性鹽霧實驗,適用于檢驗多種金屬材料和涂層。本實驗采用中性鹽霧實驗對基體材料及激光相變硬化處理后的試樣進行測試。

將試樣放于鹽霧試驗機內,對其連續噴霧50 h,測試試樣前后的質量,以單位面積的質量損失來評價耐蝕性能,質量損失與耐蝕性成反比。鹽霧實驗結果見圖2。

圖2 激光相變硬化層的耐蝕性能Fig.2 Corrosion resistance of laser transformation hardening layer

基體的質量損失最大,即基體的耐腐蝕性最差。經過激光相變硬化處理的試樣的質量損失明顯低于基體,說明經過激光相變硬化處理的試樣耐腐蝕性有明顯的提高。這是因為激光束作用在基體表面,使表面的一薄層熔化,熔池中的對流傳質作用,能充分攪拌熔池,使熔池中氣體、夾雜物等上浮析出,形成較為致密的相變硬化層。激光處理過程中,獲得熱量的表層通過工件自身的熱傳導迅速冷卻,由于冷卻速度很快,使得所得到的馬氏體組織細小均勻。隨著掃描速度的增加,所得的馬氏體組織變得細小,細小均勻的組織使得形成微觀腐蝕原電池的幾率減小,從而使耐蝕性得到增強,但當掃描速度增加到一定程度時,激光相變硬化層變得很薄,組織缺陷增加,所以耐蝕性表現為下降趨勢。

3 結論

1)45鋼表面經激光相變硬化處理后改性層分為熔化區、相變硬化區和熱影響區三部分,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。

2)隨掃描速度增加,激光相變硬化層的耐蝕性先變好而后變差。

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Microstructure and Corrosion Resistance of Laser Transformation Hardening Modified on 45 Steel Surface

QIU Xing-wu
(Sichuan College of Architectural Technology,Deyang 618000,China)

In order to improve the surface properties of45 steel,the laser transformation hardening treatmentwas carried out by CO2laser on its surface.Themicrostructure and properties of alloying layer were analyzed by scanning electron microscope with energy spectrum(SEM/EDS),salt spray tester,etc.The laser transformation hardening layerwas constituted bymelting zone,transformation hardened zone and heat affected zone.Themicrostructure included themixed martensite plus undissolved carbides,acicularmartensite,and retained austenite.With the increase of the scanning speed,the corrosion resistance increased first and then decreased.After laser transformation hardening treatment,the surface properties of45 steelwere improved,which significantly increased the corrosion resistance.

laser transformation hardening;microstructure;corrosion resistance

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.017

TG156.3

:A

:1674-6457(2015)04-0080-04

2015-05-28

四川省德陽市重點科學技術研究項目(2013ZZ074-11)

邱星武(1982—),男,遼寧人,博士,講師,主要研究方向為材料改性及新材料。