45钢表面激光相变硬化改性组织及耐蚀性能

邱星武

(四川建筑职业技术学院,四川德阳618000)

45钢表面激光相变硬化改性组织及耐蚀性能

邱星武

(四川建筑职业技术学院,四川德阳618000)

目的 为了改善45钢表面状态,提高其表面性能,采用CO2激光器对其表面进行激光相变硬化处理。方法 利用带有能谱的扫描电子显微镜(SEM/EDS)、盐雾试验机等,对激光相变硬化层组织及耐蚀性能进行了观察和分析。结果 激光相变硬化层由熔化区、相变硬化区和热影响区三部分组成,其组织依次为:混合马氏体+未溶碳化物、针状马氏体、残余奥氏体。随扫描速度增加,耐蚀性先变好而后变差。结论 激光相变硬化处理可改善45钢的表面性能,显著提高其耐蚀性能。

激光相变硬化;显微组织;耐蚀性能

激光相变硬化又称为激光淬火,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间吸收光能并立即转化为热能,从而使激光作用区的温度急剧上升形成所需要的组织,进而达到表面改性目的的一种热处理技术[1—10]。

45钢是机械制造业中应用较广的一种钢种,其具有较高的强、韧、塑性,但是其耐磨性并不理想[11—16]。通常采用淬火+低温回火工艺提高45钢硬度、耐磨性。如果想进一步提高45钢的强度,则韧性降低;而想提高韧性,则必须牺牲一定的强度,这样就导致该材料的应用受到了限制。高能量激光束的出现为45钢表面改性开辟了一条新的途径,文中验证了45钢表面激光相变硬化层的组织与耐蚀性能,以期为拓展45钢的应用范围提供理论依据。

1 实验

1.1 材料

基体材料为45钢,加工成直径10 cm的圆盘。

1.2 方法

先用磨床磨平并用丙酮溶液对基体表面进行清洗,除去表面的污垢和油垢,再对试样表面刷涂增吸收涂料,激光吸收系数为98%,利用CO2激光器对材料进行激光相变硬化处理,工艺参数:输出功率为1000 W,试样A,B,C,D的扫描速度分别为:4,5,6,7 mm/s。

将激光相变硬化处理后的试样经0～5#金相砂纸打磨并抛光制成所需试样,用5%硝酸-酒精溶液(体积分数)进行腐蚀,用JSM-5600LV型扫描电镜观察试样微观组织。

利用FDY/-03E型盐雾试验机和精度为0.0001 g的FA1104N型电子天平,采用失重法测试样品耐腐蚀性能。腐蚀介质为0.5 mol/L的H2SO4溶液,实验温度为室温,连续喷雾50 h。用丙酮清除样品表面的腐蚀产物,冷风吹干后称量腐蚀后样品的质量,计算各个样品的腐蚀速率。试样放入盐雾箱时,使受检验的表面与垂直方向呈15°～30°角。试样间的距离控制在盐雾能自由沉降在所有试样上,且试样表面的盐水溶液不应滴在任何其他试样上。试样彼此互不接触,也不得和其他金属或吸水材料接触。喷雾的大小和均匀性由喷嘴的位置和角度来控制。

2 分析与讨论

2.1 显微组织

图1为激光相变硬化层显微组织,相变硬化层由熔化区、相变硬化区和热影响区三部分组成。

图1a为相变硬化层熔化区。该区的组织为马氏体以及部分残余奥氏体,同时存在一定量的未溶碳化物。其中马氏体组织是片状马氏体和板条马氏体的混合型结构,但主要是较细小的片状马氏体,而板条马氏体的组织也相对较细。激光处理时激光相变硬化层的熔化区与激光束作用时间最长,加热温度最高,加之原始组织成分比较均匀,加热后形成的成分均一的奥氏体在急速冷却时会形成马氏体组织,而与此同时珠光体转变成奥氏体较充分,导致残余奥氏体的含量要少于相变硬化区的中间部分。

图1b为相变硬化区。该区的组织与相变硬化层的熔化区相似,为混合马氏体以及部分残余奥氏体,但是随着距表面距离的增加,会出现大量细针状马氏体。这是因为处理过程中高的过热度造成高的奥氏体形核率,而高的过冷度又造成奥氏体晶粒来不及长大,这使得冷却后得到的马氏体组织也较细。细针状马氏体是基体表面的显微硬度增大的主要原因。

图1c为热影响区,即基体受高能密度激光束照射所引起组织及性能变化的区域。该区组织为残余奥氏体。

图1 激光相变硬化层的显微组织Fig.1 Microstructure of laser transformation hardening layer

2.2 耐蚀性能

盐雾实验是评定金属材料的耐蚀性及涂层对基体金属的保护程度的加速实验方法。盐雾实验有中性盐雾试验(NSS)、醋酸盐雾(AASS)和铜加速醋酸盐雾(CASS,也称氯化铜醋酸盐雾)实验3种,其中应用最广的是中性盐雾实验,适用于检验多种金属材料和涂层。本实验采用中性盐雾实验对基体材料及激光相变硬化处理后的试样进行测试。

将试样放于盐雾试验机内,对其连续喷雾50 h,测试试样前后的质量,以单位面积的质量损失来评价耐蚀性能,质量损失与耐蚀性成反比。盐雾实验结果见图2。

图2 激光相变硬化层的耐蚀性能Fig.2 Corrosion resistance of laser transformation hardening layer

基体的质量损失最大,即基体的耐腐蚀性最差。经过激光相变硬化处理的试样的质量损失明显低于基体,说明经过激光相变硬化处理的试样耐腐蚀性有明显的提高。这是因为激光束作用在基体表面,使表面的一薄层熔化,熔池中的对流传质作用,能充分搅拌熔池,使熔池中气体、夹杂物等上浮析出,形成较为致密的相变硬化层。激光处理过程中,获得热量的表层通过工件自身的热传导迅速冷却,由于冷却速度很快,使得所得到的马氏体组织细小均匀。随着扫描速度的增加,所得的马氏体组织变得细小,细小均匀的组织使得形成微观腐蚀原电池的几率减小,从而使耐蚀性得到增强,但当扫描速度增加到一定程度时,激光相变硬化层变得很薄,组织缺陷增加,所以耐蚀性表现为下降趋势。

3 结论

1)45钢表面经激光相变硬化处理后改性层分为熔化区、相变硬化区和热影响区三部分,其组织依次为:混合马氏体+未溶碳化物、针状马氏体、残余奥氏体。

2)随扫描速度增加,激光相变硬化层的耐蚀性先变好而后变差。

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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

四川省德阳市重点科学技术研究项目(2013ZZ074-11)

邱星武(1982—),男,辽宁人,博士,讲师,主要研究方向为材料改性及新材料。