40Cr 激光熔凝硬化组织形态及性能研究.doc

《40Cr 激光熔凝硬化组织形态及性能研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《40Cr 激光熔凝硬化组织形态及性能研究.doc（7页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、免费查阅精品论文40Cr 激光熔凝硬化组织形态及性能研究李刚，邱玲，邱星武 辽宁工程技术大学材料科学与工程系，辽宁阜新 (123000) E-mail：摘要：本实验选用 40Cr 为基体材料，利用 TLF-3200 CO2 激光器及 LASERCELL-1005 六 轴六联动三维激光加工机对其进行激光熔凝硬化的处理。而后分析研究在不同工艺参数条件下所得到试样的组织及性能。结果表明：激光处理后的硬化层由熔凝区、相变硬化区和热影 响区，组织为细小均匀的马氏体，产生了高的位错密度，这些是显微硬度提高的主要原因。 关键词：40Cr；激光熔凝硬化；显微硬度中图分类号：TG156.99文献标识码： A1.

2、 引言激光表面热处理是金属材料表面强化的重要方法之一，它始于 20 世纪 60 年代具有 加热速度快、热效率高、加热范围及热变形小等特点，受到了材料研究工作者的广泛关 注，并进行了许多开发性研究1。例如，激光相变硬化加工方法早在 70 年代就己在美 国通用汽车公司 Saginaw 工厂的转向器生产线上得到应用2。伴随着激光热处理技术的研究与开发，高能激光束表面处理已广泛应用于机械制造与维 修、汽车制造、纺织机械、航海与航天、石油化工等领域。湖南省激光热处理协作组、江苏 激光所分别与有关单位合作，采用百瓦级 CO2 激光对汽车活塞环激光熔凝技术进行了研究。通过实验室工作和装车试验，表明经过激光熔

3、凝硬化的活塞环的汽车行驶里程可达 12 万公里，它比普通活塞环的使用寿命高一倍，而成本又显著低于镀 Cr 或喷 Mo 的活塞环3。武 汉涟源钢铁公司与华中科技大学合作，采用 5kW 连续 CO2 激光器和激光加工机床对冶金用 铸钢轧辊进行激光熔凝强化处理，轧辊的表面硬度在原有的 HS35-40 升高到 HS70-85，强化 区的深度可达 2mm。在实际应用中，轧辊过钢量提高了 1. 5-1. 8 倍，使激光熔凝处理成为 提高轧辊过钢量的一个有效途径4。以往研究人员大多采用横流 C02 激光器对材料进行热处理，主要因为横流激光器一般输 出高阶模，其光束横截而上能量分布较均匀。而由于低阶高斯模或准

4、高斯模，其能量分布不 均匀，光斑边缘处能量逐渐趋于几零。与此能量模式相对应的硬化带横截而为月牙形，硬化 深度等都不及高阶模均匀。因此研究者一般认为，输出低阶模光束的轴流 C02 激光器等不适 用于材料热处理。轴流 C02 激光器的能量分布特点决定其常用于切割与焊接5。激光表面硬化通常采用横流多模激光束进行，轴流基模光束不适合应用于该领域，为开拓轴流基模光束的应用范围，本论文研究常用工程机构钢（40Cr）在轴流基模条件下表面熔 凝改性层组织形貌特征以及硬度分布等的变化，以期为轴流基模光束在表面改性领域的应用 提供理论依据。2 实验材料及实验方法2.1 实验材料本实验所用材料为正火态的 40Cr，

5、其原始成分见表 1- 7 -表 1 40Cr 原始成分(质量分数，%)Table.1 The original composition (mass fraction, %) of 40CrCSiMnPNiSCr0.370.450.20.40.50.80.0350.350.0350. 8%1.12.2.实验方法2.2.1 激光熔凝硬化处理本实验采用 TURMPF TLF-3200 快速轴流 CO2 激光器及 LASERCELL-1005 六轴六联动 三维激光加工机床对经过刷涂增吸收涂料的 40Cr 试块进行激光熔凝硬化处理，同时用氩气 进行保护，工艺参数如下；试验中用激光对 40Cr 钢表面进行

6、扫描，采用激光功率 P 为 3200W，对 12 个试样分别 用不同的扫描速度 V，和不同的离焦量进行处理，如下表所示：表 2 试样的工艺参数Table2 The processing parameters of samples试样号ABCDEFGHIJKL扫描速度/mmin-12.02.53.03.54.04.50.71.01.52.02.53.0离焦量/mm1201201201201201201401401401401401402.2.2. 显微组织观察及力学性能测试1)将试块沿垂直扫描带方向切制成 45mm10mml0mm 试样，磨平抛光，用 4%的硝酸 酒精溶液腐蚀，制成金相试样。用

7、SSX-550 型扫描电子显微镜观察试样的显微组织。2)用 DMH-2LS 努氏显微硬度计，在 25 克载荷下，加载时间为 15s 时，测定试样熔凝硬 化层及基体的显微硬度。从距试样表面 0.05mm 的位置开始沿深度方向进行测量。在测试过 程中，相邻测试点之间的距离为 0.1mm。测试的最大深度要远远大于激光熔凝所产生的热影 响深度。3) 用 ZF-3 恒电位仪做阳极极化试验。参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为 Pt 电极， 在浓度分别为 0.25%、0.5%、1%、27%的 H2SO4 溶液中测其阳极极化曲线；3. 试验结果与分析3.1 熔凝硬化的显微组织激光硬化层的截面显微组织形貌如图

8、3-1，3-2 所示，熔凝后的硬化层主要由三层组成， 由表至里依次为熔凝层、相变硬化层、热影响层。图 3-1 试样 G 的硬化层显微组织全貌Fig3-1 Sample G hardened layer microstructure of the whole picture图 3-2 试样 C 的硬化层显微组织全貌Fig3-1 Sample C hardened layer microstructure of the whole图 3-1 为激光熔凝层的全貌组织。图中从右至左依次为熔凝层表面、热影响区、过渡区、基体。如图 3-1 试样 G 的显微组织结构，其厚度为 1.53mm，图 3-2 为试

9、样 C 的显微组织结 构，其厚度为 482 m。两图对比可以看出，激光熔凝时的工艺可以调节熔凝层的厚度，相 对来说，扫描速度较小的时候所形成的熔凝层厚度要大，所以我们可以利用控制扫描速度来 获得我们所要求的表面硬化层的厚度。熔凝层组织形貌如图 3-3 所示。图 3-3 熔凝层表面Fig.3-3 surface of melt coatings图 3-4 相变硬化区中部组织Fig.3-4 heat-affected of melt coatings如图 3-3 熔凝区为细小马氏体+残余奥氏体+碳化物（Cr7C3+Fe3C），碳化物弥散析出于基体上。激光束的功率很高，作用时间短，熔凝区可造成很高的

10、温度梯度，一旦光束扫过后， 熔体区就会迅速把热量传到工件内部而冷凝。冷却速度可达 106-109/s，较常规铸造时的 凝固速度高 3-4 个数量级。当冷却速度达到每秒百万度时，过冷速度可达到 100以上。 显微组织形貌与过冷程度有密切的关系。根据 Tiler Chalmers 的成分过冷理论21，当温度梯 度与冷却速度的比值越小，越易出现成分过冷。相变硬化层的组织形貌如图 3-4 所示，主要由马氏体组成，由于高功率激光辐照，材料 表面温度最高，升温最快，作用时间相对最长，组织转变是在极大的过热度和过冷度的非平衡状态下进行的，随后各种合金元素存在扩散和迁移现象，但与常规热处理相比，扩散时间远远不

11、足。因此，奥氏体中的合金元素分布很不均匀，使其各部分的马氏体转变温度有很大 的差异，冷却后形成高碳马氏体、低碳马氏体和残余奥氏体。同时，晶粒的形核率大大提高， 致使硬化层组织非常细小均匀，位错密度较高，呈微细隐针状。3.2 熔凝硬化层的显微硬度12001000显微硬度值/HK8006004002002 .02 .53. 03. 54.04.5扫 描速度 /m min -1图 3-5 试样硬化层表层显微硬度随扫描速度变化曲线（a）P=3200W，f=140mm；（b）P=3200W，f=120mmFigure3-5 Sample surface hardening layer microhard

12、ness with scanning speed curve图 3-5 分别是在离焦量为 120mm，140mm 情况下扫描速度对熔凝层表层硬度的影响曲 线图。由图可以看出，扫描速度由 2.0m/min-4.5m/min 逐渐递增时，硬化层表层的硬度出现 了先升后降的趋势，在速度为 2.5m/min 时显微硬度值最高，达到 1097HK。原因是：1)在小于峰值时，扫描速度增大，材料与激光束的作用时间越短，冷却速度越快， 加热层越薄，强化效果越强。2)当扫描速度越过峰值后，加热能力大大降低，有时候达不到临界点，使强化效果 大大降低。11001000900800试样C 试样D 试样E9008007

13、00700600600500显微硬度值/HK4003002000.00.20.40.60.81.0距表 面距离/mm500400300200试样G 试样I 试样J0.00.2 0.40.60.81.0 1.21.41.6 1.8距表 面距离/mm显微硬度值/HK（a）（b）图 3-6 扫描速度对显微硬度和硬化层深的影响（a）P=3200W，f=120mm；（b）P=3200W，f=140mmFigure3-6 Scanning speed of microhardness and hardening layer deep impact图 3-6（a）为在功率 P=3200W 和离焦量 f=12

14、0mm 情况下，扫描速度对显微硬度和硬化层深度的影响。扫描速度的不同使硬化层最高硬度值显示出较大差异，由图 3-7 可见，扫描 速度为 3.0、3.5、4 .0m/min 时硬化最高硬度值分别为 1000HK、795HK 和 652HK（试样 E 中第三点为奇异点），扫描速度的增大，各层的硬度降低，这是因为扫描速度快使得激光束 停留在材料上的时间过短，加热能力大大降低，有时候达不到临界点，使强化效果大大 降低。造成 E 试样由于激光扫描速度大产生了未熔凝相变硬化，导致表面硬度的降低。我 们定义从表层至基体硬度区深度为硬化层深度，有图（a）可见，扫描速度为 3.0、3.5 m/min 时硬化层深

15、大约为 0.45mm，由图 3-1 所示，测得的试样 C（V=3.0）硬化层深为 0.482mm， 和硬度图中表现出来的深度相对应，而当扫描速度达到 4.0m/mim 时硬化层减小为 0.35mm， 这是由于激光扫描速度增大，激光束停留在材料上的时间短，吸收的能量少，热量传递深度 也浅，因此硬化层深度小。图 3-6（a）为在功率 P=3200W 和离焦量 f=140mm 情况下，扫描速度对显微硬度和硬化 层深度的影响。试样 G、I、J 扫描速度分别为 0.7m/min、1.5m/min、2.0m/min，如图（b） 所示，深度受扫描速度的影响特别明显，扫描速度越小，硬化层越深，这是因为扫描速度

16、越 小，激光束停留在材料上的时间要越长，吸收的能量就越高，热量传递的深度要越深，所以 试样 G、I、J 的硬化层深依次减小。试样 G、J 的硬度曲线出现了先增大后减小的趋势，这 是因为熔池的过热度高 ，碳及合金元素的溶解量大，Ms 点低，熔凝后的奥氏体体积分数高 ， 因而熔凝层的显微硬度要低。3.3 阳极极化曲线的测定由上图可以看出，在低浓度和高浓度的硫酸中，经激光熔凝处理的试样，耐蚀性均不好。0-0.50.35-1.15-2.65-4.15-5.65-7.15-8.65-10.150-0.50.3-1.2-2.7-4.2-5.7-7.2-8.7-10.2-1-1.5-1l g i-1.5-2

17、-2-2.5-2.5-U(V)-3-U(V)图 3-7 硫酸浓度为 0.25%时的极化曲线Figure3-7 Sulfate concentration of 0.25% of the polarization curves图 3-8 硫酸浓度为 0.5%时的极化曲线Figure3-8 Figure3-15 Sulfate concentration of 0.25% of the polarization curves0-0.4-0.8-1.2-1.6-20.3-1.2-2.7-4.2-5.7-7.2-8.7-10.2-U(V)0-0.5-1-1.5-2-2.5-3-3.5-0.79-1.7

18、9-2.79-3.8-4.79-5.79lg i-U(V)lgi lgi 图 3-9 硫酸浓度为 1%时的极化曲线Figure3-9 Sulfate concentration of 1% of the polarization curves图 3-10 硫酸浓度为 27%时的极化曲线Figure3-10 Figure3-15 Sulfate concentration of 0.25% of the polarization curves4结论1)40Cr 钢经激光熔凝硬化后，硬化层分为三层，即熔凝区、相变硬化区、热影响区。 组织分别为细小马氏体+残余奥氏体+碳化物（Cr7C3+Fe3C），

19、隐针状的马氏体，马氏体+残 余奥氏体+铁素体+碳化物（Cr7C3+Fe3C）。2)在功率相同的情况下：离焦量相同，扫描速度越小，硬化层越深，硬度越高；扫描速 度相同，离焦量越小，硬化层越深，硬度越高；扫描速度增大到一定值时，熔凝层表层硬度出现峰值，离焦量越大，峰值要越小，出现峰值时的速度也越小。3)在质量分数为 0.25%，0.5%，1%，27%的硫酸中均不耐蚀。参考文献1 李艳芳，卫英慧，胡兰青，许并社金属材料表面激光热处理的研究与应用J太原理工大学学报，2002，33(2)：1412 罗玉梅，激光淬火工艺的现状及应用J邵阳学院学报，2004，1(3)：513 刘江龙，邹至荣，苏宝嫆高能束热

20、处理M北京：机械工业出版社，19974 姜幼卿，黄安国，周龙早，谢明立，刘建华，梁明，肖上工冶金用铸钢轧辊激光熔凝强化的研究和应 用J中国机械下程，2006，17(1)：17565 叶云霞，符永宏，杨国成，陈朝晖，张永康快速轴流 CO2 激光器激光相变硬化处理 HT250 的研究J中 国激光，2002，29(10)：946Study on Microstructure and Property of 40Cr by Laser MeltingLi Gang，Qiu Ling，Qiu XingwuLiaoning technical university，Fuxin，Liaoning (1230

21、00)AbstractThe experiment chooses the 40Cr to be substrate material. Use the TLF-3200 CO2 laser and LASERCELL-1005 six-spindle-three-dimensional laser processing engine machine to deal with the substrate in laser melting. And then analyzes and research the micro stucture and property of the substrat

22、e which use the laser melting.The result indicated: laser treatment, the hardening layer from themelting zone, transformation hardening and the heat-affected zone, organizations to small uniform martensite, have a high density of dislocations, which are the main reasons of high micro hardness.Keywords：40Cr，laser melting，micro hardness