4 5钢表面激光相变硬化处理的组织及性能

邱星武 李世博 刘春阁

（1.四川建筑职业技术学院材料工程系，四川 德阳618000；2.西安理工大学材料科学与工程学院，陕西 西安710048；3.四川建筑职业技术学院测绘工程系，四川 德阳 618000）

激光相变硬化是使金属材料表面在高能量密度的激光束照射下成为熔化状态，依靠材料自身快速冷却凝固，产生新的表面改性层的方法。利用这种技术可以实现材料表面局部的快速加热和冷却，从而获得细密的非平衡快速凝固组织，改变金属材料的组织结构，减少杂质，提高基体中固溶的合金元素。激光相变硬化主要用于强化零件表面，提高金属材料及零件的表面硬度，使零件表层具有良好的耐磨性、冲击韧性高、疲劳强度高等特点。目前，国内外最成功的运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层耐磨性、组织结构研究[1-3]，而在激光相变硬化硬化改性层的腐蚀性能方面研究不多。为此，本文通过测试激光相变硬化试样的极化曲线及抗中性盐雾性能研究了其耐蚀性能，以其为理论研究和实际应用提供参考。

1 实验方法

基体材料选用45钢，加工成直径10cm的圆盘状，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TLF-3200 CO2轴流激光器及LASERCELL-1005六轴六联动三维激光加工机对材料进行激光相变硬化处理，工艺参数：输出功率为3200W，离焦量为130mm，试样 A、B、C、D 的扫描速度分别为：1m/min、1.5m/min、2m/min、2.5m/min。

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%（体积硝酸-酒精溶分数）的液进行腐蚀，用JSM-5600LV型扫描电镜观察试样微观组织。

利用DMH-2LS努氏显微硬度计沿试样纵向测试激光相变硬化层硬度。载荷25g，加载时间15s，从距试样表面0.05mm的位置开始沿深度方向进行测量，平行测三点取平均值。用环氧树脂密封非改性层表面，在EG&G M273电化学测试系统上测试激光相变硬化试样的极化曲线。

2 实验结果及分析

2.1 激光相变硬化层的显微组织

图1为激光相变硬化改性层SEM典型宏观形貌。图中从上至下依次为熔化区(A)、相变硬化区(B)、热影响区(C)、基体(D)。硬化层厚度为703μm。由图1可见，改性层与原始基体相比晶粒变得细小，这主要是受扫描速影响，当激光处理时的扫描速度较大时，激光对试样的作用时间相对较短，使得试样吸收的能量少，初始晶核来不及长大，导致了奥氏体晶粒较细小，随后相变硬化区得到的马氏体晶粒也较细小，同时扫描速度大也会使试样表面存在较多的未熔碳化物。

熔化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。

相变硬化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。细针状马氏体是提高基体表面的显微硬度的主要原因。

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 激光相变硬化层宏观形貌

2.2 激光相变硬化层的显微硬度

图2为不同扫描速度条件下试样的的显微硬度纵向分布曲线。可以看出：经过激光相变硬化处理的试样表面硬度有明显的变化。相变硬化层具有较高的硬度，这是由于激光快速加热使得表面晶粒细小，从而形成马氏体。同时由于碳来不及扩散，以至于表面的碳含量相对较高。图中试样C的平均硬度最大，可达到869HK。这是因为其扫描速度较大，在加热过程中，由于扫描速度大，激光束停留在试样表面的时间短，材料吸收的能量少，奥氏体晶粒不易长大，导致在随后的冷却过程中所得到的马氏体细小均匀，从而使得其显微硬度较高。而试样D虽然表面硬度较高，但是其扫描速度过大，使得激光束与试样的接触时间较短，试样表面所吸收的能量较少，受热面积小，这导致了所得到的表面硬化层过薄，不适于实际应用。

图2 试样的显微硬度分布

2.3 激光相变硬化层的耐腐蚀性

45钢表面经激光相变硬化处理后的在浓度为0.5mol/L的H2SO4溶液中的极化曲线见图3。由线性拟合得出的腐蚀动力学参数为：自腐蚀电位Ecorr＝-415.0mV； 自腐蚀电流Icorr＝3.012×10-5A·cm-2；极化电阻 Rp＝19.12kΩ·cm-2。 其具有较低的自腐蚀电流、较高的自腐蚀电位和极化电阻，表明激光相变硬化处理后耐腐蚀性能良好。主要原因在于：在激光的快速加热和快速冷却作用下，基体表面一薄层瞬间熔化并快速凝固，晶粒来不及长大，在基体表面形成致密的激光改性层，对内部基体起到良好的保护作用。

图3 试样的动电位极化曲线

3 结论

（1）激光相变硬化处理后所得的相变硬化层分为熔化区、相变硬化区以及热影响区。其组织依次为：混合马氏体+未溶碳化物、细针状马氏体、残余奥氏体。

（2）激光相变硬化处理后样硬度显著提高，约为基体3倍。

（3）极化曲线表明激光相变硬化处理后的耐腐蚀性明显提高。随扫描速度提高，样品耐蚀性呈先变好后变坏的趋势。

［1］刘江龙,邹至荣,苏宝嫆.高能束热处理[M].机械工业出版社,1997:187.

［2］张伟,姚建华.45钢表面激光合金化及其在螺杆强化中的应用[J].金属热处理,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.