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9Cr2钢激光淬火组织和硬度 |
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newmaker |
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摘要：用大型LEICA型显微镜和QUANTA 400型扫描电镜观察和分析了9Cr2钢激光热处理后的组织和硬度。结果表明，激光工艺参数对9Cr2钢激光淬火组织及硬度有重要的影响，随着扫描速度的增加和激光功率的减小，熔凝区减小，相变区的组织细化。
关键词：激光热处理；组织；硬度
激光表面淬火工艺参数在连续输出的条件下主要为激光器输出功率P、光斑直径D和扫描速度v等。表面黑化状况等对激光表面淬火质量有一定的影响。本文研究了激光工艺参数对用于制造矫直圈的9Cr2钢组织和硬度的影响，为合理制定9Cr2钢激光表面处理工艺提供依据。
1 实验材料与方法
实验材料为包头光通激光技术有限公司处理的矫直圈用钢9Cr2，加工成30 mm×30 mm×230 mm的试样，进行820℃加热，保温1h，油淬，600℃，1h回火的调质处理，HRC=35。试样的表面经黑化处理后，在3 kW连续CO2横流激光器上进行激光表面热处理。激光处理的主要参数：功率P =1.8，2.0，2.2，2.4 kW，扫描速度v=500，600，800，1 000 mm/min，光斑直径D=10×1mm，进行激光束单道实验。制备成金相试样，利用大型LEICA型显微镜从表面每隔0.1 mm测硬度值直至基体，测出试样侧面的显微硬度，用QUANTA400型扫描电镜观察其侧面的显微组织。
2 实验结果及分析
2.1 激光功率对熔化区及附近组织的影响
在激光扫描速度为800 mm/min的条件下，功率为2.4 kW试样熔化区的显微组织如图1(a)所示。由图1(a)可看出，熔化区由表及里依次为结晶区、相变区。当激光的扫描速度一定时，激光的功率大，激光输出的功率密度大，被处理的试样的表面温升较大，表面熔化且熔池的深度相对较深，在熔池中合金碳化物溶解量较大，熔池因对流搅拌作用，成分相对比较均匀，过热时间较长，冷却时结晶组织生长比较粗大。在其下部由于加热温度较高，奥氏体晶粒粗大，碳和合金元素的含量较高，在随后的冷却中组织转变时，形成大量大的片状的马氏体和残余奥氏体组织，其中片状的马氏体“穿晶”形成，沿一次晶轴方向形成粗大的片状马氏体最长可达20μm左右，和一次晶轴的尺寸相吻合且呈“闪电状”分布，内部可以看到有明显的“中脊”面存在。
在激光扫描速度为800 mm/min的条件下，功率为2.0 kW试样熔化区的显微组织如图1(b)所示。当激光束的功率比较小时，功率密度就比较小，并且过热度较小，试样表面没有发生熔化，但表面加热温度高，在随后的冷却过程中所形成的马氏体组织粗大。
图1功率为2.4和2.0 kW的熔化区的显微组织(SEM)
2.2 相变区的显微组织
激光功率在2.4和2.0 kW相变区的显微组织如图2(a)，(b)所示。在熔凝区以下是相变硬化区，其温度分布在Tm～Acl之间，组织为马氏体、残余奥氏体和未熔碳化物组织。在同样的扫描速度下，由于激光功率的增加，温度升高大，奥氏体晶粒大，碳化物溶解较充分，快速加热形成的奥氏体含碳和合金元素的量较多，冷却后该区域得到的显微组织为粗大马氏体、残余奥氏体和合金碳化物。而激光功率小，加热温度较低，马氏体明显变细，存在较多的未熔碳化物。
图2 激光功率为2.4和2.0 kW时相变区的显微组织(SEM)
2.3 热影响区组织
热影响区组织如图3所示。热影响区是加热温度的范围在Ac1以下不太大的区域，该区域范围内存在一个低于基体硬度的凹谷，亦可以称为“高温回火区”，保持基体组织的特征，相当于是高温回火索氏体和大的碳化物的混合组织。
图3热影响区的显微组织，SEM
2.4 基体组织
基体组织如图4所示。基体由于离表面较远，在激光热处理过程中起着传导和吸收表面热量的作用，在传热过程中它本身温度并不高，所以它的显微组织未发生任何变化，组织为回火索氏体。
图4 基本的显微组织
2.5激光束扫描速度对显微硬度的影响
当激光功率一定时，激光束的扫描速度对显微硬度的影响如图5所示。从图5中可以看出，激光束的扫描速度越小(如v =500 mm/min) ，硬化层越深。因为扫描速度越小，加热时间就越长，加热区域越大，硬化层越深。
图5 激光功率为P=2。4 kW时的硬度
2.6激光束功率对显微硬度的影响
在激光束扫描速度一定的情况下，激光功率对硬化层显微硬度的影响如图6所示。从图6中可以看到，在激光束的扫描速度一定的情况下(如v =800 mm/min)，激光功率越大，硬化层的深度就越大，所达到的峰值就越高。因为激光的功率高时，单位时间内输入到试样的能量较多，加热范围扩大，硬化层深度增加。同时加热温升较高，碳元素的扩散速率较快，奥氏体含碳量相对较高，冷却转变时可得到含碳量高的马氏体组织，因此显微硬度峰值就高。
图6 激光束的扫描速度为v=1 000 mm/min时的硬度
3结论
(1)9Cr2钢经激光热处理，当激光功率较大并且激光束的扫描速度比较小的时候，处理后的区域可以划分为：熔化区、相变区、热影响区和基体等几个部分，其硬化层的深度在0.4～0.8 mm之间。
(2)在激光功率较小且激光束的扫描速度较快的工艺参数下，处理后的试样只有相变区、热影响区和基体，最靠近表面的即是相变区，得到的组织是马氏体、未熔碳化物和残余奥氏体，基硬化层深度在0.2～0.6mm之间。
(3)激光热处理后硬度层的深度随着激光功率的增加和激光束的扫描速度的减小而增加，在相变区的显微硬度的峰值随着激光功率的增加和激光束的扫描速度的减小而增大。
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(7/10/2010) |
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