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2Cr13钢激光熔凝处理的过渡区组织分析

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第37卷第10期 10月 金属学域 ACTA METALLURGICA SINICA v01 37 N01O 0ctober 2 0 0 1 2 0 0 1年2Cr13钢激光熔凝处理的过渡区组织分析 邵天敏 蔺秀川 袁伟东 (清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084J 摘 要 利用YAG舷光器对2Cr13钢进行了激光培凝处理处理后的组织中出现一十低显微硬度的过罐区、该区位于熔 凝区和相变硬化医之间.扫描电镜、透射电镜和电子衍射结果证明、渡过谴区由马氏体和铁索体组成不锈锕组织图(schaeflter diagram1和能谱分析结果表明.Cr在焙池底部的富集是 生铁幕体的原因通过工艺参数的调整可以消除熔池底部的铁索体 关自悯20r13锕,激光,熔凝处理.熔池阡{态 中圉法分类号TG150 99 文献标识码A 文章编号041 ̄1961(2001)10-1040-05 MICR0STRUCTURE 0F TRANSIT10N Z0NE IN 2Cr13 STEEL BY LASER SURFACE REMEI ING SHA0 Tianmin. IN Xiuchuan.YUAN Weidong st e Key L 伯 y of Tribotogy Tslaghua Universi ,Belj[ ̄g 100084 Correspondent:SHA0 Tianmin.ozsociate professor Tel:(Ol 6 ̄783968.Fa E-mail:shaot'm ̄pzm.tsinghua.edu cn Manuscri received 2001-03 16,in revised form 2001—06—15 D,62781379, ABSTRACT The SLUrface of 2Cr13 steel was treated bv YAG laser and the microstructure of the mdring pool analyzed using metallographic analvsis,SEM and TEM.It iS found that there iS a transition band between melting zone and quenching area The microhardness of the transition band iS lower than those of melting zone and quenching zoHe The results of conyergent beam electron dim—action show that the transition band is composed of口一 and martenslte The main reason of the formation of 0一ferrite is the enrichment of Cr in the botton]of melting poo1.The Fe i11 the bottom f meltiong pool can be partly removed by properly selecting the laser processing p ̄rameters. KEY WoRDS 2Crl3 steel,laser,remehh ̄g,morphology 0f melting pool 2Cr13钢是一种在弱腐蚀情况下的常用结构材料 2Cr13钢是高淬透性钢,可以调质处理.因而具有良好的 机械性能.由于腐蚀和磨损均取决于材料表面的性能,日 此 通过表面处理在2Cr13钢上形成更耐腐蚀和耐磨损 的表层,必将扩大2Cr13钢的应用范围.提高零部件的 相变硬化区的组织为马氏体,热影响区的组织由马氏体, 残余奥氏体、铁索体和碳化物(CrTCa+FeaC)组成_l_ 实验表明, 2Cr13钢在激光熔凝处理后其徽动窘损性能 提高了4 48倍 :激光处理后材料表面的抗腐蚀性能 (尤其是抗局部腐蚀性能)远高于基体_4 J_ 通常情况下.2Cr13钢经激光熔凝处理后,在熔凝区 和相变硬化区之间会出现一个明显的过渡区过缓区的显 辙硬度明显低于熔凝区和相变硬化区的显擞硬度.因此可 以认为.过渡区的力学性能与熔凝区和相变硬化区的力学 性能之阿存在较大的差异.过缓区的存在对2Cr13钢激 光熔凝处理的应用将产生不利影响根据弹性力学分析. 使用寿命及工作的可靠性.激光熔凝处理可以通过快速熔 凝过程获得优良的表层组织,芯部则由于没有显著升温仍 保持为调质状态,因而,对2Cr13钢进行激光熔凝处理 具有很好的应用前景. 2Crl3钢熔凝后的组织主要由4层组成,由表至里依 次为熔凝区、相变硬化区,热影响区和基体熔凝区的组 织由马氏体和瞽散分布的碳化物(Cr7C3+ 3c)组成. 最大剪应力通常出现在距表面一定深度的表层因此 在 设计表面处理工艺时,应该使表面改性层的厚度大于最大 剪应力作用范围如果过渡区位于最大剪应力区则过渡区 国家自然科学基金资助项目5o075o42 收到韧稿日期:200l—雠l6.收到修改稿日捧}:2001 06-15 很可能是材料失效的发源地本文对过渡区的相组成进行 了分析结合相图对过渡区的形成原因做出了解释,并对 过渡区的宽度与工艺参数的关系进行了实验研究. 作者简介:邵天敏,男.1963年生.副教授,博士 1O期 邵天戢等: 2Cr13钢散光熔凝处理的过渡区组织分析 l04l 1实验方法 2Cr13钢激光处理前首先进行调质,然后用线切割机 将材料切成60 mmx30 mmx15 mnl的试块实验采用 Nd:YAG固体连续激光器,激光功率P分别选为]50. 250,350.450和550 W,在上述功率参数条件下.分别 以速度 为2,5,8,ll和14 IIlr1]/S对试块进行激光熔 凝处理选用f=120 toni焦距的透镜.试块表面处在焦 点位置,在无保护气的条件下进行激光扫描处理 激光处理后首先将表面的熔凝波纹磨去后进 抛 光.在表面上沿着与扫描线垂直的方『 测量硬度沿宽度的 变化然后再将试件沿与扫描线垂直的面剖开岳抛光.在 剖面上沿熔池的对称线测量硬度沿深度方¨口]的显徽硬度 变化采用Vickers硬度值(i00 g负载)表示硬度测量 结果. 在进行金相分析、扫描电镜以及能谱分析时.将激光 处理后的试块沿与扫描线垂直方向剖开.然后进行抛光和 腐蚀 利用透射电镜(TEM)对熔凝区和相变硬化区之间的 过渡区进行了观察,井利用电子衍射对过渡区进行了相分 析电子衍射试样的制备过程为:首先用线切割机沿与扣 描线平行的方向从试件表面切下0.4 inln的薄片 然后埘 其侧面进行深腐蚀,以得到月牙形过渡带的位性然后采 用砂纸进行双面减薄,并配合金相显微镜以使减薄过程中 过渡带大致位于薄片的中部,最终减至O 08 mm再利用 化学减薄将薄片减至30 m左右,最后用电解_嘏喷减薄 至约500 nm. 2实验结果与分析 2.1金相分析 激光熔凝处理的试件经金相腐蚀后、利甩金相显微镜 观察断面结构.其组织如图1所示由表面至基体分为5 个区,傲次为:激光熔凝区(I区)、过渡医l2区),相 变硬化区(3区)、热影响区(4区)和基体(5区). 2.2显微硬度分析 典型的显微硬度曲线如图2a.b所示.在硬度沿宽度 变化的曲线中,在熔凝区与相变硬化区过渡处的硬度由 HV=670突然降至HV ̄400,其宽度约为30.um 在 硬度沿深度变化曲线上,在熔凝区与相变硬化区过渡处 硬度亦由HV=670突然降至HV ̄400,宽度也为30 m 左右熔凝区与相变硬化区的硬度相近,且在各自区段内 变化不大硬度分析结果表明.过渡区与熔凝区和相变硬 化区的力学性能有较大的差异 2.3过渡区的扫描电镜与能谱分析 对过渡区进行扫描电镜观察,图3a,b舒别为不同工 艺参数条件下得到的过渡区的扫描电镜照片由围3a可 以看出,过渡区为两相混合物一相为马氏体,图中口r 圉1 典型的2Cr13钢激光焙凝组织结构 Fig 1 Typical laser remeking structuTe of 2Cr13 e l--melting zone 2 transition zone 3-- q ̄enchlng 5。ne 4--he ̄efffected 5--substr ̄te 7o。 600 500 400 200 400 600 800 Radius of lase r acting zone. m 700 600 bOC ,:tOO 300 0 200 400 600 Demh.“m 圉2 显触硬度柑宽度和槔度的变化曲线 Fig.2 Changes of m[crohardness along the width fa1 and depth【h)of me|tlng pool(P=350 W j5 mm/s) 看到马氏体板条:另一相的耐腐蚀性较差,被腐蚀成凹 坑花田中呈不规则多边形.过渡区的显微硬度HV=400. 这反映的是两相混合物的综合硬度,马氏体的显微硬度 HV=670.因此另一相的显微硬度HV应小于400 本 文竹z为软化相由图3b可以看出,过渡区仍为两相混 金属里3过菠区形志 Fig.3 Morphologies of transition zoyle showing the cor roded sot ̄enlng phase in martensite matnx (a)P=350 W,u=5 mm/s (b)P=350W口=n mm/s 合物,但在图3b的右下侧出现了小尺寸腐蚀坑,这说明 由于工艺参数不同,软化相的尺度发生了变化即工艺参 数会对软化相的形核和长大产生影响 目此有可能利用工 艺参数的调整来抑制软化相的产生 分别在熔凝区、过渡区中的马氏体及软化相、相变硬 化区各取一小区域进行能谱分析表1为能谱分析结果, 熔凝区与相变硬化区中各对应元素的含量基本相同,而上 述含量可以作为过渡区中的马氏体和过渡区中的软化相 中对应元素含量相比较时的参照物在过嫂区中.软化相 的Cr含量为16 3%,与熔凝区中的Cr含量相比.软化 相中出现了Cr的富集在过渡区的马氏体中出现了Cr 的贫化,其Cr含量为13.5%从能谱分析结果还可 看 出,熔凝区、过渡区中的马氏体以及相变硬化区中的c含 量基本相同(钩为0.8%1 而过谴区中软化相的c含量则 学报 37卷 衰1能谱丹析结果 Table 1 Results of energy spectrum(P=350 W,v=5 mm/s (『na黯fraction,%) 仅为O 57%,与其它3个区相比C含量明显偏低.根据凝 理论.在这个区域中作为溶质元素的C的含量较低, 再分配系数很小,上述能谱分析结果证实了这一点由于 扫描电镜能谱分析通常存在一定的误差,故本工作分别对 3十试样的多个点进行了相同的分析,得到了具有与所列 结果柜同趋势的数据. 2,4 过渡区组织的TEM观察与电子衍射分析 图4a_为过渡区的透射电镜照片,可以看出过渡区由 【Hi相组成,一相为板条状马氏体组织,另一相是过渡区的 软化相,夹在板条状马氏体组织中间,呈不规则椭圆状. 如图4a中箭头所指处.选区电子衍射(图4b)表明,该 相为0 Fe 2,5 熔池形态与工艺参数的关系 测量了试样的熔池宽度和熔池深度,求取熔池的宽深 比.然岳分析熔池宽深比随工艺参数的变化情况按熔池 宽深比随工艺参数的变化,熔池形态分为3个类型,熔池 类型I对应的熔宽与熔深比b:^≈8,熔池类型II对应的 熔宽与熔深比b:^≈12—15,熔池类型III对应的熔宽与 熔深比b:^≈2~3 图5为不同类型熔池断面形态的金相照片.从图可 见,焙池类型I,熔池呈月牙形,熔池的表面比较平坦(图 5a):熔池类型II的底部比较平缓(图5b):熔池类型III 的底部几乎没有黑色的过渡带,但在熔池的上部仍有过渡 带产生(图5c),这说明,通过改变激光工艺参数,可以部 分消除过渡带 过渡区的宽度可以通过测量其显徽硬度的变化而得 到硬度从熔凝区开始下降时记为过渡区的起始点,硬度 上升到相变硬化区时记为过渡区的终点、则起始点至终点 的 离为过渡区的宽度熔池类型I,过渡区宽度的变化 范围在3O 40 m之间;熔池类型II,过渡区宽度的变 化范围在40—7O m之间 过菠区宽度比较大;而对应 于高功率和低速度的熔池类型III,过渡区宽度的典型值 小F 10 m,过渡区很窄,熔池形态如图5c所示,在熔 池底部几乎无过渡带生成,但在月牙形的上部仍然存在着 过渡带 10期 邵天敏等 2Cr13锕激光熔凝处理的过渡区组织分析 1043 田4 过蛙区的透射电镜像以受软化相的电 衍射圈 Fig.4 TEM image of transition (a)and【11 1】EDP (b)of softening phase n Fe pointed bv at'roar in FIg 4a(P=350 W. 二ll mm/s) 2.6 铁素体的成因与消除 文献(5—7l报道,熔池的宽深比b:h与培池中元 素的均匀性有一定关系 b:h=l 0_~1 5时熔池成分出 现不均匀性, b:h=1.6—3.0时熔池成分比较均匀,在 b:h>3 0后熔池成分又出现不均匀性在本实验中.焙 池类型I和熔池类型II的熔池宽深比b:h均大于3.0 因而熔池成分出现不均匀性.亦被前述能谱分析证实过 渡区中软化相的Cr含量比两侧偏高而相应R含量偏 低,即过渡区中软化相中存在Cr的富集.熔池类型III 的熔池宽深比b:h 2,5,因而熔池成分比较均匀 由Fe-CPC的三元相图可知,在2Cr13钢中、Cr 的增加将导致奥氏体区的缩小 亦即导致铁索体与奥氏 体共存区以及铁索体与液相共存区的扩大 即在非平衡狰 却时 使铁索体形成的温度区间加大.冷却的时间延长. 导致铁索体形成 由不锈钢的组织图 】可知,2Cr13钢位于马氏体 母5 不同熔池类型的断面形志 Fig-5 Morphologiesofme ̄ing poolswithdiferent ratios of width(51 and depth(^] a】typeI(P=250W.v=5mm/s,b h≈8) {b)type IJ(P=450 W、 =5 mm/s,b h≈12一l51 Ic J type Ill with oilly a little of transition gone (P=550W、v=2mm/s.5:h≈2—31 区与l马氏体T铁索体)区的交界处,在通常条件下可得 到全部马氏体当Cr浓度增大时,就会使2Cr13钢位 3:(马氏体_-钱索体)区 即导致铁素体出现.这正如图 5a.b所示,在熔池底部出现了过渡区 当熔宽和焙深的比b:h≈2 5时,因焙池成分比较 均匀,熔池按正常的2Cr13钢成分冷却 由不锈钢的组 织囝可 胥出. 2Cr13钢冷却后位于马氏体区,因而不 会出现铁素体 对F熔池底部Cr富集的原固,可以做如下解释:对 金属学报 37卷 于激光熔凝工艺,熔凝区固 液界面处的冷却速度取决十 除熔池底部的铁索体网 功率密度和激光扫描速度当功率密度小和激光作用时间 参考文献 【1】Es ̄udero M L,Bello J M.Mater"Sci Bng,1992;11A:227 【2】Cola ̄o R,Vilar R Sur,En9,1996;12:319 [3】Yang D H (两德华短舴j描速度快)时,熔体寿命也比较短当熔体寿命短 到一定程度时,会造成熔体成分不均匀 各微小体积之间 出现成分差异 .在过渡区内,温度刚好达到或高于Fe 。 1994;14{1):12 的熔点{1535℃)但低于Cr的熔 (1875℃)在冷却 过程中,Cr的形核和长大占有一定优势从而导致此区 域内Cr的富集. 综上所述,铁索体的成困与Cr的富集有关合理选 摩擦学学报,1994;14f1):12) 『4】Ba LX D,Xu J,FanY D J T ̄nghua Unlv(Sci T ̄chnoO, 1998;3S(12):35 (白新德,律3S(12):35) 健.范玉殿清华大学学报f自然科学版)、1998; 择工艺参数,可以得到使熔池内Cr的分布均匀的焙池形 态,进而抑制铁索体的形成. 3结论 (1)2Cr13铜激光熔凝处理后,在熔凝区和相变硬 化区之间会出现一个明显的过援区、过渡区的显微硬度 (HV=400)显著低于熔凝区和相变硬化区的显微硬度 (HV=670). (2)过渡区由马氏体与软化相铁素体组成 Cr在熔 池底部的富集是产生铁索体的原因 f3)降低激光扫描速度,增加激光功率密度.可以消 [5】Liu J L.Heat zhn men by 一西te啪Beam.Beijing: China Machine Press,1997:212 f荆江龙高能柬热处理北京:机械工业出版杜,1997:277) 6 Guan Z Z Hand ̄ok of er Material Process ̄nq.Bei. jing:China Metro]ogy Press.1998:153 (关振中激光 ̄IIX.X.艺手册北京中国计量出版社 1998: 153) 【 LuoG x nu珊MetHeat Treat,1999;20(3):48 (罗耕星金属热处理学报,1999;2Of 3】:48) 【8】Cu[K Steel and Non—Ferrous Beijlng:Metallur- gical IndustD.Press,1980:258 (崔岜钢铁材料及有色金属材料北京:暗金工业出版社, 1980:258) 9I B…L¨ ld 1998;77:273 

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