摘要：對40Cr鋼寬帶激光淬火組織和硬度分布進(jìn)行了較細(xì)致的研究，結(jié)果表明，激光淬火區(qū)組織結(jié)構(gòu)和硬度沿層深明顯變化，淬火區(qū)中奧氏體呈薄膜狀，不連續(xù)地分布于馬氏體間。除位錯亞結(jié)構(gòu)外，在局部地區(qū)還出現(xiàn)平行排列的微細(xì)孿晶組織。 關(guān)鍵詞：寬帶激光淬火；顯微組織；硬度分布 為了獲得較大的激光硬化表面，通常采用激光淬火帶搭接的方法，后續(xù)掃描將在鄰近的已硬化帶造成回火軟化區(qū)，致使強化效果減弱，搭接量控制不當(dāng)會導(dǎo)致淬火裂紋形成。為了實現(xiàn)無軟化區(qū)較大面積的激光淬火，需用寬帶束掃描系統(tǒng)，采用快速擺動光束的方法，實現(xiàn)低功率、慢速掃描激光淬火。因此，激光淬火后所獲淬硬區(qū)結(jié)構(gòu)和硬度分布將有新的特點。 1 試驗材料及方法 試驗用材料的40Cr鋼，原始狀態(tài)為調(diào)質(zhì)。激光淬火樣品尺寸為45mm×45mm×10mm。選用三組樣品。經(jīng)表面磷化處理后，采用CGJ-Ⅲ型激光熱處理寬帶掃描轉(zhuǎn)鏡(轉(zhuǎn)速為2000r/min)，在CGJ-93型5kW數(shù)控CO2激光處理系統(tǒng)上進(jìn)行寬帶激光淬火。實用功率皆為3kW，掃描速度分別70、90和110mm/min，掃描寬度為20mm，處理后的樣品沿淬硬層方向每隔0.3mm切5個薄片。在MTP-1型電解儀上制成透射電鏡樣品，在日立H-800透射電鏡上進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀察，操作電壓為200kV。顯微硬度測試在∏MT-3型顯微硬度計上進(jìn)行，載荷50g，加載時間15s。 2 試驗結(jié)果及分析 2.1 顯微組織 圖1為40Cr鋼在掃描速度為70mm/min時硬化表層的顯微組織。在透射電鏡下大量不同視場的觀察發(fā)現(xiàn)，馬氏體的板條界較平直，內(nèi)部存在大量纏結(jié)位錯。在某些板條內(nèi)還存在平行排列的微細(xì)孿晶(圖2)，對孿晶區(qū)進(jìn)行選區(qū)電子衍射，經(jīng)常出現(xiàn)相同的衍射花樣，電子衍射分析表明，孿晶界面為{112}，屬相變孿晶。在板條馬氏體上進(jìn)行多處選區(qū)電子衍射分析，利用某一衍射斑點進(jìn)行暗場成像，經(jīng)常能顯示馬氏體板條間存在長條狀組織。這種長條狀組織和報道的薄膜狀殘余奧氏體形態(tài)吻合[1]。圖3a)是板條馬氏體明場像。圖3b)是與圖3a)相對應(yīng)的暗場像(成像斑點是奧氏體的{111}A)，圖3b)中的條狀亮區(qū)是殘余奧氏體。這些奧氏體不連續(xù)地分布在馬氏體板條之間。 圖1 板條馬氏體和纏結(jié)位錯(70mm/min) 圖2 相變孿晶 圖3 殘余奧氏體隨著距表面距離的增加，出現(xiàn)針狀馬氏體。而且隨著層深的增加，板條馬氏體縮短變粗，板條內(nèi)部出現(xiàn)亞晶塊，位錯密度明顯減少(圖4)。距表面距離的進(jìn)一步增加，在局部地區(qū)出現(xiàn)回火析出碳化物(圖5)。 圖4 距表面0.3mm (a)和0.6mm (b)處馬氏體TEM顯微組織 圖5 距表面0.9mm處顯微組織與未硬化區(qū)交界的狹小區(qū)域內(nèi)加熱溫度低于Ac1線高溫區(qū)，原始組織將發(fā)生高溫回火轉(zhuǎn)變，生成回火索氏體組織。 根據(jù)以上分析硬化層可分為三層。第一層為完全淬硬層，由馬氏體加殘余奧氏體所組成。 這一層與激光束作用時間最長，加熱溫度最高，加之原始調(diào)質(zhì)組織成分比較均勻，加熱后形成的成分均一的奧氏體在急速冷卻時形成含碳較低的板條馬氏體組織。較深部位加熱溫度較低，但仍有較大的過熱度，只是由于碳在奧氏體中擴(kuò)散不充分，致使快速冷卻后形成低碳馬氏體和高碳馬氏體混合組織。第二層為過渡層，該區(qū)加熱溫度位于AC1~AC3之間，溫度梯度小，作用時間短，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變和滲碳體溶解均不充分，冷卻后形成馬氏體+鐵素體+滲碳體混合組織;第三層為原始組織高溫回火區(qū)。 2.2 顯微硬度分布 圖6是顯微硬度沿激光淬火區(qū)層深分布曲線。在激光快速加熱和高速冷卻過程中，晶體缺陷密度激增，導(dǎo)致硬化層具有較高的硬度，最大值達(dá)780HV0.05。由于激光加熱相變完成時間短，奧氏體成分不均勻，致使在隨后快速冷卻中形成高碳馬氏體和低碳馬氏體，使硬化層的硬度值隨掃描速度而發(fā)生不同程度的波動。過渡層由馬氏體和α基體上分布的碳化物組成，硬度陡降，至高溫回火區(qū)降到最低值。由圖6可見，隨著掃描速度的增加，硬化層硬度略有提高。這主要是由于晶粒細(xì)化和殘余奧氏體減少產(chǎn)生的有利影響超過了因馬氏體含碳量降低而造成的負(fù)面影響。 圖6 不同掃描速度下顯微硬度沿硬化層深的分布3討論 實驗所采用的CGJ-Ⅲ型激光熱處理寬帶掃描轉(zhuǎn)鏡，是利用光學(xué)轉(zhuǎn)鏡反射使光速快速擺動，把點光源拉寬成線熱源。有文獻(xiàn)對線形光源在金屬材料表面產(chǎn)生的溫度場進(jìn)行的數(shù)值模擬顯示，激光光斑前沿材料表面有一預(yù)熱區(qū)，由于熱傳導(dǎo)激光光斑的后沿溫度分布形成一個“尾巴”。對于功率密度呈高斯分布的熱源，其能量主要集中在光斑中心。能量密度分布的上述差異，決定了在輸出功率相同的條件下線形光源的掃描速度應(yīng)比圓形光源慢。因而經(jīng)線形光源處理的樣品內(nèi)部碳元素擴(kuò)散比較充分，垂直于掃描方向的淬火層組織分布比較均勻，硬度沿硬化層深分布也比較均勻，波動幅度較少。但線形光源前沿預(yù)熱區(qū)的存在增加了材料表面對激光的吸收率，使得沿掃描方向溫度變化較大，晶粒易于粗化，這可通過連續(xù)改變掃描速度加以修正。此外，由于線形光斑后沿“尾巴”的存在，冷卻速度較慢，增加了淬火層中的殘余奧氏體含量。前期對40Cr鋼進(jìn)行線形光源和圓形光源激光淬火實驗證明了這一點。值得注意的是，激光淬火層中殘余奧氏體可以在經(jīng)受塑性變形后轉(zhuǎn)變成馬氏體，有利于被處理材料耐磨性的提高。 4 結(jié)論 1) 40Cr鋼寬帶激光淬火硬化區(qū)可分為三層:第一層為完全淬硬區(qū)，由馬氏體和殘余奧氏體組成;第二層為過渡層，由馬氏體和α基體上分布的碳化物組成;第三層為原始組織高溫回火區(qū)。 2) 寬帶激光淬火可獲得較高硬度。 3) 提高激光淬火掃描速度，淬硬層顯微硬度有所增加。