18Cr2Ni4W钢渗碳激光强化复合处理

作者：信息来源:模具 2008-7-4

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【摘要】对18Cr2Ni4W钢进行了渗碳激光强化复合处理研究。关键词：渗碳激光强化显微组织硬度分布Microstructure of 18Cr2Ni4W Steel Treated byCarburizing and Laser Transformation HardeningWang Cunshan①，Guan Zhenzhong②，Zhang Hong①，Shi Yan①（①Department ...

【摘要】　对18Cr2Ni4W钢进行了渗碳激光强化复合处理研究。利用扫描电镜、透射电镜和图象分析仪，对其组织进行较详细的研究。结果表明，在复合工艺作用下，随着表面硬化区层深的变化，组织结构发生明显的变化。由于钢中存在大量合金元素，致使表面硬化层产生大量的残留奥氏体，降低了表面硬度。
关键词：渗碳　激光强化　显微组织　硬度分布

Microstructure of 18Cr2Ni4W Steel Treated by
Carburizing and Laser Transformation Hardening
Wang Cunshan^①，Guan Zhenzhong^②，Zhang Hong^①，Shi Yan^①
（①Department of Mechanic Engineering，Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics，Changchun 130032）
（②Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics，the Chinese Academy of Science）

【Abstract】 The experiment that 18Cr2Ni4W steels were treated by carburizing and laser transformation hardening was carried out．The microstructure of the treated steel was studied in detail by SEM，TEM and image analyzer．The results show that the microstructure obviously varies with the change of depth in laser hardened zone．The large amount of residual austenite was produced due to existence of alloy elements in the steel during laser transformation hardening，which decreased surface hardness．
Key words：carburizing，laser transformation hardening，microstructure，hardness distribution．

　　渗碳件目前机械制造工业中广泛采用的一类工件。然而，采用常规淬火工艺对形状复杂的局部渗碳零件进行强化处理时，工件经常出现较大变形，以致在随后的磨削加工过程中，整个加工表面硬度分布不均，降低硬化效果。若采用宽带激光表面相变硬化工艺，由于其具有加工变形小，可准确实施局部强化的特点，可以解决上述工艺难题。到目前为止，内外对碳钢激光表面相变硬化的研究进行得不少，然而，对表面碳浓度呈梯度分布的渗碳材料激光表面相变硬化研究进行得却很少。为此，本文针对重要的18Cr2Ni4W渗碳钢进行了渗碳激光强化复合处理研究，以探索在该复合工艺作用下其组织结构和性能变化规律。

1　试验材料及方法
　　试验用材料为18Cr2Ni4W渗碳钢，试样尺寸为40mm×22mm×15mm。经930℃渗碳后（表面含碳量为0.8%～0.9％），冷至820℃油淬，然后在160℃进行低温回火。将上述处理的试样分为3组，表面经磷化处理后，采用CGJ-Ⅲ型激光热处理宽带扫描转镜（转镜转速为2000r／min），在CGJ-93型5kW数控CO₂激光处理系统上，进行宽带激光淬火。处理试样时，所用功率皆为3000W，扫描速度分别为(90、130和170)mm／min，光斑尺寸为20mm×2mm。激光强化后，将130mm／min扫描速度下处理的部分试样，直接放至液氮中进行6h冷处理。然后采用VIDAS型图象分析仪，分别对经冷处理试样和未经冷处理试样，由表及里逐层测量其微区的残留奥氏体含量。渗碳激光强化复合处理后试样的组织和结构分析，分别是在AMRAY-1000B型扫描电镜和日立H-800透射电镜上进行。显微硬度测试是在ΠMT-3型显微硬度计上进行的，载荷砝码为50g，加载时间15s。

2　试验结果及分析
2.1　显微组织
　　18Cr2Ni4W钢经渗碳处理，在130mm／min扫描速度下激光淬火后，表面硬化区的显微组织如图1所示。由图1可见，随着表面硬化区层深的变化，显微组织发生了明显的变化。依其组织不同，将硬化区大致分为3层。第一层为完全淬硬层，在扫描电镜下通过大量的视场观察发现，其最表层组织是由针状马氏体、渗碳体和残留奥氏体组成，亚表层组织由针状和板条两种形态马氏体及残留奥氏体组成（如图1a所示）。图2是表面针状马氏体的透射电镜照片，由图2可见，在马氏体晶内存在平行排列的细孪晶组织，对孪晶区进行选区电子衍射，经常出现相同的衍射花样，电子衍射分析表明，种孪晶的孪晶面是｛112｝，它是在相变时的不均匀切变造成的，属相变孪晶。马氏体被大量的残留奥氏体包围。图3为针状马氏体边界处颗粒状碳化物的透射电镜照片。图4是亚表层中有代表性的板条马氏体组织，这和扫描电镜下观察的结果相一致；第二层为过渡层，其组织是由马氏体和α基体分布回火析出碳化物组成（如图1b所示）；第三层为高温回火区，原始组织发生了高温回火转变，生成回火索氏体组织（如图1c所示）。

图1　18Cr2Ni4W钢激光淬硬区显微组织
Fig．1　Microstructure　of　laser　
hardened　zone　of　18Cr2Ni4W　steel

图2　18Cr2Ni4W钢针状马氏体组织
Fig．2　Needle-like　martensite　of　18Cr2Ni4W　steel

图3　针状马氏体边界处的碳化物
Fig．3　Carbide

图4　18Cr2Ni4W钢板条马氏体组织
Fig．4　Plate-like　martensite　of　18Cr2Ni4W　steel

　　与均质材料不同，渗碳材料碳浓度由表及里呈梯度分布，碳元素这一分布特点决定了其具有上述组织特征。在激光快速加热过程中，由于材料表面直接受激光束作用，大量碳化物发生溶解，所形成的奥氏体具有较高的含碳量，在随后的快速冷却过程中形成了针状马氏体、碳化物和残留奥氏体组织。在亚表层，尽管加热温度较表面层低，但仍具有较大的过热度，铁素体通过无扩散切变转变成贫碳奥氏体，由于作用时间较短，合金元素在随后奥氏体内的扩散不充分，致使快速冷却后形成低碳板条马氏体和高碳针状马氏体组织；在过渡区，由于该区域加热相变温度在Ac₁～Ac₃之间，过热度低，温度梯度小，作用时间短，铁素体向奥氏体转变和渗碳体溶解均不充分，结果冷却后形成马氏体和α基体上分布回火析出的碳化物混合组织；在高温回火区，由于加热温度已降至Ac₁线以下高温区，原始组织将发生高温回火转变，形成回火索氏体组织。
2.2　残留奥氏体分布
　　图5为采用VIDAS型图象分析仪测定的激光强化试样冷处理前后不同微区残留奥氏体含量。由图5可知，在渗碳激光强化复合处理条件下，硬化表层形成了大量的残留奥氏体，且其含量沿硬化区层深方向逐渐减少。在激光快速加热过程中，材料表面直接与激光束相互作用，因而表面温度最高，作用时间最，致使渗碳表层中的碳化物溶解得较为充分，所形成的奥氏体具有较高的含碳量。此外，由于18Cr2Ni4W钢是一种合金元素含量比较高的渗碳钢，大量镍和铬元素的存在，导致材料马氏体相变点降低，在这些因素的综合作用下，促使表层形成大量的残留奥氏体组织。随着距表面距离的增加，由于加热温度降低，作用时间缩短，以及钢中碳含量的减少，致使在高温下所形成的奥氏体碳浓度降低，从而减少了残留奥氏体含量。对渗碳激光强化复合处理后的试样直接进行冷处理，大量的残留奥氏体将转变成马氏体，残留奥氏体含量明显降低。值得注意的是，在激光硬化层中含有少量的残留奥氏体，有助于提高材料韧性和塑性，同时，在经受塑性变形时，残留奥氏体可以转变成马氏体，有利于被处理材料耐磨性的提高^［1］。

图5　残留奥氏体沿硬化层深分布曲线
Fig．5　Residual　austenite　distribution　
curve　along　depth　of　hardened　zone

2.3　显微硬度分布
　　图6是不同扫描速度下，显微硬度沿激光硬化区层深的分布曲线。由图6可见，在不同扫描速度下，距表面0.1～0.5mm范围内硬度值发生不同程度的降低，出现软化现象。材料的性能是由其成分、组织和结构所决定的，在渗碳激光强化复合处理条件下，虽然表面层具有很高的含碳量，但由于该区域内大量残留奥氏体的存在，使材料的表面层的硬度降低。此外，晶粒大小也是影响材料硬度的一个重要因素，通过对复合处理后材料晶粒度的测量发现，晶粒由表及里逐渐变细，造成这种现象的原因归因于激光加热时所产生的温度场分布。靠近表面处晶粒比较粗大，促成表面硬度的降低；在亚表层，由于具有相对较高含碳量和较少的残留奥氏体，加之该区域具有较大过热度，冷却速度快，组织细小，因此具有较高的硬度值；在过渡层和高温回火区，由于其组织分别是由马氏体和α基体上分布回火析出的碳化物及回火索氏体组成，因此，硬度在该区域发生陡降，至高温回火区降到最低值。冷处理后，由于大量的残留奥氏体转变成马氏体，表面硬度提高了30％。由图6也可见，扫描速度对硬化层硬度有影响，随着激光扫描速度增加，硬化层硬度有所提高。这主要是由于随着扫描速度增加，降低了高温下所形成奥氏体的含碳量，促使残留奥氏体含量减少以及晶粒细化和缺陷密度的提高，从而导致硬度升高。

图6　不同激光扫描速度下显微硬度沿硬化层深分布曲线
Fig．6　Microhardness　distribution　curve　along　depth
ofhardened　zone　at　different　scanning　speed

3　结论
　　（1）　18Cr2Ni4W钢经渗碳激光强化复合处理后，其硬化区可分为3层：第一层为完全淬硬区，其表面是由针状马氏体、渗碳体和残留奥氏体组成，亚表面是由针状和板条两种形态马氏体及残留奥氏体组成；第二层为过渡层，是由马氏体和α基体上分布回火析出的碳化物组成；第三层为高温回火区，由回火索氏体组成。
　　（2）　经复合处理后，表面硬化层形成大量的残留奥氏体组织，且其含量沿硬化层深方向逐渐减少。经冷处理，残留奥氏体含量明显减少。
　　（3）　经复合处理后，由于表面层大量残留奥氏体的存在，表面出现软化现象。增加激光淬火扫描速度，淬硬层显微硬度增加。

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