45#钢激光相变硬化组织及性能

45#钢激光相变硬化组织及性能
邹光坤;宋立新
【摘要】应用5kW连续CO2激光器对正火态45#钢表面进行激光相变硬化处理,采用金相显微镜和显微硬度计进行显微组织分析及硬度测试.结果表明,激光相变硬化后的剖面组织可分为完全淬硬区(马氏体)、不完全淬硬区(马氏体、铁素体和珠光体)、高温回火区(回火索氏体).激光相变硬化处理明显提高了正火态45#钢的硬度.当激光功率一定时,随扫描速度的增加,淬硬层深度逐渐降低,且在
v=400mm/min和v=1000mm/min时表面硬度分别出现峰值.
【期刊名称】《现代制造技术与装备》
【年(卷),期】2010(000)001
【总页数】2页(P39-40)
【关键词】45#钢;激光相变硬化;显微组织;硬度
【作者】邹光坤;宋立新
【作者单位】大庆油田装备制造集团,大庆,163000;海洋石油工程(青岛)有限公司,青岛,266520
【正文语种】中文
抽油泵作为主要机械采油设备，在油田开发生产中占重要地位 [1]。

45#钢在油田建设中常用作抽油泵材料，由于抽油泵在地下油层工作，工作环境十分恶劣，材料表面常发生磨损、疲劳、腐蚀等失效形式，使得45#钢原有的硬度和耐磨性已远
远满足不了现场的使用要求[2]。

激光相变硬化（又称激光淬火，或称为Laser Transformation Hardening，简称LTH）是激光热处理的一种，它是以激光为热源，通过高能量的激光束扫描工件，使工件表面极薄一层的小区域内快速（10-1～10-7s）吸收热量而温度急剧上升，工件材料表面内的温度在材料的熔点和奥氏体转变临界温度之间的部分发生固态相变，随后发生自淬火，得到马氏体组织，实现工件表面相变硬化。

激光相变硬化后，工件表面硬度显著提高，淬硬层深达0.1～2.0mm，疲劳强度增大，且加工后变形小，因此得到广泛应用[3]。

本文以油田上常用的45#钢为研究对象，采用激光相变硬化技术对其表面进行强
化处理，并对处理后的组织及硬度进行分析，同时研究了工艺参数对淬硬层深及表面硬度的影响规律，为激光技术在油田钻采设备上的应用提供了理论依据。

1 实验材料及方法
本文实验材料为正火态的45钢，其化学成分见表1。

试样规格均为
Φ70mm×10mm。

表145 #钢化学成分（wt%）C Si Mn Cr Ni Cu S P 0.44 0.25 0.55 0.24
≤0.30≤0.20≤0.035≤0.035
试验前试样表面用丙酮清洗，去除试块表面的有机杂质和油渍，以保证加工后的质量。

然后对试样进行预处理，本实验使用激光器配套的DL-1号的SiO2吸光材料，吸光率可达到70%～80%以上。

实验设备采用DL-HL-T5000连续CO2多功能激光数控加工机。

该激光器输出激光波长为10.6μm；功率稳定度为2%；最高输出功率为5KW。

激光处理工艺参数为：功率P为2.1kW，矩形光斑尺寸为
10mm×1mm，扫描速度v为200～3200mm/min，共 16道，间隔
200mm/min。

试样经激光相变硬化处理后，沿垂直于激光束移动方向切样，经粗磨、细磨，抛光，
用4%的硝酸酒精试剂进行浸蚀后，采用显微镜观察淬硬层的组织。

2 试验结果分析
2.1 宏观形貌
图1由左向右依次示意了在相同功率P=2.1kW，不同扫描速度下，激光相变硬化处理后的宏观形貌。

由图可知，当v=200mm/min和400mm/min时，试块表
面出现了明显的熔化现象。

随扫描速度的增大，熔化现象逐渐消失，由熔凝向相变硬化过渡。

当v大于2200mm/min时，表面基本无明显变化，这主要是因为扫描速度太快，扫描区域的温度并没有达到基体45#钢的奥氏体转变温度，即并没有
发生相变。

2.2 淬硬层深度
通过测得淬硬层最大深度的具体值来表征激光束扫描速度对45#钢激光相变硬化
处理后的影响，如图2所示。

由图可见，对于相同功率，不同扫描速度的激光相
变硬化处理，可获得不同的淬硬层深度。

在工艺参数为P=2.1kW，
v=200mm/min和400mm/min的条件下，由于试块出现严重的熔化现象，熔深较大。

随着扫描速度增大，淬硬层深度逐渐减小。

因为扫描速度越大，单位时间内扫描区域吸收的能量就越小，导致相变硬化层深度逐渐变小。

2.3 显微组织
试验用正火态45#钢基体的显微组织由铁素体和珠光体组成，见图3a所示。

激光相变硬化处理后，组织形态发生了明显的变化。

图3b-3e示意了工艺参数为
P=2.1kW，v=1000mm/min时处理后45#钢的显微组织。

激光相变硬化处理后，剖面组织分为完全淬火区、不完全淬火区和高温回火区（图 3b）。

图2 扫描速度对淬硬层深度的影响
完全淬硬区是由于在激光快速扫描过程中，温度迅速上升到奥氏体化温度点以上，
发生完全奥氏体化，在冷却过程中，与外界形成很大的温度梯度，冷却速度极快，发生“自淬火”[4,5]，形成大量的细而小的针状马氏体组织（图3c）。

不完全淬
硬区是加热温度位于AC1～AC3之间，过热度低，温度梯度小，作用时间短，铁
素体向奥氏体转变不充分，有部分铁素体残留，结果冷却后形成了马氏体、铁素体和珠光体组织（图3d）。

高温回火区是受热影响的基体组织，加热温度在AC1以下，原始组织发生轻微回火转变，所以得到粗大的铁素体和珠光体（图3e）。

2.4 表面硬度
图4给出了扫描速度对激光相变硬化后的硬度的影响。

由图4可知，激光相变硬
化处理后，试样的硬度随着扫描速度的增大出现了两个峰值。

当v=200mm/min 时，由于严重熔化，得到粗大的铁素体和珠光体组织，马氏体很少，故硬度较低。

随着扫描速度增大，当V=600mm/min时，试样发生熔凝转变，得到了完全的马氏体组织，硬度出现一个极值。

随着扫描速度增大，冷却速度增大，熔凝区过冷度大，一部分奥氏体来不及转变成马氏体，形成残余奥氏体，导致马氏体含量降低，硬度有所降低。

当v=800mm/min时，试样只发生固态相变。

此后，扫描速度增大，晶粒长大倾向减小，硬度逐渐增大[6]。

当v=1000mm/min时，激光相变硬
化的硬度出现最大值HB54。

之后，扫描速度继续增大，激光束对试块的加热时间变短，单位时间内吸收的能量减小，没有完全奥氏体化，未完全淬硬，硬度值下降，直到接近基体的原始硬度。

3 结论
图4 扫描速度与表面硬度之间的关系
（1）45钢激光相变硬化处理后，剖面组织分为完全淬火区（超细针状马氏体）；不完全淬火区（马氏体、铁素体和珠光体）；高温回火区（铁素体和珠光体）；（2）45#钢激光相变硬化处理后，当激光功率一定时，随扫描速度的增大，激光
相变硬化层深逐渐减小。

（3）5#钢激光相变硬化处理后出现明显的硬化现象，在v=400mm/min和
v=1000mm/min时表面硬度分别出现峰值，且v=1000mm/min时，达到最大值HB54。

参考文献
【相关文献】
[1]谢义华,杨静.深井抽油泵失效分析及控制措施[J].石油机械,2004，32（6）：64-65.
[2]邓立岩,韦绿梅.45钢激光热处理及其生产应用[J].广西工学院学报,1996,7（3）:76-79.
[3]杜亚勤,洪波.40Cr激光相变硬化工艺的研究[J].纺织高校基础科学学报,2000,13（4）:69-70.
[4]石岩,徐春鹰,张宏.40CrNiMoA钢激光相变硬化技术[J].金属热处理,2002,27（11）:69-70.
[5]王家金.激光加工技术.北京:中国计量出版社[M],1992:122.
[6]周融.中碳钢激光相变硬化组织中碳化物特性的研究[J].昆明理工大学报,1996,21（3）:152-154.。