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激光重熔球墨铸铁基陶瓷复合层的金相组织
唐人剑,严 彪,徐 政
(同济大学材料科学与工程学院,上海200092)
摘 要:采用金相显微镜、扫描电子显微镜等测试手段,分析了激光重熔球墨铸铁及球墨铸铁基陶瓷复合层的金相组织形貌,探讨了其形成机理。
关键词:球墨铸铁;金属基复合材料;陶瓷镀层;激光处理
1 引 言
以球墨铸铁代钢,是20世纪材料科学最重大的技术进展之一。等温淬火球铁是一种轻而坚固的材料。目前主要用于凸轮轴、磨球等零件。为了更好地提高凸轮轴耐磨性和解决耐磨层易剥落的问题,我们采用了球墨铸铁激光处理以及激光重熔球墨铸铁基陶瓷表层复合的工艺,取得了一定的效果。本文采用金相显微镜、扫描电子显微镜等手段,分析了激光重熔球墨铸铁及球墨铸铁基陶瓷复合层的金相组织形貌,探讨了其形成机理。
2 实验材料与试样制备
基材采用牌号为80022的铸态珠光体球墨铸铁,球铁试样的化学成分为:碳3175%,硅2135%,锰0143%,磷0142%,硫0101%,稀土01026%,镁01038%。试样制成尺寸为10×10×10mm的合金试块。将试块中的一个端面磨平,用磁控溅射法进行Al2O3镀膜处理。使用国产千瓦级横流多模CO2激光器,对经过镀膜处理的球铁合金基片进行激光扫描处理。使用Lizca金相显微镜观察试样的形貌。用带能谱的Stereoscan360扫描电子显微镜对试样进行微观分析。
3 试验结果
3.1 重熔区形貌
球墨铸铁合金试样表面经过激光处理后,在激光扫描的轨迹上形成重熔区。图1为熔区的示意图,激光扫描后重熔区形貌如图2。
图1 重熔区示意图
图2 重熔区金相形貌 500×
从图1中可以看出:经激光处理后,理论上应形成近似半圆形的重熔区(细晶区+过渡区),对试样的金相观察发现,重熔区中根据金相组织的差异可以明显地分为两部分,我们相应地称之为熔池区(细晶区)和过渡区。
3.2 熔池区的组织形貌
从图3(a)中可观察到熔池区中大量存在树枝状莱氏体组织,且组织生长方向垂直于熔池区的曲面并指向试块表面。电镜观察图4(a)可以明显地看出这个生长趋势。
从图3(b)和图4(b)中可观察到经过Al2O3镀膜处理的试块的熔池区中晶粒较细小,且呈细小的网状分布。这一区的组织结构和化学成分重熔后变化比较复杂,有待今后进一步研究。
图3(a) 铸态+激光重熔 500×
图3(b) 铸态+溅射Al2O3+激光重熔 500×
图4(a) 铸态+激光重熔 5000×
图4(b) 铸态+溅射Al2O3+激光重熔 3000×
3.3 过渡区的组织形貌
过渡区处于熔池区和基体区域之间,其金相组织与熔池区有一定的差别。从图5(a)和图5(b)中可以观察到过渡区中存在着渗碳体、铁素体、莱氏体、牛眼状石墨、残余奥氏体和球光体等组织。
图5(a) 铸态+激光重熔 500×
图5(b) 铸态+激光重熔 800×
图5(c) 铸态+溅射Al2O3+激光重熔 500×
图5(c)为经Al2O3镀膜处理的试块的过渡区的金相组织照片。与熔池区一样,该区的组织结构和化学成分也较复杂,故这里不作详细的讨论。
3.4 基体区的组织形貌
基体区未受激光能束的影响,它的组织形貌是由浇铸态通过自然冷却形成的,因此其保持了铸态珠光体球墨铸铁原有的金相组织。从图6(a)中,我们可以看到在未经Al2O3镀膜处理的试块的基体区中存在大量的珠光体组织。在经Al2O3镀膜处理的试块的基体区中同样存在大量的珠光体组织,如图6(b)。这是因为基体区未受激光能束的影响,表面的Al2O3涂层未与基体区中的组织发生反应的缘故。
图6(a)铸态+激光重熔 500×
图6(b)铸态+溅射Al2O3+激光重熔 500×
4 形成原因分析
为了弄清熔池区和过渡区的金相组织的形成原因,我们以铸铁的结晶转变动力学的角度,从理论上加以分析。
图7 过冷液态铸铁等温结晶转变图
图7为过冷液态铸铁的等温结晶转变图。如图所示,在不同的过冷度下进行结晶时,结晶的步骤、速度及最后形成的组织会发生变化。
利用结晶转变图可以大致地、近似地判断连续冷却时的结晶过程。如图7中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3条线近似地代表3种不同的冷却速度,这些线与转变图上各线的交点即可近似地反映某一相的开始析出或结晶终了。在较小的冷却速度Ⅰ时,凝固过程从析出初生奥氏体开始,然后残余熔体按稳定系进行共晶转变,最后的组织是“A+G”。在某种中间的冷却速度Ⅱ时,继析出初生奥氏体之后,共晶转变先按稳定系进行,析出石墨共晶体,但未等溶液转变结束,温度已下降到更低,最后的一部分残余熔体在更大的过冷度下,按介稳定系转变成渗碳体共晶体,故凝固完毕时是“A+G+C”,即麻口组织。在较大的冷却速度Ⅲ时,继初生奥氏体之后,残余熔体的共晶转变在更大的过冷度下全部按介稳定系进行,凝固完毕时形成“A+G”,即白口组织。
表面激光处理的过程实质上是重熔区中液态金属结晶的过程。除基体区未受激光能束的影响而无变化外,由于熔池区、过渡区所得到的激光能量的不同造成各自过冷度不同,结果导致结晶过程的不同而引起金相组织上的差异。所以我们可以通过结晶转变动力学理论来解释这一过程。
4.1 熔池区
熔池区所得到的激光能量最大,类似图7中较大的冷却速度Ⅲ。在结晶过程中,渗碳体首先从液体金属中析出并不断长大,当温度降至球铁的共晶温度以下时,发生共晶转变,这时奥氏体晶核出现在渗碳体晶粒锯齿分枝之间,并生长成树枝状晶粒,渗碳体又在奥氏体晶粒分枝之间生长。如此,奥氏体形成一个个长圆形的“芯子”,位于连续的渗碳体之中,构成了莱氏体组织。
关于熔池区中莱氏体的生长:晶粒的长大趋势决定于基材晶粒的优先成长方向和熔池散热方向之间的关系。基材晶粒的优先生长方向是由基体金属的晶格类型所决定的,是基材本身的固有属性。在高能激光束作用下的动态凝固中,熔池主要靠已结晶的晶粒固体散热。显然垂直于熔池边界方向上的温度梯度9T/9X最大,因而散热最快。晶粒的散热条件越好,则生长条件越有利。如图8所示,合金熔池的边界是椭球形的曲面,这个曲面就是结晶等温面。熔池的最大散热方向必然垂直于结晶等温面。因此,晶粒的生长方向也应垂直于结晶等温面,形成沿散热方向得到主要发展的树枝状晶粒。
图8 合金熔池截面的等温线分布
4.2 过渡区
造成过渡区的金相形貌特征的原因是不完全激光重熔。由于过渡区处于整个激光熔池的底部,所获得的激光能量远小于熔池区,这些能量使得过渡区晶体的过冷度小于熔池区晶体的过冷度,这就造成了结晶转变过程中的不同变化。类似图7中间的冷却速度Ⅱ,最终得到了渗碳体、铁素体、莱氏体、石墨、残余奥氏体和珠光体等组织。
5 结 论
(1)球墨铸铁合金试样表面经过激光处理后,在激光扫描的轨迹上形成重熔区,根据金相组织的差异可以分为熔池区(细晶区)和过渡区两部分。
(2)熔池区中大量存在树枝状莱氏体组织,且组织生长方向垂直于熔池区的曲面并指向试块表面,过渡区中存在着渗碳体、铁素体、莱氏体、牛眼状石墨、残余奥氏体和珠光体等组织,基本区组织与原铸态组织相同。
(3)由于熔池区、过渡区及基体区所得到的激光能量不同而造成3个区的过冷度不同,结果导致3个区的金相组织上的差异。
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