第23卷第2期 2003年4月
应 用 激 光 Vol.23,No.2
APPLIEDLASER April2003
30CrMnSiA钢激光表面淬火的显微组织及耐磨性
刘 丽1 吴东江2 李守春1 庄 娟1 王连元1
(1吉林大学物理教学与研究中心,长春130026;
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新加坡国立大学数据存储研究所,新加坡117608)
提要 采用功率为2kW,扫描速度为100mm/min的工艺参数对钻杆接头材料30CrMnSiA钢进行了表面相变硬化处理,研究了相变层的组织和耐磨性。实验结果表明,30CrMnSiA钢表面相变硬化层分为完全淬硬层、过度层和受热影响的基体组织,硬化层的显微组织明显细化,其表面层的耐磨性明显高于未经激光处理的30CrMnSiA钢。 关键词 30CrMnSiA钢
激光相变硬化
显微组织
耐磨性
MicrostructureandWearResistanceofLaserHardeningLayeron30CrMnSiASteel
LiuLi1, WuDongjiang2, LiShouchun1, ZhuangJuan1
(1TeachingandStudyCenterofPhysics,JilinUniversity,Changchun130026,;
2
DdtaStorageInstituteNationalUniversityOfSingapore,Singapore117608)
Abstract Surfacehardeningofdrill-stemjointmaterial30CrMnSiAbyusing2kWpowerand100mm/minscanningvelocityhasbeenperformed,Themicrostructureandwearresistanceofthetransformationlayerhavebeenstudied,Theexperimentalresultsshowthatthesurfacehardenedlayerconsistsofthehardenedregionandtheinterimregionandthetempermicrostructure,Them-icrostructureofhardenedlayerwasverytiny,Itswearresistancehigherthanthe30CrMnSiAsteelinthenormalstate Keywords 30CrMnSiAsteel, lasertransformationhardening, Microstructure,wearresistance
钻杆作为石油钻井、地质钻探的必备工具,在钻进过程中起着极其重要的作用,钻杆接头作为钻杆的连接部件,在钻进过程中需经常拧卸,且因加工螺纹使其强度降低,目前,钻杆接头材料经常选用30CrMnSiA或45MnMoB,在螺纹连接处使用寿命与钻杆体相比较短,往往因螺纹的损坏而造成钻杆提前报废。激光已发展成为材料表面改性的重要手段之一,激光相变硬化可在不影响其优良性能的前提下,提高其表面的硬度、耐磨等性能。从而大大地提高了钻杆接头表面的性能,这样将会减少钻井事故,提高钻井速率,降低钻井成本,产生巨大的经济效益和社会效益。
试验材料及研究方法
试验材料为30CrMnSiA钢,试验是在MM200型磨损试验机上进行。采用的是失重法进行试验。并且采用GT628A型天平(分度值1mg)测量试样磨损前后的质量。磨损试样尺寸14@10@10mm,激光热处理工艺参数为:激光功率2kW,扫描速度
X地质矿产部青年地质学家基金资助项目(Qn979819)
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100mm/min,光斑尺寸8@5mm。对磨件为硬质合金磨轮,尺寸为545@10mm,硬度为HRC70-73。磨损时间设定为30min。用金相上选取所要观测的部位,用线切割机切下,显微镜对硬化层的组织进行观测,先在试样然后在切下的试样上用不同型号的金相砂纸将观察面磨光后再抛光呈无疵镜面,即在金相显微镜下观察无划痕。为更好地显示金相组织,先用3%的酒精对观察面进行轻腐蚀,再用金相显微镜对显微组织进行观测。
试验结果及分析
1.30CrMnSiA钢激光硬化层的显微组织和组成相
30CrMnSiA钢经激光淬火后,表面硬化层的显微组织如图1所示,由图1可见随着表面硬化层深的变化,显微组织发生了明显的变化,依其组织不同,将硬化层大致分为三层,第一层完全淬硬层,在金相显微镜下通过大量的视场观察发现,其表层组织是由针状马氏体和残留奥氏体组成(图1a),该区
)69)域的加热相变温度在AC3以上,马氏体形态的变化是由相变形成的奥氏体晶粒大小和马氏体转变的冷却速度决定的。试样表层形成细小针状马氏体是由于表层奥氏体晶粒较小且冷却速度极快所致。因为在激光照射时,激光直接作用于试样表面,使表面温度很高,加之原始组织成分比较均匀,碳和合金元素的扩散较为充分,得到均一的奥氏体组织,又因激光作用时间短,所以奥氏体晶粒只能长大到一定尺寸。由于马氏体的长大都是奥氏体晶粒内从一端向另一端发展的方式进行的,这意味着奥氏体的晶粒愈大,所形成的马氏体就愈长。在随后的冷却过程中,
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因与外界形成很大的温度梯度,所以冷却速度极快,能够形成大量的细而小的针状马氏体组织。第二层为过渡层,其组织是由针状马氏体和回火索氏体组成(如图1b所示),由于该区域加热相变温度在AC1~AC3之间[3],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,有部分先共析铁素体残留,结果冷却后形成针状马氏体和回火索氏体。第三层为受热影响的基体组织,加热温度位于AC1以下,原始组织发生轻微回火转变,所以得到粗大的回火索氏体(如图1c所示).
Fig.1 Microstructureoflasertransformationhardeninglayerof30CrMnSiAsteel
(1a)Thehardenedregion400@ (1b)Theinterimregion400@ (1c)Thetempermicrostructure400@
硬化层的温度升高有关,因为硬化表面产生残余压应力不利于耐磨性,但总的来说,在相同的载荷情况下,30CrMnSiA材料激光处理后的磨损量明显低于未被激光处理的磨损量,在法向载荷为150N时,耐磨性提高了46%,因而激光热处理可以显著提高钻杆接头材料30CrMnSiA钢的耐磨性。
3.耐磨性提高机理
30CrMnSiA钢经激光处理后耐磨性提高的原
Fig.2 abrasionfigofsampleafterlaserheat
treatinginthedifferentload
因,主要是其硬化层组织由马氏体和残余奥氏体组成,而马氏体具有高耐磨性,残余奥氏体中高的碳含量与高的位错密度使其保持高韧性的同时,还具有较高的强度。相变层中的针状马氏体和残余奥氏体二者尺寸的细小,可削弱它们对耐磨性的不利影响,使其对耐磨性有利的方向得到更充分发挥。也就是说,激光相变硬化后使硬化层的硬度提高,并且使其组织晶粒细化,从而改善了表面的机械性能,因此,它具有良好的耐磨性。
(下转第120页)
2.30CrMnSiA钢激光硬化层的耐磨性 图2给出了不同法向载荷条件下,试样经激光热处理前后的磨损情况,由图2不难看出,在激光功率,扫描速度和光斑尺寸都不变的情况下,随着法向载荷的增加,30CrMnSiA钢的磨损量也随之增大。另外,在较低载荷下,30CrMnSiA钢激光淬火与否对它的磨损量的影响很大;当载荷较大时,激光淬火处理试件的磨损量低于未处理试件的磨损量减小,这与载荷增大,硬化表面产生残余压应力增大,以及)70)照射小鼠哈德尔氏腺时,均可对机体免疫力起到增强作用,也就是产生所谓的向上调节效应。而对于36.67J/cm2剂量组却产生了另外一种效果:应用36.67J/cm的氦氖激光照射至第3天开始就表现出对外周血IgG含量的抑制效应,IgG含量在第6d天时降至最低点。这种抑制效应一直持续到第9~13d才恢复至正常水平。故可以认为36.67J/cm2He-Ne激光哈德尔氏腺照射可对小鼠产生明显的免疫抑制作用,也就是所谓的向下调节效应。由此可以得出结论,应用不同剂量的低能氦氖激光照射,可产生不同的免疫学调节效应,适当剂量LLLLI起免疫增强效应,大剂量则起免疫抑制效应。
2.低能激光照射对小鼠外周血IgG含量影响的作用特点
实验结果表明,He-Ne激光的调节效应与照射剂量密切相关,一般情况下,小剂量引起兴奋,大剂量引起抑制,从而呈现出两个明显的特点:一是累加效应,小剂量并不能立即引发免疫学指标的明显变化,只有随着照射次数的增加和照射总剂量的加大,才开始出现免疫增强效应,而增大剂量照射则很快就出现免疫增强效应,再增大剂量则有可能很快出现抑制效应;另一特点就是抛物线特性,如每天照
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射剂量保持一致,但机体反应强度却不一致,而是刺激作用逐渐增强,至峰值后又逐渐减弱,甚至逐渐变成抑制相。
结 论
以7.33,11.00,14.67和22.00J/cm2的日剂量照射小鼠哈德尔氏腺,连续照射8天,可对外周血IgG含量起到增高的作用,也就是可产生免疫增强效应;以36.67J/cm的日剂量照射小鼠哈德尔氏腺,连续照射8天,可产生抑制效应。从而证明,应用不同剂量的低能量He)Ne激光照射小鼠哈德尔氏腺,可对小鼠机体免疫机能产生明显的调节效应。以7.33,11.00,14.67和22.00J/cm的日剂量照射小鼠哈德尔氏腺,可起到增强小鼠免疫机能的效应。
参考文献
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[5]杨延彬,实用免疫学,长春出版社,1994,538
[6]朱忠勇,实用医学检验学,人民军医出版社,1992,815
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(上接第70页)
另外,磨擦过程中部分残余奥氏体诱发转变为马氏体,将会发生较大的塑性变形,且多发生于裂纹前沿的塑性区,从而使裂纹前沿的应力得到松驰,提高了裂纹的扩展抗力[4]。我们还知道奥氏体向马氏体转变的过程中体积会膨胀,这样转变区中相邻的马氏体间会产生压应力,梦使磨损表面由于激光淬火形成的热应力(常呈拉应力状态)减小,改善了表面应力状态,对裂纹的萌生和扩展均有抑制作用。因而,30CrMnSiA钢激光相变硬化处理后硬度高,且组织晶粒细化,改善了表面的机械性能。因此,具有良好的耐磨性。
针状马氏体和残余奥氏体组成;第二层为过渡层,是由针状马氏体和回火索氏体组成;第三层为受热影响的基体组织,由回火索氏体组成。
(2)钻杆接头材料30CrMnSiA钢经过激光相变硬化后,抗磨损能力大大提高,其提高幅度与法向载荷密切相关,法向载荷越小,激光淬火可显著提高30CrMnSiA的磨损率,在法向载荷为150N时,耐磨性提高了46%。
参考文献
结 论
(1)30CrMnSiA经激光淬火后,其硬化层可分为三层:第一层为完全淬硬层,其显微组织是由
[1]吴东江等,长春地质学院学报,1996.26(4):30[2]关振中,激光加工工艺手册,中国计量出版社1998:156[3]王存山等,金属热处理,1999,2:14~16.[4]赵亚凡等,金属热处理,1999,4:7~10
)120)