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【簡介】
通過基體化學腐蝕法去掉鋼基體，利用高分辨掃描電鏡（HRSEM）就鋼基體激光離散淬火對初始鍍鉻層界面微裂紋形貌影響進行研究。結(jié)果表明：激光處理的裂紋寬度近似是原始基體的一半；在離散處理的鋼基體上鍍鉻可以在原始基體上形成一條與激光掃描方向相一致的寬裂紋。
關(guān)鍵詞：鍍鉻層；激光淬火；基體化學腐蝕法；微裂紋
中圖分類號：TN249; TG156.99 文獻標識碼：A
文章編號：1007–9289(2006)04–0008–05
0 引 言
由于鉻具有耐磨性好、硬度高，摩擦因數(shù)低、熔點高等優(yōu)點，在工業(yè)中得到廣泛應用，但它往往是在鋼基體上利用電鍍方法得到的，其鍍層對機械零部件的表面起到了具有上述優(yōu)點的防護作用。特別是在高溫、高壓、強腐蝕極其復雜的工況下，鉻層在服役過程中的開裂和沿界面剝落成為影響工件壽命的關(guān)鍵問題[1,2]，然而鉻層剝落或鉻層本身機械性能也都與鉻層初始裂紋形貌密切相關(guān)[1~4]。為了提高在上述復雜工況下工作的鍍鉻身管的壽命，在原有均勻基體上鍍多裂紋鉻的基礎上，提出了少裂紋或無裂紋鉻的電鍍工藝[5,6]。為了控制裂紋形貌，提出了在激光離散預處理基體表面上鍍鉻的復合技術(shù)，并成功地解決我國某型號鍍鉻身管壽命的長期不達標的關(guān)鍵技術(shù)難題[7,8]。經(jīng)過靶場試驗和靶場樣品解剖分析表明：激光預處理可以控制鉻層主裂紋形貌并且對身管延壽起到了主要作用[8]。在利用靶場試驗探討提高壽命機理的同時，無論從厚度方向[9]還是背面[10]研究原始態(tài)的初始鍍鉻層形貌都表明：基體激光淬火預處理基體可以改變初始鍍鉻層的組織形貌。
為了進一步分析基體激光離散預處理對初始鍍鉻層的影響，文中就激光離散處理對初始鍍鉻層的微裂紋形貌的影響進行試驗研究。目前研究鉻層裂紋形貌的方法有：直接研究表面微裂紋形貌[3,4,11,12]和利用化學腐蝕[11,13]研究厚度方向的微裂紋形貌。由于初始鍍鉻層和表層所受到的電鍍影響因素不同[14]，勢必帶來初始微裂紋形貌也不同，這一點已通過厚度方向的裂紋不能貫通整個鉻層得到了證實[11,13]，因此不能用表面微裂紋形貌直接代替初始鍍鉻層的裂紋形貌。為此文中提出基體化學腐蝕法，利用高分辨掃描電鏡，就激光離散淬火對初始鍍鉻層的微裂紋形貌影響進行研究。
1 試驗材料和方法
1.1 試驗材料與試件制備
基料為35CrNi3MoVA 鋼，激光淬火試樣的規(guī)格為：40 mm×40 mm×15 mm, 采用額定功率為500 W 的YAG 固體激光器，對試樣激光離散淬火，其淬火工藝參數(shù)為：功率400 W，掃描速度410 mm/min，光斑φ 1 mm，掃描間距0.8 mm，試樣用線切割機切制成20 mm×20 mm×15 mm小試樣，然后對這些小試樣的被鍍表面進行研磨和拋光。采用商用鍍鉻工藝，鉻層厚度為100 μm。離散基體鍍鉻層結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
1.2 基體化學腐蝕法與觀察設備
基體化學腐蝕法的原理是選用對鉻組織沒有影響、能夠腐蝕掉相應鋼基體的化學試劑，去掉鋼基體，保留鉻層。具體操作方法如圖2 所示。利用線切割機在距離鉻層表面1 mm 處切下尺寸為15 mm×15 mm×1 mm (長×寬×厚)的薄片試樣。然后將薄片試件放置裝有50 %硝酸酒精溶液(體積比為1:1)燒杯內(nèi)，把鋼基體腐蝕掉。最后對試樣清洗時，應避免用力過大導致初始微裂紋形貌發(fā)生變化。這樣就得到了用于觀察初始鍍鉻層微裂紋形貌的試件。
利用型號為S−750 高分辨掃描電鏡觀察去掉基體后的鍍鉻層界面(即與基體相連的鍍鉻層表面)就可以得到初始鍍鉻層的微裂紋形貌。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1 試驗結(jié)果
2.1.1 初始鍍鉻層界面與基體離散對應關(guān)系
利用掃描電鏡可以得到如圖3 所示的與基體表面離散化相對應的結(jié)構(gòu)，這一點同利用YAG激光器處理30CrNi2MoVA 鋼的現(xiàn)象完全一致，并且其原因已在文獻[10]作了詳細描述。圖3 中的A、B 分別對應基體表面的淬火區(qū)和原始區(qū)。
2.1.2 微裂紋形貌比較
為了研究激光淬火區(qū)和原始基體上初始鍍鉻層微裂紋形貌的區(qū)別，在分析之前，在光學顯微鏡下選擇各自的中間部分做好標記，再在掃描電鏡下對裂紋形貌進行拍攝照片，得到圖4，圖4和以后圖片中的A、B 分別對應圖3 中的激光淬火區(qū)(A)和原始基體區(qū)(B)。圖4 表明：激光淬火區(qū)上的初始鍍鉻層形成裂紋寬度均勻的網(wǎng)狀裂紋，而在原始區(qū)域存在一條寬得多的“主裂紋”，并且該裂紋與激光掃描方向相一致，在這主裂紋周圍存在一些網(wǎng)狀裂紋。
2.1.3 微裂紋寬度比較
上述對微裂紋的全貌進行了試驗研究，為了進一步分析激光淬火處理對微裂紋形貌的影響，對裂紋的寬度進行測量統(tǒng)計分析，在各自的中心區(qū)域，選取10 條最寬的裂紋（不選上述提到的“主裂紋”），在每條裂紋上選取5～10 個測量點進行平均統(tǒng)計。典型的裂紋寬度測量數(shù)據(jù)如圖5 所示。其統(tǒng)計結(jié)果為：激光處理區(qū)上的初始鍍鉻層寬度WL＝67.53 nm；原始的WN=116.67 nm。測量結(jié)果說明原始基體上的初始電鍍層的裂紋寬度將近是激光區(qū)上的2 倍。
2.2 分析
2.2.1 其它試驗方法結(jié)論
為了消除在化學腐蝕基體和測量微裂紋過程中，由于可能的變形造成對測量精度的影響，利用離子束技術(shù)[9]同時刻蝕鉻層和基體，對激光處理區(qū)和原始基體上微裂紋寬度進行定性比較，得到圖6。
比較圖6 中的A 區(qū)與B 區(qū)發(fā)現(xiàn)：原始基體和鉻層中間存在一個過渡層，而激光處理區(qū)上的鉻層是從基體表面連續(xù)生長的，沒有明顯的過渡層存在[8,9]；原始基體的微裂紋寬度明顯要比激光處理區(qū)的寬和長，為此進一步證實了上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)的差別正確性。
通過化學腐蝕方法觀察激光離散處理基體初始裂紋形貌，也表明存在與基體離散處理相對應的周期性微裂紋形貌，在原始基體上出現(xiàn)較長和寬的裂紋，而在激光處理區(qū)上僅存在細小的微裂紋[13]，這也進一步證明上述結(jié)論。通過靶場試驗解剖分析，對壽終身管解剖分析表明也都存在與基體離散處理的相對應的周期性主裂紋形貌[8]，該裂紋也出現(xiàn)在原始基體的鍍鉻層上，這也再次說明激光處理基體對初始裂紋形貌的影響。
2.2.2 影響因素分析
(1) 由于激光淬火基體表面可以得到晶粒細化的初始鍍鉻層[10]。在晶粒細化的同時，隨之增加的晶界面積導致形成晶界能量也增加。在同樣的電鍍條件下，用于形成裂紋和裂紋擴展的能量相應地減少，為此形成較細的微裂紋。
(2) 根據(jù)電鍍理論[14]，在金屬基體上電沉積的開始階段，電結(jié)晶層有按基體晶格生長并維持原有取向的趨勢。這就說明由于初始鍍鉻層界面（電結(jié)晶第一層）的鉻和鋼基體存在晶格常數(shù)的不匹配，形成了錯配界面。
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