45鋼表面激光合金化組織分析及硬度測試

邱星武

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽 618000）

激光表面合金化是金屬材料表面局部改性處理的一種新技術(shù)，屬于材料表面改性處理的范疇。它是指在高能量激光束的照射下，使基體材料表面薄層與根據(jù)需要加入的合金元素同時快速熔化、混合，以很快的冷卻速度凝固成表面熔化層［1—6］，相當(dāng)于急冷淬火技術(shù)所能達(dá)到的冷卻速度，又由于熔化層液體內(nèi)存在著擴散作用和表面張力效應(yīng)等物理現(xiàn)象，可使材料表面在很短的時間內(nèi)形成具有一定深度和化學(xué)成分的表面合金化層，快速熔化非平衡過程可使合金元素在凝固后的組織達(dá)到相當(dāng)高的飽和度，從而形成普通合金化方法不容易得到的化合物、介穩(wěn)相和新相［7—10］。激光表面合金化能夠在一些價格便宜、表面性能不夠優(yōu)越的基體材料表面上制出耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化的表面合金層，用于取代昂貴的整體合金，節(jié)約貴重金屬材料和戰(zhàn)略材料，使廉價基體材料得到廣泛應(yīng)用，從而使生產(chǎn)成本大幅下降。與常規(guī)熱處理相比，激光表面合金化能夠進(jìn)行局部處理，而且具有工件變形小、冷卻速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不需要淬火介質(zhì)、清潔無污染、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，具有很好的發(fā)展前景［11—13］。

45鋼是機械制造業(yè)中應(yīng)用較廣的一種鋼種，其具有較高的強、韌、塑性，但是其耐磨性并不理想［14—16］。通常提高45鋼硬度、耐磨性時一般采用淬火+低溫回火工藝。如果想進(jìn)一步提高45鋼的強度，則韌性降低;而想提高韌性，則必須犧牲一定的強度，這樣就導(dǎo)致該材料的應(yīng)用受到限制。而高能量激光束的出現(xiàn)為45鋼表面改性開辟了一條新的途徑，本文驗證了45鋼表面激光合金化涂層的組織與性能，以期為拓展45鋼的應(yīng)用范圍提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 材料

基體材料為45鋼。合金化粉末選用Ni35B鎳-鉻自熔性合金粉末，其粒度范圍為-140～320目;熔點為1080℃。其化學(xué)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）:Cr:10.0，B:2.5，Si:3.0，C:0.4，F(xiàn)e＜10，Ni:余量。

1.2 方法

先將基體試樣用磨床磨平，再用丙酮對其清洗，除去表面的污垢和油垢，減少對試樣的污染。將合金粉末用有機溶劑調(diào)勻后，用鋼尺均勻地預(yù)涂覆在45鋼基體表面上。激光加工參數(shù)為:功率P=1800 W，掃描速度v=6 mm/s，光斑直徑D=3.5 mm，加工過程中用Ar氣保護(hù)。

利用GX71金相顯微鏡、JSM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察激光合金化層的組織形貌，并用其附帶的能譜儀測試微區(qū)成分;利用XRD-7000型X射線衍射儀分析合金化層物相組成，條件為:Cu靶，電壓40 kV，電流40 mA，掃描角度為25°～90°，掃描速度為4（°）/min;利用 TUKON2100顯微/維氏硬度計測試合金化層及基體的硬度，實驗過程中加載0.2 N，保壓10 s，測7組數(shù)據(jù)，取平均值作為最后結(jié)果。

2 分析與討論

2.1 顯微組織結(jié)構(gòu)

圖1為激光合金化層X射線衍射圖譜，分析可知，激光合金化層主要由 Fe3C，Cr3C2，F(xiàn)eNi3，Cr23C6相組成。

圖1 激光合金化層X射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of the laser alloying layer

圖2為合金化層組織照片，其中圖2a為宏觀形貌金相照片。

圖2 合金化層顯微組織Fig.2 Microstructure of the laser alloying layer

由圖2a可見:合金化層表面平整、連續(xù)、光滑，內(nèi)部組織均勻，無明顯缺陷，合金化效果理想。顯微組織由表及里分作A，B，C 3個區(qū)域，從上向下依次為:合金化區(qū)（A）、結(jié)合區(qū)（B）、熱影響區(qū)（C）。熱影響區(qū)以下是基體。圖2b為結(jié)合區(qū)SEM照片，可見，合金粉末與基體的結(jié)合呈曲線狀，說明形成了良好的冶金結(jié)合，這種冶金結(jié)合有利于涂層的穩(wěn)定存在，保證了涂層與基體的連續(xù)性，從而具有優(yōu)異的性能。圖2c為合金化區(qū)顯微組織SEM照片。合金化層與基體之間的結(jié)合區(qū)的組織形貌形態(tài)為枝晶，沿著與界面垂直的方向生長。

2.2 顯微硬度

圖3是合金化試樣的顯微硬度分布曲線。經(jīng)激光合金化處理后的試樣表面顯微硬度最高達(dá)到了1032 HV，約為基體45鋼的3.5倍。產(chǎn)生高硬度的原因在于:一方面由于快速凝固，組織極其細(xì)小致密，為獲得高的硬度提供了保證;另一方面，合金化層中存在的Cr23C6，Cr3C2等硬質(zhì)相使得合金化層硬度增加。顆粒相的彌散強化、合金元素的固溶強化和馬氏體相變強化對合金化層顯微硬度的提高也有一定作用。

圖3 激光合金化試樣的顯微硬度Fig.3 Microhardness of laser alloying samples

3 結(jié)論

1）45鋼表面經(jīng)激光合金化處理后改性層分為合金化區(qū)、結(jié)合區(qū)和熱影響區(qū)3部分，涂層與基體呈冶金結(jié)合。

2）激光合金化層主要由 Cr3C2，F(xiàn)eNi3，F(xiàn)e3C，Cr23C6相組成。

3）合金化處理后硬度顯著提高，表面硬度約為基體的3.5倍。

［1］QIU Xing-wu，ZHANG Yun-peng，LIU Chun-ge.Microstructural and Physical Properties of a Nickel-Chromium Alloy Powder Laser Alloyed onto a 45 Steel Surface［J］.Lasers in Engineering，2014，27（3/4）:257—265.

［2］張松，吳臣亮，王超，等.鐵單元素基合金表面激光高熵合金化涂層的制備［J］.金屬學(xué)報，2014，50（5）:555—560.

ZHANG Song，WU Chen-liang，WANG Chao，et al.Synthesis of Laser High Entropy Alloying Coating on the Surface of Single-Element Fe Base Alloy［J］.Acta Metallurgica Sinica，2014，50（5）:555—560.

［3］易云杰，樓程華，郭士銳，等.激光表面合金化制備鎳鈦涂層的組織與性能［J］.應(yīng)用激光，2013，33（2）:99—103.

YI Yun-jie，LOU Cheng-hua，GUO Shi-rui，et al.Microstructure and Properties of Ni-Ti Coating Prepared by Laser Surface Alloying［J］.Applied Laser，2013，33（2）:99—103.

［4］HUSSAIN A，AHMAD I，HAMDANI A，et al.Laser Surface Alloying of Ni-plated Steel with CO2Laser［J］.Applied Surface Science，2007，253:4947—4950.

［5］吳岸琪，劉其斌，孫桂祥，等.Y2O3含量對40Cr鋼激光表面合金化組織與性能的影響［J］.材料熱處理學(xué)報，2011，32（9）:141—145.

WU An-qi，LIU Qi-bin，SUN Gui-xiang，et al.Effect of Y2O3Content on Microstructure and Properties of Laser Alloying Layer on 40Cr Steel［J］.Transactions of Materials and Heat Treahnent，2011，32（9）:141—145.

［6］秦會常，胡亞民，孟祥巖，等.40Cr重載車軸斷裂失效分析［J］.精密成形工程，2014，6（4）:63—68.

QIN Hui-chang，HU Ya-min，MENG Xiang-yan，et al.Fracture Failure Analysis of 40Cr Heavy Automobile Axle［J］.Journal of Nestshape Forming Engineering，2014，6（4）:63—68.

［7］童昊，胡樹兵，石凱源，等.45鋼激光合金化后的組織結(jié)構(gòu)及性能［J］.材料保護(hù)，2012，45（4）:49—51.

TONG Hao，HU Shu-bing，SHI Kai-yuan，et al.Microstructure and Performance of 45 Steel after Laser Surface Alloying［J］.Journal of Materials Protection，2012，45（4）:49—51.

［8］姜偉，黃旭仁，夏毅銳.45鋼激光表面合金化［J］.熱加工工藝，2009，38（24）:162—163.

JIANG Wei，HUANG Xu-ren，XIA Yi-rui.Laser Surface Alloying Coating on 45 Steel［J］.Hot Working Technology，2009，38（24）:162—163.

［9］張光明，崔祥鵬，史紅燕.45鋼激光合金化鉻鑰硼組織結(jié)構(gòu)及耐磨性研究［J］.鑄造技術(shù)，2012，33（8）:939—941.

ZHANG Guang-ming，CUI Xiang-peng，SHI Hong-yan.Research on Wear Resistance and Organizational Structures of Coating Alloyed by Laser with Chromium，Molybdenum and Boron［J］.Foundry Technology，2012，33（8）:939—941.

［10］徐均琪，郭芳，蘇俊宏，等.激光薄膜的設(shè)計與制備［J］.表面技術(shù)，2014，43（2）:75—78.

XU Jun-qi，GUO Fang，SU Jun-hong，et al.Design and Prep-aration of Thin Films for Laser System［J］.Surface Technology，2014，43（2）:75—78.

［11］DURAISELVAM M，GALUN R，WESLING V，et al.Cavitation Erosion Resistance of Ti6Al4V Laser Alloyed with TiC-reinforced Dual Phase Intermetallic Matrix Composites［J］.Materials Science and Engineering A，2007，454/455:63—68.

［12］QIU Xing-wu，LIU Chun-ge.Microstructure and Properties of Al2CrFeCoCuTiNixHigh-entropy Alloys Prepared by Laser Cladding［J］.Journal of Alloys and Compounds，2013，553:216—220.

［13］CHIU K Y，CHENG F T，MAN H C.Corrosion Behavior of AISI 316L Stainless Steel Surface-modified with NiTi［J］.Surface and Coatings Technology，2006，200:6054—606.

［14］郝越峰，曹明讓，曹一龍.一種45鋼表面電火花沉積WC層的新方法［J］.表面技術(shù)，2014，43（4）:97—100.

HAO Yue-feng，CAO Ming-rang，CAO Yi-long.A New Method of Depositing WC Alloying by EDM Technology on the Surface of 45 Steel［J］.Surface Technology，2014，43（4）:97—100.

［15］張燕瑰，鄧勁松，魏憲波，等.高強度鋼性能及其在車身中的應(yīng)用［J］.精密成形工程，2013，5（4）:64—68.

ZHANG Yan-gui，DENG Jin-song，WEI Xian-bo，et al.A Study on Performance of High Strength Steel and Application in Bodywork［J］.Journal of Nestshape Forming Engineering，2013，5（4）:64—68.

［16］華希俊，劉凱，周萬，等.45#鋼表面激光織構(gòu)淬火減摩抗磨復(fù)合處理技術(shù)研究［J］.表面技術(shù)，2014，43（4）:86—91.

HUA Xi-jun，LIU Kai，ZHOU Wan，et al.Research of Antifriction and Wear Resistance Composite Technology by Laser-texturing and Quenching on 45#Steel Surface［J］.Surface Technology，2014，43（4）:86—91.