45鋼表面激光合金化組織分析及硬度測試

邱星武

（四川建筑職業技術學院，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，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］，相當于急冷淬火技術所能達到的冷卻速度，又由于熔化層液體內存在著擴散作用和表面張力效應等物理現象，可使材料表面在很短的時間內形成具有一定深度和化學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到相當高的飽和度，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，節約貴重金屬材料和戰略材料，使廉價基體材料得到廣泛應用，從而使生產成本大幅下降。與常規熱處理相比，激光表面合金化能夠進行局部處理，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、清潔無污染、易于實現自動化等優點，具有很好的發展前景［11—13］。

45鋼是機械制造業中應用較廣的一種鋼種，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，這樣就導致該材料的應用受到限制。而高能量激光束的出現為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鋼的應用范圍提供理論依據。

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℃。其化學成分為（質量分數，%）:Cr:10.0，B:2.5，Si:3.0，C:0.4，Fe＜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勻后，用鋼尺均勻地預涂覆在45鋼基體表面上。激光加工參數為: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。

利用GX71金相顯微鏡、JSM-6700F型場發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組數據，取平均值作為最后結果。

2 分析與討論

2.1 顯微組織結構

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，FeNi3，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、光滑，內部組織均勻，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個區域，從上向下依次為:合金化區（A）、結合區（B）、熱影響區（C）。熱影響區以下是基體。圖2b為結合區SEM照片，可見，合金粉末與基體的結合呈曲線狀，說明形成了良好的冶金結合，這種冶金結合有利于涂層的穩定存在，保證了涂層與基體的連續性，從而具有優異的性能。圖2c為合金化區顯微組織SEM照片。合金化層與基體之間的結合區的組織形貌形態為枝晶，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。經激光合金化處理后的試樣表面顯微硬度最高達到了1032 HV，約為基體45鋼的3.5倍。產生高硬度的原因在于:一方面由于快速凝固，組織極其細小致密，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 結論

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

2）激光合金化層主要由 Cr3C2，FeNi3，Fe3C，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。

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