45钢表面激光合金化组织分析及硬度测试

邱星武

（四川建筑职业技术学院，德阳 618000）

激光表面合金化是金属材料表面局部改性处理的一种新技术，属于材料表面改性处理的范畴。它是指在高能量激光束的照射下，使基体材料表面薄层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，以很快的冷却速度凝固成表面熔化层［1—6］，相当于急冷淬火技术所能达到的冷却速度，又由于熔化层液体内存在着扩散作用和表面张力效应等物理现象，可使材料表面在很短的时间内形成具有一定深度和化学成分的表面合金化层，快速熔化非平衡过程可使合金元素在凝固后的组织达到相当高的饱和度，从而形成普通合金化方法不容易得到的化合物、介稳相和新相［7—10］。激光表面合金化能够在一些价格便宜、表面性能不够优越的基体材料表面上制出耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化的表面合金层，用于取代昂贵的整体合金，节约贵重金属材料和战略材料，使廉价基体材料得到广泛应用，从而使生产成本大幅下降。与常规热处理相比，激光表面合金化能够进行局部处理，而且具有工件变形小、冷却速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不需要淬火介质、清洁无污染、易于实现自动化等优点，具有很好的发展前景［11—13］。

45钢是机械制造业中应用较广的一种钢种，其具有较高的强、韧、塑性，但是其耐磨性并不理想［14—16］。通常提高45钢硬度、耐磨性时一般采用淬火+低温回火工艺。如果想进一步提高45钢的强度，则韧性降低;而想提高韧性，则必须牺牲一定的强度，这样就导致该材料的应用受到限制。而高能量激光束的出现为45钢表面改性开辟了一条新的途径，本文验证了45钢表面激光合金化涂层的组织与性能，以期为拓展45钢的应用范围提供理论依据。

1 实验

1.1 材料

基体材料为45钢。合金化粉末选用Ni35B镍-铬自熔性合金粉末，其粒度范围为-140～320目;熔点为1080℃。其化学成分为（质量分数，%）:Cr:10.0，B:2.5，Si:3.0，C:0.4，Fe＜10，Ni:余量。

1.2 方法

先将基体试样用磨床磨平，再用丙酮对其清洗，除去表面的污垢和油垢，减少对试样的污染。将合金粉末用有机溶剂调匀后，用钢尺均匀地预涂覆在45钢基体表面上。激光加工参数为:功率P=1800 W，扫描速度v=6 mm/s，光斑直径D=3.5 mm，加工过程中用Ar气保护。

利用GX71金相显微镜、JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜观察激光合金化层的组织形貌，并用其附带的能谱仪测试微区成分;利用XRD-7000型X射线衍射仪分析合金化层物相组成，条件为:Cu靶，电压40 kV，电流40 mA，扫描角度为25°～90°，扫描速度为4（°）/min;利用 TUKON2100显微/维氏硬度计测试合金化层及基体的硬度，实验过程中加载0.2 N，保压10 s，测7组数据，取平均值作为最后结果。

2 分析与讨论

2.1 显微组织结构

图1为激光合金化层X射线衍射图谱，分析可知，激光合金化层主要由 Fe3C，Cr3C2，FeNi3，Cr23C6相组成。

图1 激光合金化层X射线衍射图谱Fig.1 X-ray diffraction pattern of the laser alloying layer

图2为合金化层组织照片，其中图2a为宏观形貌金相照片。

图2 合金化层显微组织Fig.2 Microstructure of the laser alloying layer

由图2a可见:合金化层表面平整、连续、光滑，内部组织均匀，无明显缺陷，合金化效果理想。显微组织由表及里分作A，B，C 3个区域，从上向下依次为:合金化区（A）、结合区（B）、热影响区（C）。热影响区以下是基体。图2b为结合区SEM照片，可见，合金粉末与基体的结合呈曲线状，说明形成了良好的冶金结合，这种冶金结合有利于涂层的稳定存在，保证了涂层与基体的连续性，从而具有优异的性能。图2c为合金化区显微组织SEM照片。合金化层与基体之间的结合区的组织形貌形态为枝晶，沿着与界面垂直的方向生长。

2.2 显微硬度

图3是合金化试样的显微硬度分布曲线。经激光合金化处理后的试样表面显微硬度最高达到了1032 HV，约为基体45钢的3.5倍。产生高硬度的原因在于:一方面由于快速凝固，组织极其细小致密，为获得高的硬度提供了保证;另一方面，合金化层中存在的Cr23C6，Cr3C2等硬质相使得合金化层硬度增加。颗粒相的弥散强化、合金元素的固溶强化和马氏体相变强化对合金化层显微硬度的提高也有一定作用。

图3 激光合金化试样的显微硬度Fig.3 Microhardness of laser alloying samples

3 结论

1）45钢表面经激光合金化处理后改性层分为合金化区、结合区和热影响区3部分，涂层与基体呈冶金结合。

2）激光合金化层主要由 Cr3C2，FeNi3，Fe3C，Cr23C6相组成。

3）合金化处理后硬度显著提高，表面硬度约为基体的3.5倍。

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