本期講述激光淬火、激光熔覆的金相組織。

硬化區(qū)表層組織為板條狀馬氏體，過渡區(qū)為馬氏體、鐵素體，心部組織為鐵素體、珠光體(圖左邊白色段為制樣時(shí)保護(hù)邊緣的銅片)。

20鋼適用于不經(jīng)熱處理、低負(fù)載的大零件，或者要求表面硬度高而心部強(qiáng)度不高的滲碳、碳氮共滲處理的零件。20 鋼用常規(guī)淬火很難淬硬。但 20 鋼易沖壓成型，有些沖壓零件既要求尺寸精度高，又要求表面局部硬化，采用常規(guī)處理難以解決，而采用激光淬火局部硬化就是比較好的辦法。如空調(diào)機(jī)閥板閥線表面經(jīng)激光淬火后硬化層深度可達(dá)0.45mm左右，表層顯微硬度為420~460HK(相當(dāng)于42.5~45.5HRC)，有比較好的使用效果。

圖中板條馬氏體不甚明顯，因激光淬火加熱的溫度和時(shí)間極短，故晶粒很細(xì)，在多數(shù)情況下為隱晶馬氏體，在圖上灰色帶區(qū)域均屬馬氏體，努氏壓痕顯示該區(qū)具有淬火硬度，里層白色大顆晶粒為鐵素體，第三個(gè)壓痕較大，已處于馬氏體與鐵素體的過渡區(qū)域。

激光淬火與常規(guī)熱處理不同，它的加熱是由點(diǎn)到線、由線到面，以掃描的方式來實(shí)現(xiàn)的。由于激光加熱速度極快，可達(dá)3~5x10³ ℃/S，鋼鐵在快速加熱時(shí)，其 Ac1點(diǎn)上升近百度左右，因此，允許鋼材表面的溫度在900~1200℃之間，而不致發(fā)生過熱現(xiàn)象。在極短時(shí)快速加熱條件下，奧氏體內(nèi)的碳濃度很不均勻，淬火后多數(shù)情況為隱顯馬氏體或細(xì)微馬氏體區(qū)域，在金相顯微鏡下不易分辨。

圖2 120X

圖2，45鋼表面激光熔覆 Ni-Cr-Si-B合金的組織全貌。圖左側(cè)為表層N-(Cr、Fe)固溶體，呈樹枝狀結(jié)構(gòu)，其間分布有硼化物、碳化物、硅化物等硬質(zhì)相。白色細(xì)帶狀為表面合金層與母材結(jié)合的過渡帶。過渡帶下方逐漸由馬氏體向馬氏體和黑色屈氏體的混合組織過渡。圖右側(cè)為心部組織為索氏體。

圖3 500X      圖4 500X

圖3，為過渡帶附近高倍下形貌，白亮帶清晰可見，樹枝狀合金化合物與細(xì)針狀馬氏體均十分明顯。

圖4，為混合組織區(qū)高倍下形貌。馬氏體及托氏體混合分布，越近下方屈氏體增多。

工作在苛刻的磨損條件下的許多構(gòu)件，盡管有許多傳統(tǒng)的涂覆工藝，但往往不能保證長(zhǎng)久的耐磨性能。因此，在20世紀(jì)80年代，利用大功率激光束作熱源，將涂覆在工件(開槽)的Ni-Cr-Si-B合金粉末熔化，同時(shí)基體也產(chǎn)生微熔，在凝固過程中使合金粉末與基體牢固地結(jié)合成涂覆合金層。

與一般的涂覆工藝相比，激光涂覆工藝具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)涂覆層的顯微組織特征表明它與基體材料具有優(yōu)良的黏合力。

(2)合金元素沿層深均勻分布，與基體材料交界處合金元素分布合理。

(3)激光加熱速度快，變形很小，涂覆層元素不易被基體稀釋。

Ni-Cr-Si-B粉末合金硬化處理的表面組織結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其中連續(xù)的灰白色母相是Ni-(Cr、Fe)固溶體，呈細(xì)小樹枝狀結(jié)晶分布，其上均勻分布著硼化物、碳化物及硅化物等相。碳化物呈甚細(xì)的塊、條狀分布于枝晶間，硼化物及硅化物呈細(xì)針或彌散分布的細(xì)小質(zhì)點(diǎn)，均勻、分散地分布在Ni-Cr固溶體上。鎳鉻固溶體中主要固溶鉻元素，以及其他少量合金元素。Ni-Cr固溶體的樹枝晶結(jié)構(gòu)十分細(xì)小，靠近母材壁處呈明顯的垂直方向分布，硬化層的這種組織結(jié)構(gòu)具有極大的耐磨性。在合金硬化層與母材結(jié)合處有一明顯的細(xì)白帶(為馬氏體)，則為合金層與母材的結(jié)合處，有合金元素?cái)U(kuò)散，顯示合金層與基體具有牢固的結(jié)合力。同時(shí)，還說明激光束能使不同熔點(diǎn)的元素同時(shí)熔化，從而獲得均勻的涂覆層，深度可以達(dá)到1.0mm左右。

Ni-C-Si-B激光涂覆層具有很高的硬度，硬化層為960HV0.1，母材馬氏體區(qū)的硬度為782~814HV0.1。母材馬氏體與非馬氏體過渡區(qū)的硬度為386HV0.1，母材硬度(索氏體狀態(tài))為344HV0.1。高硬度的碳化物、硼化物的硬度可達(dá)1400HV0.1。

Ni-C-Si-B合金層不僅是耐磨合金，同樣具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。

圖5 50X

圖號(hào):圖5~圖8

圖5，表面淬火層，板條狀馬氏體和針狀馬氏體組成，過渡區(qū)為馬氏體和鐵素體的混合組織，硬化層呈月牙形分布，心部組織為珠光體和鐵素體。

圖6 500X        圖7 500X

圖6，月牙形區(qū)內(nèi)組織形貌，板條狀馬氏體及針狀馬氏體。

圖7，過渡區(qū)全貌，灰白色馬氏體、白色小塊狀鐵素體、黑色屈氏體混合組織。

圖8，經(jīng)激光硬化處理后由表及里的組織分布形貌。

激光熱處理有許多工藝特點(diǎn)為常規(guī)熱處理所無法比擬。

①激光加熱速度快，在百分之幾甚至千分之幾秒內(nèi)就能使鋼鐵材料的局部溫度升高到淬火所需的溫度，并且可借助于金屬的熱傳導(dǎo)使表層快速自冷淬火，淬火組織十分致密。

②淬火表層可獲得高硬度的組織，能大大提高鋼的抗磨損能力。同時(shí)，由于表層獲得較高的殘余應(yīng)力，能大幅度延長(zhǎng)鋼的疲勞壽命。

③由于發(fā)生相變硬化時(shí)受熱區(qū)很小，硬化層淺，時(shí)間也很短，所以變形極小。

④激光熱處理的適用性很強(qiáng)，如深孔側(cè)壁、盲孔底部，對(duì)各種形狀復(fù)雜、尺寸特殊的零件，均能獲得滿意的硬化層。

⑤激光淬火不需要任何冷卻介質(zhì)，基本上不發(fā)生氧化，也不產(chǎn)生液體、氣體等公害物質(zhì)，不存在污染環(huán)境的問題，但設(shè)備造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用都很高。

圖9，表面月牙形淬火組織，為細(xì)小馬氏體和少量未溶鐵素體顆粒，過渡區(qū),為馬氏體和鐵素體，心部組織為珠光體和帶狀分布的鐵素體。

圖10、圖11，為激光淬硬區(qū)二次碳復(fù)膜透射電鏡下形貌，板條狀馬氏體及孿晶馬氏體。

圖12，為近過渡區(qū)二次碳復(fù)膜透射電鏡下形貌，珠光體和鐵素體。

表面淬硬層的硬度834~940HV0.1，交界處的顯微硬度615-677HV0.1。

圖13，激光淬火表面，有沿枝晶,間顯微開裂，顯微組織主要為針狀馬氏體。

圖14，枝晶間顯微組織裂紋向內(nèi)擴(kuò)展的情況，顯微組織主要為針狀馬氏體。

圖15 500X

圖15，激光淬火后沿馬氏體晶粒晶界形成的顯微袋紋，顯微組織為板條狀馬氏體。

由于激光熱處理具有一系列的特點(diǎn)，使激光在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用獲得了廣闊的前景，但這并不是說激光熱處理什么問題都不會(huì)有。如常規(guī)熱處理一樣，由于激光工藝處置不當(dāng)，同樣會(huì)有淬火裂紋——沿著表面枝晶開裂和沿晶顯微裂紋。激光淬火最重要的是控制表面溫度和淬硬層深度。由于激光加熱速度極快，難以測(cè)定表面溫度。只能通過控制激光束的功率密度和相對(duì)掃描速度這兩個(gè)工藝參數(shù)，來保證激光熱處理的質(zhì)量。

圖16 50X        圖17 500X

材料:T10

工藝情況:表面局部激光淬火

浸蝕方法:4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織情況:

圖19 50X           圖20 500X

圖號(hào):圖19~圖21 

材料:60Si2Mn

工藝情況:表面激光淬火

浸蝕方法:4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織情況:

圖21 500X

圖22 100X        圖23 500X

圖號(hào):圖22~圖24

材料:18Cr2Ni4WA

工藝情況:調(diào)質(zhì)后激光表面淬火

浸蝕方法:苦味酸硝酸酒精溶液浸蝕

組織情況:

圖24 50X

圖25 200X                 圖26 500X

圖號(hào):圖25、圖26 

材料:GCr15

圖25，4%硝酸酒精溶液浸蝕

圖26，苦味酸飽和水溶液和洗滌劑飽和水,溶液的混合溶液熱浸蝕

圖25，白色激光硬化區(qū)的組織為隱針狀馬氏體、少量碳化物顆粒和殘余奧氏

圖26，為經(jīng)特殊浸蝕試劑顯示奧氏體晶粒大小的形貌，奧氏體晶粒度自表面7級(jí)向內(nèi)演變?yōu)?級(jí)(圖上方的白色段均為制樣時(shí)保護(hù)邊緣的銅片。)

GCr15鋼經(jīng)激光淬火后的零件比常規(guī)淬火具有更高的硬度和更小的變形量。如用在紡織機(jī)上的錠桿，以18000r/min高速旋轉(zhuǎn)與錠座構(gòu)成一對(duì)摩擦副時(shí)，錠桿常規(guī)淬火硬度為63HRC，經(jīng)激光淬火，錠尖處進(jìn)一步硬化，硬度提高至 900~1000HV，使用壽命可提高一倍。

圖27 60X圖28 500X

圖號(hào):圖27、圖28

材料:合金鑄鐵(活塞環(huán))

工藝情況:激光表面淬火

浸蝕方法:4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織情況:

好，這是因?yàn)榧す馓幚砗笤谠搮^(qū)域的組織與未經(jīng)處理的組織發(fā)生了明顯的變化，萊氏體和馬氏體的出現(xiàn)使硬度顯著上升，耐磨性有很大提高，從而延長(zhǎng)壽命。