Fe-B及Fe-C-B合金的激光熔化激冷

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.03.004 北京钢铁学院学报 1983年第3期 Fe-B及Fe-C-B合金的激光熔化激冷* 北京钢铁学院章守华孙东志叶田田 上海光半及精密机械研究所苏宝培 长春光学及精密机械研究所于志勸 摘 要 工业纯铁与共析碳钢表面渗硼层先在炉中处理，以获得共晶组织，然后以高能 密度激光束扫描，被激光熔化的金属在冷基底的吸热作用下，以非常高的速度令却 并凝固。实验表明，炉内处理后Fe-B合金层的共晶由a-Fe+Fe2B二相组成，Fe C-B合金层的共晶由a-Fe+Fea(C、B)二相组成，共晶中FezB为方棒状和 FCs(C、B)为片层状。激光熔化激冷后，共晶中的相组成及形貌无改变，但棒间 距和片间距相应减小了40及100倍。共晶组织的硬度大幅度增高，每个合金系的共 晶组织的硬度与尺寸的关系服从Hal1-Petch公式。 激光熔化激冷(LMQ)又称为激光上釉。自从l976年Breinan等提出这种新的激光处 理方法以来，已经引起了广泛的兴趣〔1-3)。以高能密度激光束在金属表面扫描，使表面金属 瞬即熔化，利用低温基底的吸热作用，使熔池中的金属液以每秒10‘~10℃的速度冷却。 当金属熔体以此种异常高的速度冷却、凝固时，可能发生如下的现象〔4-5)：(1)铸态组 织得到细化，化学成份的偏析都度减小，(2)形成高度过饱和的固溶体，(3)先共品相的形成 被抑制，共晶组织的化学成分范围变宽，(4)出现新的过渡相，甚至形成非晶态，(5)高温下 存在的高密度点缺陷被保留下来。 F一B合金系，由于它在非晶状态下具有出色的磁性，其渗硼层具有优良的耐磨性及其 共晶组织具有良好的高温强度等等，曾受到广泛的研究〔6一8)。看来利用激光熔化激冷处理有 希望进一步增高表面F一B合金层的耐磨性而同时改善其脆性：，然而这方面的工作尚研究得 很少。 本论文着重研究了激光熔化激冷处理（下简称为激光处理）对工业纯铁、共析碳钢的表 面渗硼层微观组织和硬度的影响。先对已经渗硼的表面层作预处理，以得到均匀的共晶组 织，然后以激光处理、并对处理后的微观组织和硬度，它们的稳定程度进行研究。 一、材料及其处理 尺寸为8×14×50mm的工业纯铁（含0.02%C)和共祈碳钢（含0.86%C)试样，经液 体渗硼。为了避免渗硼后金相组织的复杂性和便于分析激光处理效果，渗硼试样在激光处 本文1982年9月在意大利·弗罗伦萨召开的第二届国际材料热处理会议上宣读。 本文1983年4月收到。 48

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 一 及 一 一 合金的激光熔化激冷 ’ 北京钢铁学院 幸守华 孙东志 叶田 田 上 海光学及 精密机械研 究所 苏宝熔 长 春光学及 精密机械研 究所 于志物 摘 要 工 业 纯铁 与共析碳钢表面 渗硼 层先在炉 中处理 ， 以获得 共晶组 织 ， 然后 以高能 密度激 光束 扫描， 被 激光熔化 的金 属在冷墓底 的 吸 热作用下 ， 以 非常高的速度冷却 并凝 固 。 实 验表 明 ， 炉 内处理 后 一 合 金 层 的共晶 由 一 二 相组 成 ， 。 一 合金层 的共 晶 由 一 十 、 二 相 组 成， 共 晶 中 为 方 棒 状和 、 为片层状 。 激 光熔 化激冷后 ， 共 晶 中的相组 成及 形 貌 无 改变 ， 但 棒间 距 和片 问距 相应 减小 了 及 倍 。 共晶组 织 的 硬 度 大 幅度 增 高， 每个 合金 系 的共 晶组 织 的硬度 与尺 寸的关 系服 从 卜 公 式 。 激光 熔 化 激冷 又称 为激光 上釉 。 自从 年 等提 出这 种新 的 激光 处 理方 法以来 ， 巳经 引起 了广 泛 的兴 趣 一 〕 。 以 高能 密 度激光 束在 金属 表面 扫描 ， 使表面 金属 瞬 即熔 化 ， 利 用 低 温基底的 吸热 作用 ， 使 熔池 中的 金 属液 以每秒 ‘ ℃ 的 速 度冷却 。 当金属 熔 体 以此 种 异常 高的速 度冷 却 、 凝 固时 ， 可 能发 生如下 的 现象 一 〕 铸态组 织得 到细 化 ， 化学成份 的 偏析 程度减小 形 成 高度过饱 和 的 固溶体 先共晶相 的形 成 被抑 制 ， 共晶组织 的 化学成 分范 围变宽 出现新 的 过渡相 ， 甚 至形成非晶态， 高温下 存在 的 高密度 点缺 陷被保 留下来 。 一 合金 系 ， 由于 它在 非晶状 态下 具 有 出色 的磁性 ， 其渗硼层 具有优 良的耐磨性 及其 共晶组织 具 有 良好 的 高温 强度 等等 ， 曾受 到广 泛 的研 究 一 〕 。 看 来利 用 激光熔化激冷处理 有 希望 进一 步增 高表面 一 合金层 的耐磨性而同 时改 善其脆 性 ， 然 而这方面 的工 作尚研 究 得 很少 。 本 论文着重 研 究 了激 光熔 化激冷 处理 下 简称为激光 处理 对工 业纯 铁 、 共析碳钢 的 表 面 渗硼层 微 观 组织 和 硬 度 的影 响 。 先 对 已经 渗 硼的 表面 层 作预 处理 ， 以得 到均 匀的共 晶组 织 ， 然后 以 激光 处理 、 并 对处理后 的 微 观组织和 硬 度 ， 它们 的 稳 定程 度 进行研究 。 一 、 材料 及 其处理 尺 寸为 的 工 业纯 铁 含 不￡共析碳钢 含 试样 ， 经液 体渗硼 。 为 了 避免 渗硼后 金相 组织 的复 杂 性和 便 于 分析 激光 处理效 果 ， 渗硼试样 在 激 光 处 本文 年 月在 意大 利 · 弗罗 伦萨 召开 的 第二 届 国际 材料热处理 会议 上宣读 。 本文 年 月收 到 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．03．004

理前先经过预共晶化处理，即将渗硼的纯铁试样加热到1176℃(Fe-B合金系的共晶温度为 1161℃)将渗硼的共析碳钢试样加热到1157℃(Fe-C-B合金系的三元共晶温度为1100℃) 〔10)，然后在炉内或在空气中冷却到室温，使试样面获得均匀的共晶组织。在这样处理后， 试样表面渗硼层的厚度几乎增大一倍。 1500w及500w的连续式C02激光器产生激光束。前者产生1.8×2.1mm的矩形束斑， 后者产生中0.6mm的圆形束斑。微光器的输出功率密度相应为4×104w/cm2及1.7×105 w/cm。激光束斑的扫描速度范围为11~300mm/秒。激光与试样表面作用的时间可计萃 得出。估计金属熔液的冷却速度约为10·~105℃/秒。这样激光处理后的试样获得徽晶组织。 一部份试样还在500、650及800℃回火3.5小时。 二、实验结果及讨论 1.激光熔化激冷层的深度 预共晶化的表面经激光扫描，熔池的最大深度与扫描速度的平方根成反比，见图】。熔 池形状随激光束斑形状和激光束内的能垂分布而异。1500W激光器上形成的熔池觳面为矩 形；500w激光器上形成的为月牙形。 下e一B合金 B0 功率音定工7×101W/em3 120 息 40外 0.1 0,2 0.3 (mm/S). 图1熔池深度与激光扫描速度(V)间的关系。 Fe-B合金。激光器揄出功率密度1.7×105/w/cm2 2.Fe-B合金鏖的金相组织及硬度 以x-线衍射法测得，预共晶化后的Fe一B合金层是由a-Fe+FezB两相组成。这结果与已发 表的F©-B相图是一致的。炉冷得到的是不同位向的等轴共晶晶粒，见图2，空冷得到的是 柱状共晶晶粒；它们晶粒尺寸相应为150及65（短轴)μm。在a-Fe+Fe2B共晶组织中， 方形Fe2B棒均匀地分布于a-Fe基体中，图2。Fe2B棒的间距随冷速而异，炉冷的为4.0μm, 49

理前先经 过 预 共晶 化处理 ， 即将渗 硼 的纯 铁 试 样 加 热 到 ℃ 一 合金系的共晶温度为 ℃ 将 渗硼 的共析碳钢 试 样加热到 ℃ 一 一 合金 系的 三 元共 晶温 度为 ℃ 〔 的 ， 然后 在 炉 内或 在空气 中冷 却 到室 温 ， 使 试样 表而 获得均 匀的共晶组织 。 在 这样处理后 ， 试样 表面 渗 硼 层 的 厚度 几乎增 大一 倍 。 及 的连 续 式 激光器 产 生激光 束 。 前者产 生 的 矩形 束斑 ， 后者产 生小 的 圆形 束斑 。 激 光 器 的输 出 功 率 密度相 应 为 ‘ 及 “ 。 激光 束斑的扫描速 度 范围为 秒 。 激光 与试样 表面 作用 的 时间可 计 算 得 出 。 估计金属 熔液 的 冷却速 度约 为 ‘ “ ℃ 秒 。 这样 激光处理 后的 试样 获得微晶组织 。 一 部份试 样还在 即 、 及 ℃ 回 火 小 时 。 二 、 实验 结果及 讨论 激光熔化 激冷层 的深度 预 共 晶 化的 表面经 激光 扫描 ， 熔池 的最大 深度与扫 描速度 的 平方 根 成反比 ， 见 图 。 熔 池形状 随 激光 束斑形状 和 激光 束 内的 能量 分 布 而异 。 激光器 上 形 成的 熔池 截面 为 矩 形 ， 激 光 器 上形 成的 为月牙形 。 一 封八昌腾典戮日 丫 一 ， 图 熔池深度 与激光 扫描速度 间的关 系 。 一 合金 。 激光器 输 出功率密度 ‘ 。 一 合金 层 的金 相组织 及硬度 以 一线衍射 法测 得 ， 预共 晶 化后 的 一 合 金层 是 由 一 两 相 组成 。 这结 果 与 已发 表的 一 相 图 是一 致 的 。 炉 冷得 到的 是 不 同位 向 的 等轴共 晶 晶粒 ， 见 图 ， 空 冷得 到的是 柱状共晶 晶粒 它们 晶粒尺 寸 相应 为 及 短轴 件 。 在 一 共 晶组织 中 ， 方形 。 棒均 匀地 分 布于 一 基 体 中 ， 图 。 棒 的 间距 随 冷速 而 异 ， 炉 冷的 为 卜

空冷的为1.5μm。 原来是等轴的或柱状的共晶晶粒在激光处理后成为纤维状的共晶晶粒，图3。在扫描 电镜下观察，这种纤淮状晶粒实际上是长宽比值很大的柱状晶，图4，每个晶粒的长轴是与 ○ 图2工业纯渗霸层经预共晶化 图3Fe-B共晶片径激光处理后、纵截 处理后的光学显徵镜图像。 面的光学显微镜图像。 滋光功率密度4×10*w/cm2 扫描速度11mm/秒 图4Fe-B共晶雲经激光处理后、扫描电镜下的柱状晶织组。 激光功率密疫4×10w/cm2 扫描速度&8mm/秒 054 图5一B共晶层经政光处是后共品组织四图6Fc一共品层经徵光处理后共晶组织的 电镜碳复型图像。 透射电镜图像 激光功率密度4×10w/cm2 激光功率密度！×10/cm2 扫描速度 11n/秒 只描速度44m/秒 凝时的热流方向泛。柱状品的平均纳尺寸为1.7n。但应注这到，柱状晶的尺寸： 50

空 冷的 为 件 。 原来 是 等轴 的 或柱状 的 共晶 晶 粒在 激光 处 理后 成为纤 维 状 的 共 晶 晶粒 ， 图 。 在 扫描 电镜下 观 察 ， 这 种纤 淮状 晶 位 实际 上 脸 长宽 比值很 大 的柱状 晶 ， 图 ， 每 个晶 垃 的 长轴是 与 图 工 业 纯 牲渗硼 层经 预 共 晶化 处理 后 的光学显 微 镜 图 像 。 图 一 共晶 巴经 激 光处理 后 、 纵 截 面 的光学 显微 镜 图像 。 激光功率密度 ‘ “ 扫描速度 秒 图 一 共 晶 昙经 激光处理 后 、 扫 描 电镜下 的柱状 晶织 组 。 激光 功率 密度 欠 ‘ 、 · ‘ ，二 扫 描速 度 沙 图 护 一 。 买晶层 经 激 光 处 理 后 共 晶 组 织 日 电镜碳 复型 图像 。 激 光 功率 密度 今 扫 描速 度 秒 一 ，共 晶层 经 改光处 理 后 共 晶 组 织 的 透 射 电 ‘ 镜 图像 教光 功率 密度 描速 度 秒 凝 固时的热 流方 向 ‘ ‘ 之 。 柱状 钻的 平均 饭 仙尺 、 ‘ 为 件 ， 。 但 应 注 欲 到 ， 柱状 钻的 尺 一

池底较粗，随着接近表面而越来越细。二次晶轴刚刚开始出现。在光学显微镜下，难以观察 清楚激光处理后的柱状晶组织的细节。 用电子衍射法分析得出，激光熔化激冷区共晶组织的相组成与原来共晶组织并无差别， 它们仍是a-Fe+Fe,B。电子显微镜下，观察到极细的方棒形Fe,B均匀分布在a-Fe基体之 中，棒间距为0.1μm,a-Fe内育高密度位错，图5及5。显然，在我们的实验中，放光止 理时的冷知速度不足以改交Fe-B合金共晶组织的基杀特[，a-Fe+FezB共晶是直接从液 态合金凝图成的Y-Fe+FezB共晶的转以产物。 Fe-B共晶的硬度经激光处理后从HV490升高到HV730,面合金层的硬度分布曲线见 图7。熔化激冷层的硬度相当均匀，激光扫描速度对硬设的影响不，，：过渡层中硬度迅这 下降，一到原共晶的硬度。 1000 ”●一一室滋 4一500C回火 800 0—650℃回火： (日 ●-—800C自火' 600 影 400 200 50 10 150 兰表面范离（μ血） 7Fe-B合金层经激光处理后和激光处理并回火后的硬度分布。 I、熔化激冷区：I、过渡区：直、原共晶区。 ×激光处理后，△激光处理并在500℃回火3.5小时后， 0在650℃回火3.5小时后；在800℃回火3.5小时后。 500℃、3.5小时间火后，修化区的金相组织交化不大，因丽其硬度降低不多， 图7。：800℃回火3.5小时后，熔化激令区中的Fz3棒：完全球化，见图8，其硬变值 也随之降低到与未处理！以前的相同值，见图7。 3.F(-C-9合金层的金相组织及硬度 文献中的相图长明，FeC-B合金的.共晶是r-Fc÷e2B+Fe3(C、B)三相组成；它 在随后的冷时9史成c-e+Fe2BkFe2:(C,B)。(10)是近，曾在经过共晶光处理的S45C 钢遂硼层中茶到a-Fe+Fe2 B+Fea(C,B)线品〔l1),在我TJ的Fe-C-B分金层中经预 共晶化处理后，为a-Fe+Fc(C,B)共号组织。考虑到供行碳钢巾今0.86%C:e,(C,B)相 中80%的C可以被B置换(12)，估计Fe-C-3合金层的化学成分约在Y-Fe+Fe,(C,B)二元 共晶线附近。由于实验中的冷却速度很快，合金不能按照相图表明的那样转变。 预共晶化处理后的F-C-B合金层共晶晶粒，空冷的呈柱状品，其短轴的平均尺寸为 75um,图9，而炉冷的显等轴昆，其平均尺寸为250μm。冷的及炉冷的a-Fe+Fe(C,B) 共晶的平均片层间距相应为1.5μm和4.04m。 51

池 底较粗 ， 随着接近 表面 而越来越 细 。 二次 晶轴 刚 刚开 始 出现 。 在光学显微镜下 ， 难 以观察 清楚激光处理后 的柱状 晶组织 的 细节 。 用 电子 衍射 法 分析得出 ， 激光 熔化激 冷 区共晶组织 的相 组成与厚来共晶组织 并无差 别 ， 它们 仍 是 一 。 电子 显 微 镜下 ， 观 察 到极细的 方 棒形 均匀 分布在 一 基体之 中 ， 棒 间距 为。 卜 ， 一 内 一 育高密度位 错 ， 图 及 。 显 然 ， 在 我们 的 实 验 中 ， 激 光 生 理 时的 冷却速 度 不足 以 改 交 ‘ 一 合金共 晶组 织 的 基 术特荣〔 。 一 共晶 是 直接 从液 态 合金凝 固成 的 一 共 晶 的 转丈产 物 。 一 共晶 的硬 度经 激光处理后 从 叨 升 高 到 打 了 仇 戈面 合金 层的硬 度分布 曲线见 图 。 熔 化激 砂李层 的 硬度相 当均 匀 ， 激光 扫描 速 度对硬 变的影 响 不 “ ， ，‘ 过渡 层 中硬 度迅 速 下 降 ， 一 山牟到 曦共 晶的硬 度 。 翻 八 一 室谧 岛 回火 回 大 亡 回刃 峨幻内 ︸ 、罗丫公省︵军州日 至表 面距 高 印山 一 合 金层 经 激 光处 理 后 和 激 光处 理 并 回火后 的硬度 分 布 。 、 · 熔化 激冷 区 、 过渡 区 ， 、 原 共 晶 区 。 激光处 理 后 ， △激光 处理 并在 ℃ 回 火 小 时后 ， 。 在 ℃ 回 火 小 时后 在 ℃ 回火 小 时后 。 经 的 ℃ 、 小 时回火 后 ， 烤 化 饭 ’ 令区 的 金相 组 织 变 化 不大 ， 因 而其 硬 变烽 低 不多 ， 图 。 ‘ ‘ ℃ 回火 小时 后 ， 熔 化 激 冷 区 中的 棒 己经 完全球 化 · 见图 ， 其硬 变位 也随之而降低 到与未处理 以前的 相 同 值 ， 见图 。 卜 合 金 层 鱿金 相组 织及硬 度 文 献 中门 相 图 是明 ， 一 合金 勺三 亡共晶是 山 一 丁了 一二 厂 了 。 、 三相 组 成，它 在随后 的 冷切时转 史成 。 一 丁 犷 一 。 一 ， 。 〔 〕灸 派 ， 曾在经 过 比晶 化处理 的 钢渗硼层 中 过察 到 二 一 丁了。 。 一 。 ， 转 川七恳 〔 〕 ， 在 我 ，灼 一 一 含金层 中经 预 共晶化处理后 ， ，勺 一 。 ， 乌烈 组织 。 考虑 列共 斤碳钢 巾 含 礼 于 ， 相 中 。 的 可 以被 置换 〔 幻 ， 估 计 一 一 ’ 合金层 的 化学 成 分约 在 一 ， 二元 共 晶 线附近 。 由于 实验 中的 冷却速 度很 快 ， 合金 不能按 照 相 图 表 明的 那 样 转 变 。 预共晶化 处理后 的 一 一 含金 层 共 晶 品粒 ， 空 冷 的呈 柱状 品 ， 其短 轴的 平均尺 寸为 件 ， 图 ， 而扩 ，冷 的 呈 等轴 晶 ， 其 炙均尺 寸为 林 。 空 冷 的 及 炉冷的 一 ， 共晶的 平均片层 间距 相应 为 件 和 件 。 乒蕊

204 40u 图8Fe-B合金层经激光处理并 图9共析碳钢渗城并预共晶化、 在800℃回火3.5小时后的金相组织。 空冷后的光学显徵镜图像。 在激光熔化激冷后，获共晶组织仍由a-Fe+Fe,(C,B)两相组成(X-线衍射和电子 衍射的结果)。共品品粒仍为柱状晶，但其平均短轴尺寸减小到1.5μm,它们弯向凝固时的 热流反方向，图10图11中表示这些柱状晶的横截面。可以看出，一个柱状品中包含有几个亚 晶，柱状晶仍由a-Fe+Fe3(C,B)共品组成，Fe(C,B)片生长通过相邻的亚晶，相邻亚间 的片层组织是连续的，但在位向上稍有偏离，它们达到柱状晶晶界时就停止生长。在电子衍 射结果中还出现FezB和的衍射环，说明组织中存在着许多微细的Fe2B晶粒。对Fe2B品粒 40u 西10激光处理后Fe一C-B合金层 图11激光处理后Fe-C-B合金层中柱 中柱状晶的形貌。 状晶横截面的电镜碳复型图像。 激光功率密度1.7×105W/cm2, 激光功率密度4×104w/cm, 扫描速度100mm/秒。 扫描速度44mm/秒 的来源未作研究，它们可能是从过饱和的a-Fe中或Fes(C,B)中析出来的。 a-Fe+Fe3(C,B)共品的平均片层间距为0.04μm。这个间距尺寸是从激冷凝固时形成 的Y-Fe+Fe,(C,B)共晶继承下来的。文献指出(13)，当Fe-Ni合金的品粒尺寸减小到儿个 微米时，其马氏体转变温度M,下降到靠近绝对零度。在我们得到的Fe-C-B共品中未发现 有未转变的Y-Fe。a-Fe中具有高密度位错。 在激光熔化激冷区的附近热影响区中保留着原来a一Fe+Fea(C,B)共晶形貌。但在：a- Fé片中发现有针状组织。它们大概马氏体片，因为在激光处理时这个区域被加热到共析 温度以上，形成Y-Fε相，币在：随后冷却时转变成马氏体。 52

图 一 合金层 经 激 光处理 并 图 共 析碳钢渗硼 并预 共 晶化 、 在 。 。 ℃ 回火 小 时后 的金 相组 织 。 空冷后 的光学显微镜 图像 。 在 激光 喀化激冷后 ， 获 二共晶组织 乃由 一 。 ， 两相 组 戎 一线衍射 和 电子 衍射 的 结 果 。 共 钻品粒 仍 为柱状 晶 ， 但 其 平均 短 轴尺 寸减 小 到 拼 ， 它 们 弯 向凝 固 时的 热 流反方 向 ， 图 图 中表示这些柱状 品 的 横截 面 。 可 以 看 出 ， 一 个柱状 品 中包 含有几 个亚 晶 ， 柱状 晶仍 由 一 十 。 ， 共品组 成 ， 。 ， 片 生长 通过相 邻 的 亚 晶 ， 相 邻 亚 肠 间 的 片层组织 是 连续 的 ， 但 在 位向 上稍 有偏 离 ， 它们 达 到柱状 晶 晶界 时就停止 生长 。 在 电于 衍 射 结 果 中还 出现 相 的 衍射 环 ， 说明组织 中存在 着许 多微细 的 。 晶粒 。 对 。 占了粒 图 激 光 处理 后 一 一 合 金 层 中柱 状 晶 的形 貌 。 激光 功率 密度 “ ， 扫描速度 秒 。 图 激光处理 后 一 一 合金 层 中柱 状 晶横截面 的 电镜碳 复型 图像 。 激光功率 密 度 ‘ 名， 扫描速度 秒 的来 源 未 作研 究 ， 它 们可 能 是 从过饱 和 的 一 中或 。 ， 中析出来的 。 一 十 ， 共晶的 平均 片层 间 拒 为 件 。 这个 间距尺 寸是 从激 冷凝 固时形 成 的 一 ， 共 晶继 承下 来 的 。 文 献 指 出 〔 〕 ， 当 一 合金 沟 棍 粒 尺 寸 减 小到 几个 微 米时 ， 其 马 氏体转 变温 度 下 降 到靠近绝 对零 度 。 在 我们 得 到的 一 一 共 品 中未发现 有 未转 变 的 丫一 。 一 中具有 高密度位 错 。 在 激光熔 化激 冷 区 的 附近热 影响 区中保 留着 原来 。 一 。 ， 共晶形 貌 。 但 在 片 中发现有针状 组织 。 ‘ 已们 大慨 创 乡氏体片 ， 因 为在 激光 处理 时这个 区 域 被加 热 到共析 溢 度 以 ， 形 成 丫一 相 ， ‘ 卜在随后 冷 却 时转变成 马 氏休