钢铁材料激光淬硬层中的残留奥氏体

1 前言

随着激光设备价格的不断降低及其制造技术的不断改进，材料表面激光改性和焊接的工业应用也变得越来越广泛。前者包括激光表面热处理、激光表面合金化和激光表面熔覆等加工方法，是表面工程工作者经常采用的处理手段；而后者是由于其焊缝的大深宽比、高精密度和生产的高效率而受到焊接界的重视，越来越多地把它用于机械制造业的新产品开发和生产。

在材料表面能较好地吸收激光能量的情况下，激光对材料的辐射可以使材料的表面部分以很高的速度被加热，随后靠材料自身的快速导热又以很快的速度冷却，这种快速加热和冷却特点使加热区的组织结构有很多特殊性。例如，在ZL108铝合金激光重熔区存在珠光体型层片状铝硅共晶［1］，层错及孪晶［2，3］，在铸铁激光重熔区存在直径为20nm的超细奥氏体［4］及原始珠光体条纹［5，6］，在T10钢激光改性区存在微晶及非晶组织［7］以及T10钢激光处理区残留奥氏体的特殊作用等［8］。

常用于激光表面改性的材料多为钢铁材料，激光处理层的组织结构与材料的合金成分和激光处理参数等因素有关，其中的残留奥氏体是激光处理区的常见组织，对处理区的性能有比较显著的影响。

本文在对不同成分的钢和铸铁以及高合金模具钢和高速钢激光处理组织和性能研究的基础上，对激光处理区的残留奥氏体进行了专题讨论，讨论的内容包括残留奥氏体的组织形貌、合金元素固溶度、自身性质以及它们对激光处理区性能的影响。

2结果与分析

2．120钢激光处理区中的残留奥氏体

用于激光处理的低碳钢经正火处理，基体组织为铁素体F＋珠光体P，激光功率1600W，扫描速度为48cm／min。发现材料处理区的残留奥氏体是分布在马氏体板条之间，厚度为45nm左右，它与马氏体的晶体取向符合K-S关系［9］。对于低碳钢的激光处理，是通过使其表面发生相变来实现的，激光加热可以使表层获得均匀的奥氏体，奥氏体晶粒较细，其转变产物为板条马氏体，残留奥氏体由于受马氏体板条的制约，也呈现为条状。对于含碳量大于0.2％的碳钢，奥氏体的均匀性较差，在局部区域存在孪晶马氏体和块状残留奥氏体［10］。与常规淬火相比，激光淬火区的残留奥氏体不但数量多且尺寸也较大。

2．2T10钢激光处理区中的残留奥氏体

T10钢母材经球化退火，其组织为铁素体加球状渗碳体。激光处理参数为：激光功率2000W；激光光斑直径8mm；扫描速度30mm／s。表面硬化层中马氏体为针状，残留奥氏体和马氏体交错存在（残留奥氏体被马氏体分割），占有很大面积，呈现为不规则的块状，X射线衍射仪测定的残留奥氏体的体积百分数约为10％［11］，含碳量为1％。透射电镜观察发现，个别区域的残留奥氏体形貌呈微粒状，电子衍射图为一系列同心圆环［7］。在液氮中冷却48h后，处理区的残留奥氏体数量减少，变成4％左右，说明有一部分残留奥氏体在低温处理时转变成了马氏体，提高了耐磨性［8，13］。采用高功率密度和较慢的扫描速度对含碳量为1.0％左右的钢进行处理时，很容易在表面获得激光重熔层，它是由奥氏体和渗碳体组成的共晶组织，所以此残留奥氏体形貌为枝晶状。在冷却速度较慢的条件下，共晶组织中的奥氏体将发生转变。

2．3铸铁激光处理区中的残留奥氏体

用于激光处理的材料是HT20-40灰口铸铁，激光处理参数是：激光功率2000W，激光光斑直径5mm，扫描速度30mm／s。激光处理区总深度为1mm，其中的重熔层深度为0.15mm，在重熔层下部是激光淬火层。重熔区的残留奥氏体为枝晶结构，它以外延形式从熔池向表面方向生长，与渗碳体组成共晶组织，一次晶轴间距约为5～8μm，二次晶轴间距约为1.5μm，相邻的一次晶轴多为平行排列［5］。枝晶残留奥氏体通常有较高的含碳量，对可锻铸铁激光重熔区奥氏体成分测定表明，它的含碳量为2％。重熔层下边为淬火区，该区的残留奥氏体面积大，为块状，在未完全溶解石墨周围的残留奥氏体数量明显大于其它区域。残留奥氏体的硬度为650～700HV0.1。在液氮中冷却48h以后，残留奥氏体转变成马氏体，原残留奥氏体区有明显的浮凸［6］，此时的显微硬度变为820～900HV0.1。

用公式a＝0.3548＋0.0044X

对残留奥氏体的含碳量进行了测量（式中a为晶格常数；X为奥氏体含碳量），获得的含碳量数值为1.8％。该区的残留奥氏体数量高达30％，透射电镜观测到了直径为20nm左右的微晶奥氏体，它的电子衍射图为系列同心圆环［4，14］。激光处理区的耐磨性比母材提高很多倍，其中的残留奥氏体对耐磨性的提高有一定的帮助作用。

2．4高合金钢激光处理区中的残留奥氏体

用于激光处理的材料有5CrNiMo和W18Cr4V钢，激光处理参数分别是：激光功率2000W，光斑直径5～8mm和扫描速度34mm／s。高合金钢的激光处理区较难达到奥氏体均匀化，局部区域奥氏体合金元素含量偏高。残留奥氏体的形貌有两种，一种是板条马氏体之间的残留奥氏体，另一种是块状马氏体间的残留奥氏体，后者存在孪晶结构，位错密度较高。对激光处理试样回火后，发现它的硬度明显高于正常淬火、回火组织的硬度［15，16］，说明固溶于奥氏体中的合金元素较多，提高了奥氏体在高温的稳定性，表现为抗回火能力增强，同时也导致激光处理材料的热疲劳性获得改善［15］。

参考文献
1 Hu Jiandong et al．Pearlite-like eutectic of Zl108 aluminium-silicon alloy containing rare-earth elements rapidly solidified by laser．J．Mater．Sci．，1990（9）：587～588
2 Hu Jiandong．Structural stability and stacking faults in a laser-melted ZL108 Al-Si alloy containing rare earth．J．Mater．Sci．，1992（27）：671～674
3 Hu Jiandong et al．Twin structure in laser-melted Al-Si alloy containing rare earths．J．Mater．Sci．，1993（12）：578～580
4 李章，胡建东．铸铁激光淬火区中的细针状马氏体．金属学报，1987，23(3)：B163～164
5 李章，胡建东等．激光硬化铸铁组织及耐磨性研究．中国电子显微学报，1989（8）：50～55
6 Li Zhang，Hu Jiandong．A study on wear resistance and microstructure of gray cast iron processed by laser．Laser Materials Processing for Industry，S．K．Ghosh ed．，IITT Pubishing，1989：205～209．
7 胡建东等．高碳工具钢激光处理区中的微晶组织．材料科学进展，1990（5）：429～432
8 Hu Jiangdong et al．Wear resistance of laser processed 1.0％C tool steel．Mater Sci．Tech．，1992（8）：796～798．
9 胡建东，李章．20钢激光淬火组织电镜观察．金属热处理学报，1987（1）：98～102
10 卜宪章，胡建东等．35钢35CrMnSi钢激光淬火区耐磨性研究．光学机械，1992（5）：70～75．
11 胡建东等．T10钢激光淬火组织及耐磨性的研究．金属热处理学报，1990（2）：19～25
12 Bu Xianzhang，Wang Hongyeng，Li Zhang，Hu Jiandong．Microstructure of laser processed T10 carbon tool steel．J．Mater．Sci．Tech．，1993（9）：289～292
13 Hu Jiandong，Li Zhang．Wear resistance characteristics of tool steel T10 prcessed by laser．Laser Materials Processing for Industry，S．K．Ghosh ed．，IITT Publishing，1989：150～154．
14 Fang Weije，Lu Jian，Li Zhang，Hu Jiandong．Laser surface heat treatment of gray cast iron：a microstructure and wear resistance study．Proceedings of International Congress on 5th Heat Treatment of Materials，Vol．3，Budapest，Hungary，1986：1568～1573
15 李玉龙，胡建东等．5CrNiMo钢激光相变硬化组织及性能研究．金属热处理学报，1991（4）：30～37
16 Li Zhang，Hu Jiandong.A study on microstructure of Tl tool steel melted by laser．Laser Materials Processing for Industry，S．K．Ghosh ed．，IITT Publishing，1989：201～204

（文章来源：网络转载，作者：吉林工业大学胡建东）

查看本帖完整版本: [-- 钢铁材料激光淬硬层中的残留奥氏体 --] [-- top --]