球墨铸铁激光表面超细陶瓷合金化工艺及应用研究

武汉武钢华工激光大型装备有限公司

        摘  要：

        使用CO2激光器对球墨铸铁表面进行超细陶瓷合金化，利用SEM、能谱仪、显微硬度计和X射线衍射仪对激光合金化层的显微组织，物相元素，硬度分布进行了分析。结果表明，合金化区域由合金化区、热影响过渡区组成。其中合金化区组织包含莱氏体、细小马氏体和残余奥氏体,热影响区组织包含马氏体及残余奥氏体。亚微米级TiC硬质相成功引入合金化层，合金化层硬度得到显著提高，约为基体硬度的2～3倍。讨论了激光合金化工艺参数对合金化层显微硬度和微裂纹的影响并对裂纹的产生机理进行了深入分析。在一定范围内，随着激光功率的增加，合金化层厚度增大，同时减小了裂纹的产生。

        关键词：球墨铸铁；激光表面合金化；硬质相；裂纹

        中图分类号：TG665

        Investigation on laser alloying of ductile iron coated with ultrafine ceramics

        Xiong Zhao-ting1, Wang Ai-hua1, Yan Hua1, Wang Wen-yan2, Xu Jing2

      （1）. Material Science and Technology Institution, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

      （2）. Material Science and Technology Institution, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

        Abstract: The laser surface alloying of ductile iron coated with ultrafine ceramics was applied by CO2 laser. The microstructure, composition and hardness distribution were analyzed by SEM, EDS, microhardness tester and XRD. The results revealed that the alloyed area was composed by alloyed zone and heat affected zone. Ledeburite, petty martensite and retained austenite were contained in the alloyed zone, while martensite and retained austenite were contained in the heat affected zone. The hard phase was successfully introduced and the hardness of the alloyed layer is greatly improved, as high as 2-3 times of the substrate. The influence of the laser power as well as the generation mechanism of crack was also discussed. With the increase of the laser power, the thickness of alloyed layer increases and the trend of crack is reduced at the same time.

Key words: ductile iron; laser surface alloying; hard phase; crack

        1 前言

         球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，正是基于其优异的性能，目前已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料[1]。

        为了进一步提高球墨铸铁表面的强度，以往用得最多的方式是表面淬火处理和各种化学热处理。通过激光将硬质相引入到基体材料的表层以达到增强目的的激光表面合金化技术是一种材料表面改性处理的新技术，先把需要合金化的物质（合金元素或化合物）直接或间接结合到基体材料表面，然后在高能激光束的加热下快速熔化、混合，使合金元素均匀分散并熔渗于液化层（熔池）中，形成厚度为10～1000μm的表面熔化层。熔化层能在很短时间（50～2000μs）, 内形成具有符合某种要求的深度和化学成份或组成相的新表面合金覆盖层，这种合金化层与基体之间有很强的结合力，且具有高于基材的某些性能，所以能达到表面改性处理的目的[2]。本文中采用CO2激光器对球墨铸铁表面进行亚微米陶瓷合金化试验，通过改变参数进行试验并将分析结果，证明对球墨铸铁进行激光表面合金化获得预期性质的可行性，寻找最佳工艺参数，并对其合金化原理作以解释。

        2 试验材料及方法

        2.1 试验材料

        基体材料为块状球墨铸铁，尺寸为80mm×100mm×40mm，表面采用240＃砂纸打磨并使用丙酮清洗。亚微米陶瓷合金化涂料中以具有高硬度和优良耐磨性的亚微米级TiC等作为强化硬质相，以Fe－Cr作为基础粘结相。

        2.2 试验方法

       于经过表面预处理的球墨铸铁试样表面均匀涂覆一层厚约0.1mm的涂料，激光合金化涂料采用5kW的CO2激光器，扫描速度60mm/s，光斑直径为3mm，功率分别采用3.5kW,4.0kW,4.5kW,5.0kW。试验过程中使用氮气保护。

        在经过激光表面合金化处理的球墨铸铁试样中截取金相试样。将试样抛光后，用王水腐蚀后通过配有能谱仪的JSM-5610LV型扫描电镜进行组织形貌观察和元素分析，利用Philips X'Pert PRO X射线衍射仪分析合金化层物相组成。采用Micromet-3型显微硬度计测定处理区硬度，载荷100g,加载时间15s。

         3 试验结果分析

         3.1 组织形貌分析

         图1（a）中所示为合金化区域的总体形貌。可以看出，合金化区与基体组织形态具有明显区别。基体之中的石墨相以及气孔缺陷并未在合金化层中出现，这是因为在激光束扫过着有涂层的球墨铸铁表面时，随着涂层内的合金元素溶入到熔池中，该部分原本含有的气孔从表面溢出，石墨大部分被烧损，少部分渗进其余相形成合金。但合金化层与基体两者之间并没有清晰的分界线，说明它们形成了良好的冶金结合。

（a）

（b）

（c）

图1 合金化层显微组织形貌

Fig.1 Microscopic morphology of the alloyed sample

(a)合金化区域总体形貌 (b)合金化层中部形貌 (c)合金化层上部形貌

          整个合金化区域可以分为合金化区，热影响过渡区和基体三个部分。图1（b）为合金化区接近过渡区部分的形貌，组织特征为胞状晶。由细小马氏体和残余奥氏体组成。图1（c）为合金化区上部较接近试样表面部分的形貌，在这里出现的树枝状结晶组织正是合金熔化区域的显微特征表现，由莱氏体和残余奥氏体组成。结晶的方向由下而上，基本垂直于熔池的边界，这是由于在快速结晶的过程中，树枝状结晶的主干组织优先生长形成的。

         3.2 物相元素分析

         利用X射线衍射仪获得试样合金化层XRD图谱如图2所示。由于合金化过程中温度很高，涂料中的碳化物熔化并溶解于其他相内，而一些相由于含量小于5％，在XRD图谱中并未有所体现。图1中并没有未溶的碳化物被观察到，但从图3的能谱分析显示，合金化层中有少量Cr和Ti元素的存在，证明硬质相的成功引入。随着距表层深度的增加，Fe含量增加，Si含量减少，但两者变化不大。而Cr和Ti的含量变化曲线相近，在表层及接近基体部分含量稍高，而在合金化中层含量稍低。根据硬度及XRD的分析结果可以得出，一部分TiC等亚微米级硬质相残留在合金化层上部，使得合金化表层硬度得到极大的增强，另一部分则分解后与基体形成FexTiy合金，沉于熔池底层。一些碳化物的产生，如CFe15.1和[Cr,Fe]7C3等，对合金化层的强化起到了重要作用。在孙桂芳等的研究当中，在激光合金化层中同样发现CFe15.1和Cr15.58Fe7.42C6的存在，其中，Cr15.58Fe7.42C6与本文中的[Cr,Fe]7C3结构相似[3]。

图2 激光合金化层XRD图谱

Fig.2 XRD of the laser alloyed layer

图3 激光合金化层能谱分析

Fig.3 EDS of the laser alloyed layer

         3.3 激光功率对合金化的影响

         在激光表面合金化过程中，激光功率的改变对试验结果影响较大。图4中列出四种功率下硬度的分布。在最接近表面的部分，硬度高达1000HV左右，这不是单纯的相变或者细晶强化可以达到的，充分证明了硬质相引入的存在。随着激光功率的增加，合金化层硬化的厚度也随之增加。这是由于高的激光功率对应着大的热影响范围和高的冷却速率，从而导致更深层次的相变和晶粒细化。

图4 合金化层的硬度分布

Fig.4 The hardness distribution of the alloyed layer

         裂纹的变化规律与激光功率的改变也有对应的关系。如表1中结果显示，随着激光功率的增加，裂纹率（CR，横截面单位长度内的纵向裂纹数量[3]）减小。导致开裂的根本原因是在激光过程扫过时,在熔化层内产生了很大的拉应力,同时由于晶体生长沿着热流方向反向进行,具有定向凝固特征的晶体间界面成为强度弱区,因此很容易造成熔化层开裂。而在合金化过程当中，由于合金元素杂质的引入，不同元素间物理化学性能的差异，更容易产生裂纹。根据V Gragon等建立的一维传热模型[4]，在激光表面合金化处理时的冷却过程中，推导出温度梯度G(z,t)的表达式[5]为：

（1）

         其中，q0为光斑中心处的最大功率密度乘以被加热材料的吸收率A，erfc(z)为余误差函数，k为导热系数，t为加热时间，α为热扩散系数。

由式1，在激光扫描速度不变（即t不变）和基体材料不变（A，k, α不变）的情况下，随着功率的增加q0增大，导致温度梯度G的减小，从而减缓了开裂的倾向。为了避免开裂，除改变工艺参数外，还可通过对基体进行预先热处理来达到预期目的。

        4 结论

       （1）使用CO2激光器成功进行激光表面亚微米级陶瓷合金化，引入了硬质相，在球墨铸铁表面形成高硬度的合金化层。激光功率越大，合金化层厚度越大。

       （2）合金化层高硬度的形成除了引入硬质相外，相结构的变化如CFe15.1、[Cr,Fe]7C3等新相的产生和晶粒的细化也起了重要作用。

       （3）在一定范围内增大激光功率，会减小基体加热部分温度梯度，从而有利于减少裂纹产生。

        参考文献

        唐传芳等. 激光表面合金化技术的发展[J].金属热处理. 1990，10：52～59

        王家金.激光加工技术[M]. 北京：中国计量出版社， 1992，239～241

        孙桂芳等.高镍铬无限冷硬铸铁轧辊表面激光合金化的研究[J].东北大学学报.2008，29（6）：845～848

        V. Gregson. Laser Material processing. M.Bass (ed) Published by North Holland, 1983, 206

        叶宏.工艺参数对铸铁激光表面合金化裂纹的影响[J].金属热处理.1994，3（8）：90～92