碳钢表面Fe-Ni-Cr-Si-B合金熔敷层的激光处理

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1994.02.007 第16卷第2期 北京科技大学学报 Vol.16 No.2 1994年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ap.1994 碳钢表面Fe-Ni-Cr-Si-B合金熔敷 层的激光处理+ 胡汉起)郑启光)李梅萍)翟华英1) )北京科技大学冶金系，100083，北京2)华中理工大学国家激光技术重点实验室 摘要利用10kW连续CO,激光束对熔敷在中碳钢表面上的Fe40Ni36Cr2Si8B14合金进行了表 面非品化处理，对已处理表面进行了扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电子衍射(ED)的 检测分析，发现无论在单条激光处理区，还是在多条处理的搭接区均获得了非晶结构，与之共存 的还有微品组织，处理中非金属无素的烧损是出现微晶的原因， 关键词钢，非晶合金，激光处理，表面非晶化，微晶 中图分类号TG139.80432 Laser Treating of Layer Coated with Fe-Ni-Cr-Si-B Alloy on Carbon Steel+ Hu Hanqi)Zheng Qiguang?)Li Meiping)Zhai Huaying) 1)Dempatment of Metallurgy USTB,Beijing,100083,PRC 2)National Laboratory of Laser Technology,HUST,Wuhan,PRC ABSTRACT A sample of middle carbon steel coated with Fe40Ni36Cr2SiCr2Si8B14 alloy was glazed by 10kW continuous CO2 laser.After laser glazing the structures of speci- mens was studied and examined by SEM,TEM and EDP.Its shown that a amorphous structrure has been produced not only at the zone of glazing oneway trip but also at the the glazing overlap.Because of the loss of nonmetallic elements,the microcrystallins exist in company with the amorphous structure. KEY WORDS steels,amorphous alloys,laser treatment,surface glazing,microcrystallin 自增本健山，)发现耐蚀铁基非晶以来，其优异的化学性能逐渐被人们所认识·传统的非 晶金属制品（丝、带、粉等）很难直接用在结构件上，使其应用前景受到限制·解决这一问 题的方法之一，是通过激光处理使工件表面获得大面积的非晶结构， 虽然Yoshioka H等人曾对非晶化能力极强的钯基合金通过激光处理在镍板上获得了大 面积的非晶层[3，)，但是，这种昂贵的金属很难有实用价值， 19%-07-14收稿第一作者男61教授 +华中理工大学激光技术国家重点实验室资助课题

第 16 卷 第 2 期 1 , 94 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 oJ u r n a l o f U in v e sr iyt o f S a e n c e a dn Tce h n o of gy eB ij ign V o l 。 16 N o 。 2 A碑 . 1 9 94 碳钢表面 F e 一 iN 一 C r 一 5 1一 B 合金熔敷 层 的激光处理 + 胡 汉起 l) 郑启光 2 ) l) 北京科技大学冶金系 , l (拟犯3 , 北京 李梅 萍 `) 翟华英 ` ) 2) 华 中理工 大学 国家激 光技 术重点实验 室 摘要 利用 10 k w 连续 ( 习 : 激光束对熔敷在 中碳钢表面 上的 F e 4() iN 36 rC 2 is 8 lB 4 合金进 行 了 表 面非晶化处理 . 对已处理 表面 进行 了 扫描电镜 ( SE M ) 、 透射 电镜 (T E M ) 和 电子衍 射 (E D P ) 的 检测分析 , 发现无论在单条激 光处理 区 , 还是在多条处理 的搭接 区 均获得 了 非晶结构 , 与之 共存 的还 有微 晶组 织 . 处理 中非金 属无素的烧损是 出现微 晶 的原 因 . 关健 词 钢 , 非晶合金 , 激光处理 , 表 面非 晶化 , 微 晶 中图分类 号 T G 1 39 . 8 0 43 2 L a s e r T r e a t ign o f aL ye r C o a dte iw ht F e 一 iN 一 C r 一 5 1 一 B A l o y o n C a r ob n S te l + uH I l a n g i ’ ) 及en g Q恻 a 叩 ’ ) L i M e 派iP n g ’ ) hZ a i 枷即认 g ’ ) 1) D七旧 p a t ~ t o f M e t al l l u 名y U S T B , eB 石ing , l X( 犯83 , P R C 2 ) 卜伯t i o anl aL ob alt o ry o f 助嵘r T eC h n o l o gy , H US T , W ul 坦 n , P R C A B S T R A C r A as m Ple of 而d d le ca r ob n s t e l co a t de iw ht F麟OiN 3 6C r ZS IC r ZS i8 B1 4 a l o y aws gal 左过 b y 10 k w co n t in u o us C O : l as er . A ft e r als er gal izn g t h e s trU ct l ln 、 o f s P面 - n r n` aws s tu d ide a dn xe a 而 n de b y SE M , T E M a dn E D P . Ist s h o wn t h a t a a mo 甲ho us st ur CL rU er h as h 沈n P or d u “ 沮 no t o ul y a t het 劝n e o f gal inz g o n e 从吸 y itr P b ut a ls o a t the het gal 血9 o v e ir a p . 欣份 use of het fo s of no ~ at il o e l 。 江eI n st , het ~ 。 , s at 川sn xe ist in co m Pan y iw ht t h e a mo pr h o us s t r u ct uer . K E Y W O R DS s枉光 sI , a mo pr ho us a lo ys , l a se r t获汾枕以泊 t , su 血ce gla 刀 n g , ~ c yr s at iln 自增本 健 〔 ’ , 2 】发现 耐蚀铁 基 非晶 以 来 , 其优 异 的化 学性 能逐渐 被人们所 认 识 . 传 统 的 非 晶金 属制品 (丝 、 带 、 粉 等 ) 很难 直 接用在 结构件上 , 使其应 用前 景受 到 限制 . 解决 这一问 题的方法 之一 , 是 通过激 光处理使 工 件表 面获得 大 面积 的非 晶结构 . 虽然 oY s ih o k a H 等人 曾对非 晶化 能力极 强 的把基合金 通过 激光 处理 在 镍板上 获 得 了大 面积 的非 晶层 1 3 , ` ] , 但是 , 这种 昂贵的金 属很 难有 实用 价值 . 1卯3 一 07 一 14 收稿 第 一作 者 男 61 教授 + 华中理工 大学激 光技术 国家重点实验室资助 课题 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1994. 02. 007

第 16 卷 第 2 期 1 , 94 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 oJ u r n a l o f U in v e sr iyt o f S a e n c e a dn Tce h n o of gy eB ij ign V o l 。 16 N o 。 2 A碑 . 1 9 94 碳钢表面 F e 一 iN 一 C r 一 5 1一 B 合金熔敷 层 的激光处理 + 胡 汉起 l) 郑启光 2 ) l) 北京科技大学冶金系 , l (拟犯3 , 北京 李梅 萍 `) 翟华英 ` ) 2) 华 中理工 大学 国家激 光技 术重点实验 室 摘要 利用 10 k w 连续 ( 习 : 激光束对熔敷在 中碳钢表面 上的 F e 4() iN 36 rC 2 is 8 lB 4 合金进 行 了 表 面非晶化处理 . 对已处理 表面 进行 了 扫描电镜 ( SE M ) 、 透射 电镜 (T E M ) 和 电子衍 射 (E D P ) 的 检测分析 , 发现无论在单条激 光处理 区 , 还是在多条处理 的搭接 区 均获得 了 非晶结构 , 与之 共存 的还 有微 晶组 织 . 处理 中非金 属无素的烧损是 出现微 晶 的原 因 . 关健 词 钢 , 非晶合金 , 激光处理 , 表 面非 晶化 , 微 晶 中图分类 号 T G 1 39 . 8 0 43 2 L a s e r T r e a t ign o f aL ye r C o a dte iw ht F e 一 iN 一 C r 一 5 1 一 B A l o y o n C a r ob n S te l + uH I l a n g i ’ ) 及en g Q恻 a 叩 ’ ) L i M e 派iP n g ’ ) hZ a i 枷即认 g ’ ) 1) D七旧 p a t ~ t o f M e t al l l u 名y U S T B , eB 石ing , l X( 犯83 , P R C 2 ) 卜伯t i o anl aL ob alt o ry o f 助嵘r T eC h n o l o gy , H US T , W ul 坦 n , P R C A B S T R A C r A as m Ple of 而d d le ca r ob n s t e l co a t de iw ht F麟OiN 3 6C r ZS IC r ZS i8 B1 4 a l o y aws gal 左过 b y 10 k w co n t in u o us C O : l as er . A ft e r als er gal izn g t h e s trU ct l ln 、 o f s P面 - n r n` aws s tu d ide a dn xe a 而 n de b y SE M , T E M a dn E D P . Ist s h o wn t h a t a a mo 甲ho us st ur CL rU er h as h 沈n P or d u “ 沮 no t o ul y a t het 劝n e o f gal inz g o n e 从吸 y itr P b ut a ls o a t the het gal 血9 o v e ir a p . 欣份 use of het fo s of no ~ at il o e l 。 江eI n st , het ~ 。 , s at 川sn xe ist in co m Pan y iw ht t h e a mo pr h o us s t r u ct uer . K E Y W O R DS s枉光 sI , a mo pr ho us a lo ys , l a se r t获汾枕以泊 t , su 血ce gla 刀 n g , ~ c yr s at iln 自增本 健 〔 ’ , 2 】发现 耐蚀铁 基 非晶 以 来 , 其优 异 的化 学性 能逐渐 被人们所 认 识 . 传 统 的 非 晶金 属制品 (丝 、 带 、 粉 等 ) 很难 直 接用在 结构件上 , 使其应 用前 景受 到 限制 . 解决 这一问 题的方法 之一 , 是 通过激 光处理使 工 件表 面获得 大 面积 的非 晶结构 . 虽然 oY s ih o k a H 等人 曾对非 晶化 能力极 强 的把基合金 通过 激光 处理 在 镍板上 获 得 了大 面积 的非 晶层 1 3 , ` ] , 但是 , 这种 昂贵的金 属很 难有 实用 价值 . 1卯3 一 07 一 14 收稿 第 一作 者 男 61 教授 + 华中理工 大学激 光技术 国家重点实验室资助 课题

学地章4武： 新形，票。产，一7”少

第 61 卷 第 2 期 1 , 94 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 oJ u r n a l o f U in v e sr iyt o f S a e n c e a dn Tce h n o of gy eB ij ign V o l 。 16 N o 。 2 A碑 . 1 9 94 碳钢表面 F e 一 iN 一 C r 一 5 1一 B 合金熔敷 层 的激光处理 + 胡 汉起 l) 郑启光 2 ) l) 北京科技大学冶金系 , l (拟犯3 , 北京 李梅 萍 `) 翟华英 ` ) 2) 华 中理工 大学 国家激 光技 术重点实验 室 摘要 利用 10 k w 连续 ( 习 : 激光束对熔敷在 中碳钢表面 上的 F e 4() iN 36 rC 2 is 8 lB 4 合金进 行 了 表 面非晶化处理 . 对已处理 表面 进行 了 扫描电镜 ( SE M ) 、 透射 电镜 (T E M ) 和 电子衍 射 (E D P ) 的 检测分析 , 发现无论在单条激 光处理 区 , 还是在多条处理 的搭接 区 均获得 了 非晶结构 , 与之 共存 的还 有微 晶组 织 . 处理 中非金 属无素的烧损是 出现微 晶 的原 因 . 关健 词 钢 , 非晶合金 , 激光处理 , 表 面非 晶化 , 微 晶 中图分类 号 T G 1 39 . 8 0 43 2 L a s e r T r e a t ign o f aL ye r C o a dte iw ht F e 一 iN 一 C r 一 5 1 一 B A l o y o n C a r ob n S te l + uH I l a n g i ’ ) 及en g Q恻 a 叩 ’ ) L i M e 派iP n g ’ ) hZ a i 枷即认 g ’ ) 1) D七旧 p a t ~ t o f M e t al l l u 名y U S T B , eB 石ing , l X( 犯83 , P R C 2 ) 卜伯t i o anl aL ob alt o ry o f 助嵘r T eC h n o l o gy , H US T , W ul 坦 n , P R C A B S T R A C r A as m Ple of 而d d le ca r ob n s t e l co a t de iw ht F麟OiN 3 6C r ZS IC r ZS i8 B1 4 a l o y aws gal 左过 b y 10 k w co n t in u o us C O : l as er . A ft e r als er gal izn g t h e s trU ct l ln 、 o f s P面 - n r n` aws s tu d ide a dn xe a 而 n de b y SE M , T E M a dn E D P . Ist s h o wn t h a t a a mo 甲ho us st ur CL rU er h as h 沈n P or d u “ 沮 no t o ul y a t het 劝n e o f gal inz g o n e 从吸 y itr P b ut a ls o a t the het gal 血9 o v e ir a p . 欣份 use of het fo s of no ~ at il o e l 。 江eI n st , het ~ 。 , s at 川sn xe ist in co m Pan y iw ht t h e a mo pr h o us s t r u ct uer . K E Y W O R DS s枉光 sI , a mo pr ho us a lo ys , l a se r t获汾枕以泊 t , su 血ce gla 刀 n g , ~ c yr s at iln 自增本 健 〔 ’ , 2 】发现 耐蚀铁 基 非晶 以 来 , 其优 异 的化 学性 能逐渐 被人们所 认 识 . 传 统 的 非 晶金 属制品 (丝 、 带 、 粉 等 ) 很难 直 接用在 结构件上 , 使其应 用前 景受 到 限制 . 解决 这一问 题的方法 之一 , 是 通过激 光处理使 工 件表 面获得 大 面积 的非 晶结构 . 虽然 oY s ih o k a H 等人 曾对非 晶化 能力极 强 的把基合金 通过 激光 处理 在 镍板上 获 得 了大 面积 的非 晶层 1 3 , ` ] , 但是 , 这种 昂贵的金 属很 难有 实用 价值 . 1卯3 一 07 一 14 收稿 第 一作 者 男 61 教授 + 华中理工 大学激 光技术 国家重点实验室资助 课题

·134 北京科技大学学报 第16卷 较B,O,和SiO,的生成Gibbs自由能之后，可以看出B在激光处理后的烧损比Si还要多. 在忽略热容影响的情况下，它们的生成Gibs自由能与温度的关系分别按以下公式表示I6: △GB,0,=-304-12.9T △Gso,=-217.6-9.91T 在同样的温度条件下，由于形成B,O3比形成 附表激光处理前后非晶合金成分，t% SO2更容易，加以激光束与工件表面交互作 Table Composition of amorphous alloy before 用的时间很短，考虑到B的扩散激活能远比 and after lser glazing S的为小，因此，在激光非晶化处理的高温作 元素 Fe Ni Cr 用下，B的烧损要比Si的烧损为大 处理前 55.41931.3382.52010392 合金的非晶形成能力与[T,/T]的比值密 处理后 55.16734.6162.8467.372 切相关【刀，T,为玻璃化转变温度；T,为合金 金的液相线温度·对于过渡族一非（类）金属合金系来说，随着非金属元素含量的增加， 一般会引起T,的提高与T的下降，从而使T/T了比值增加（向1趋近），使非晶形成能力增 强，通常要求非金属元素的含量在15at%~25at%之间。这是由于合金处于共晶成分附 近范围时，金属与非金属原子间较强的结合力使合金液体具有最稳定的结构·可以预 测，Si、B含量的减少降低了非晶形成能力，在激光处理后出现了非晶与微晶并存的情况是 不足为奇的事情·尽管在激光处理中进行吹氩气操作，看来吹氩气的保护作用还不足以防 止Si、B的烧损，必须在处理工艺上采取更加有效的措施， 3结论 (1)利用10kWCO,气体激光器，对熔敷在中碳钢表面上的FeNiCrSiB合金进行激光照 射处理，不论是单条处理区，还是搭接区，均获得了非晶结构， （2)除非晶结构外，在上述处理区中也存在有微晶组织， (3)扫描探针检测发现，激光处理后，合金中的S含量明显减少，由于非金属元素含 量对非晶形成能力至关重要，S的减少是出现微晶的重要原因，为此在激光非晶化处理中单 靠吹氩保护是不够的· 参考文献 1 Naka M,Hashimoto K,Masumoto T.J Japan Inst Metals,1974,38 853 2 Hashimoto K.Rapidly Quenched Metals,(Vol.II).Elsevier,Amsterdam 1985.1449 3 Yoshioka H,Asami K,Kawashima A,et al.Rapidly Quenched Metals,(Vol.D.Elsevier,Amsterdam: 1986.123 4 Kaufman E N.Wallance R J.Laser Surface Treatment of Metals.San Miniato,Itay:1985.2~13 5 Yoshioka H,Asami K,et al.Corrosion Science.1987,27 (9):981~995 6库巴谢夫斯基O,奥尔考可CB著，邱竹贤译.冶金热化学.北京：冶金工业出版社，1985.326一407 7胡汉起，金属凝固原理.北京：机械工业出版社，1991.191~195

13 4 北 京 科 技 大 学 学 报 第 16 卷 较 B户 3 和 5 10 2 的生 成 G bi 玩 自由 能 之 后 , 可 以 看 出 B 在 激 光 处理 后 的 烧 损 比 is 还 要 多 . 在忽 略热容 影 响的情况 下 , 它们 的生 成 G ib be 自由能与温 度 的关 系分 别按 以 下 公 式 表示 [ 6 :] A G B刃 , = 一 304 一 12 · g T △ G s io Z = 一 2 17 · 6 一 9 · g l T 在 同样的温度条件下 , 由于形 成 B夕 3 比 形成 5 10 : 更 容 易 , 加 以 激光束与工件 表 面交互 作 用 的时 间很短 , 考 虑 到 B 的扩散激 活 能远 比 is 的为刁、 , 因此 , 在激光非晶化处理 的高 温作 用 下 , B 的烧损要 比 is 的烧 损为大 . 合金的非 晶形 成能 力 与 [几/不]的 比值密 切相 关 【’ ] , T , 为玻璃 化转 变温 度 ; 不 为合金 附 表 激 光处理前 后非晶合金成分 , at % 1抽创晚 C翩四刻加 健 叨狱叫姗. . 正理 b断能 . 川 . 伪叮 妞政 蜘劝毛 元 素 eF NI rC is 处理前 55 . 4 19 3 1 . 338 2 . 520 10 . 392 处理后 5 . 167 抖.6 16 么别6 .7 372 金 的液相线温度 . 对于 过渡族 一 非 (类 ) 金 属合 金 系来说 , 随着 非 金 属 元素 含量 的 增加 , 一 般会 引起 几的提高与 不的下 降 , 从 而使 几/不 比值增 加 (向 1 趋近 ) , 使非 晶形 成 能力增 强 , 通 常要求 非金 属 元素 的含量 在 15 at % 一 25 at % 之 间 。 这 是 由于 合 金 处于 共晶 成分 附 近 范 围时 , 金 属 与 非金 属 原 子 间较 强 的 结 合力 使合 金 液 体 具 有 最 稳 定 的 结 构 . 可 以 预 测 , is 、 B 含 量 的减少 降低 了非 晶形成能力 , 在 激光处理后 出现 了非 晶 与微 晶 并存 的情 况是 不足 为奇 的事 情 . 尽管在 激光 处理 中进行 吹氢气操作 , 看 来吹 氢 气的 保护 作 用 还 不足 以 防 止 iS 、 B 的烧损 , 必 须在 处理工 艺上 采取更加 有效 的措 施 . 3 结 论 ( l) 利 用 10 k W C O : 气体激光 器 , 对熔敷 在 中碳 钢表 面上 的 F e N IC rS 迅 合金 进行激光照 射处理 , 不论是 单条处理 区 , 还 是搭接 区 , 均获 得 了非 晶结构 . ( 2) 除非 晶结 构外 , 在上 述处理 区 中也存在有微晶组 织 . ( 3) 扫描 探针检测发现 , 激光处理后 , 合金 中的 is 含量 明显 减 少 . 由于 非 金 属 元 素含 量 对非 晶形成能 力至 关重要 , is 的减少是 出现微晶 的重 要 原 因 , 为 此 在 激 光非 晶化 处理 中单 靠 吹氢保护是不够 的 . 参 考 文 献 N a k a M , H as h i伽ot K , M as l n n o ot T . J Ja Pan 加 t M e at 曲 , 1974 , 38 : 853 H aS l l il n o ot K . aR p 过y Quen cb ed M e at 七 , ( vo l . n ) . E 比幼七r , 角粥记沈区m : 198 5 . 14 9 丫b s肠ka H , A 锹m i K , aK 腮h i arn A, et ia . Ra Piid y Q ue cn 坛沮 M e切 sJ , (钓l . D . E枕v 记r , A n 招 忱侧以m : 1986 . 12 3 凡1川h n n E N , Wal 】a n代 R J . 1宝比r S ur af ce T 代牡 加℃n t o f M e 怕七 . San M in aj t o , l at y : 198 5 . 2 一 13 Y 沈1 1沁 ka H , A sa n 五 K , et al . 伪 r n 粥 沁n S O le n c e . 1987 , 27 (9) : 98 1 ~ 卯5 6 库巴谢夫斯 基 0 , 奥尔考可 C B 著 . 邱竹贤译 . 冶金 热化学 . 北京 : 冶金工 业出 版社 , 1 985 . 326 一叨7 7 胡汉起 . 金属凝固原理 . 北京: 机械工业出版社 , 1卯 1 . 191 ~ 195