中碳鉻鉬鋼aisi4140 之雷射表面硬化處理

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1、JournalofChinaUniversityofScienceandTechnologyVol.50-2012.01中碳鉻鉬鋼AISI4140之雷射表面硬化處理LaserSurfaceHardeningofAISI4140Steel黃聖芳ShernFengHuang中華科技大學機械系副教授DepartmentofMechanicEngineeringChinaUniversityofScienceandTechnology摘要本研究旨在探討雷射表面硬化處理對鉻鉬鋼之組織與機械性質之影響。研究方法為將AISI4140中碳鉻鉬鋼製作成具圓截面之拉伸試桿，以原有之熱軋延狀態以及經

2、淬火回火處理後，分別利用雷射進行表面硬化處理。雷射參數為：連續式CO2雷射、功率1000W，配合三種掃描速度(5mm/sec、7.5mm/sec以及10mm/sec)，於試桿圓周表面以等間隔方式(45∘)沿軸向掃描八道。將雷射處理後之試桿分別進行拉伸試驗、破斷面觀察、橫截面微硬度量測以及金相組織觀察等。研究結果顯示：AISI4140鋼經雷射處理所得之表面硬化層為麻田散鐵組織，微硬度呈大幅的提升，達到Hv666-801；硬化層深度則達到0.88-1.65mm；不論是熱軋延狀態或淬火回火狀態，雷射表面處理使其降伏強度與抗拉強度值均為提高，但增幅隨雷射掃描速度的增加而減緩。經雷射處理

3、之試桿的拉伸破斷面型態由延性破壞變為脆性破壞模式。關鍵詞：AISI4140鋼、中碳鉻鉬鋼、雷射、表面硬化AbstractTheeffectsoflasersurfacehardeningonmechanicalpropertiesofAISI4140steelhavebeenstudied.ThelasersurfacehardeningwerecarriedoutwithcontinuousCO2laserbeamwhichscannedeighttimesasaxialdirectionontheAISI4140steelsurfaceofacircularcross-se

4、ction,andtheparametersoflaserhardeningwerepowerof1000Wandthreescanningrateof5,7.5and10mm/secrespectively.Twotypesofheattreatment,eitherhotrollingorquenching-temperingwasperformedpriortolaser59JournalofChinaUniversityofScienceandTechnologyVol.50-2012.01hardening.Themicrostructure,surfacehardn

5、ess,hardeneddepth,andtensilepropertiesofthespecimenswereinvestigated.Itwasfoundthatthestructureoflaserhardeninglayerwasmartensite.ItwasalsodetectedthatthehardnessofAISI4140steelwaspromotedapparentlytoHv666-801,andthehardeneddepthwasattainedto0.88-1.65mm.Ithadsignificanteffectonthetensilestre

6、ngthofthehardenedspecimensaseitherhotrollingorquenching-tempering.Furthermore,thefracturetypewasturnedbrittleintoductilewhenthelaserhardenedspecimenwasbrokenduringthetensiletest.Keywords:AISI4140steel,MediumcarbonCrMosteel,Laser,Surfacehardening.一、前言由於雷射具有能量集中、能量密度高及總輸入熱量少等特性，因而可達到加工之受熱時間短、熱

7、變形量少、容易控制並限定被處理位置、以及可得到較細的組織等優點，使得雷射廣泛運用於材料的表面處理技術。尤其是應用於材料的表面熱處理，其中利用雷射所進行的表面變態硬化處理更獲得相當的研究成果與實用成效[1,2,3]。雷射表面硬化處理乃是利用高能量密度的雷射光束為熱源，照射在具有一定碳含量的鋼材表面時，瞬間加熱鋼材表面層，使快速達到沃斯田鐵化溫度，再利用鋼材自身的傳導冷卻作用，產生淬火效應，稱為傳導淬火或自淬火，使得沃斯田鐵變態為麻田散鐵，而達到表面變態硬化之目的[2,3]。鉻鉬鋼因含有鉻和鉬，