中碳鉻鉬鋼 aisi 4140 之雷射表面硬化處理 laser surface...
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中碳鉻鉬鋼中碳鉻鉬鋼中碳鉻鉬鋼中碳鉻鉬鋼 AISI 4140 之雷射表面硬化處理之雷射表面硬化處理之雷射表面硬化處理之雷射表面硬化處理
Laser Surface Hardening of AISI 4140 Steel
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Shern Feng Huang ������ � � �
Department of Mechanic Engineering
China University of Science and Technology
摘摘摘摘 要要要要
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 AISI 4140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、7.5 mm/sec以及 10 mm/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：AISI 4140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 Hv 666-801；硬化層深度則達到 0.88-1.65 mm；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。經雷射處理之試桿的拉伸破斷面型態由延性破壞變為
脆性破壞模式。 ������������ ����AISI 4140� ������ ��� �����
Abstract
The effects of laser surface hardening on mechanical properties of AISI 4140 steel
have been studied. The laser surface hardening were carried out with continuous CO2
laser beam which scanned eight times as axial direction on the AISI 4140 steel surface
of a circular cross-section, and the parameters of laser hardening were power of 1000 W
and three scanning rate of 5, 7.5 and 10 mm/sec respectively. Two types of heat
treatment, either hot rolling or quenching-tempering was performed prior to laser
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hardening. The microstructure, surface hardness, hardened depth, and tensile properties
of the specimens were investigated. It was found that the structure of laser hardening
layer was martensite. It was also detected that the hardness of AISI 4140 steel was
promoted apparently to Hv 666-801, and the hardened depth was attained to 0.88-1.65
mm. It had significant effect on the tensile strength of the hardened specimens as either
hot rolling or quenching-tempering. Furthermore, the fracture type was turned brittle
into ductile when the laser hardened specimen was broken during the tensile test.
Keywords: AISI 4140 steel, Medium carbon Cr Mo steel, Laser, Surface hardening.
一一一一、、、、 前言前言前言前言
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，不但可以改良硬化能，使鋼容易被淬火硬化，而且回
火軟化的抵抗性較高。因此，和碳鋼相較，即容易淬火，又可以回火到更高的溫
度，而得到硬度高，強度大，韌性也高的組織。鉻鉬鋼常被用於機械工業、模具
業與石化工業等，包括：汽機車之齒輪、一般需強韌性的機械元件如軸、導柱等，
以及管件與壓力容器等[4,5]。其中，AISI 4140中碳鉻鉬鋼常被採用作為各種機械
構件的鋼材[6]。
在過去利用雷射進行鋼材表面硬化的研究，較多是針對中碳鋼，例如 Visscher
利用雷射對 AISI 1045 中碳鋼進行表面硬化處理，獲得有效的硬化效果，並提升
其表面耐磨性能[7]；Shiue亦利用雷射對中碳鋼進行表面硬化處理，並探討中碳鋼
經雷射處理後之組織結構的變化情形[8]； Riabkina等人則探討了 1045中碳鋼經
雷射處理後，其硬化層與熱影響區之組織結構與微硬度的變化情形[9]。而針對 AISI
4140鋼表面硬化相關的研究，多偏向於利用感應硬化方式[10,11]，而較少利用雷
射。Tsay等人曾利用雷射對 AISI 4140鋼進行表面硬化處理，但研究重點則放在氫
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脆的敏感性問題[12]，
上述的研究，多針對中碳鋼經雷射處理後之組織、硬度及耐磨性等之變化情形
進行研究，即使針對鉻鉬鋼的雷射表面處理研究，也並未探討其對 AISI 4140鋼的
組織、硬度以及強度的影響效果，由於 4140鋼與 1045鋼的含碳量相近，且多含
了鉻與鉬等元素，可提高鋼材的硬化能。因此，可藉由雷射表面處理，有效提高
其強度與硬度，所以本研究嘗試利用雷射對 AISI 4140鋼進行表面硬化處理，並探
討不同的雷射參數對此中碳鉻鉬鋼的表面硬化層深度、硬度值以及拉伸性質之影
響效果。
二二二二、、、、 實驗實驗實驗實驗材料與方法材料與方法材料與方法材料與方法
2.1實驗材料
本研究所使用的材料為 AISI 4140鋼，其 CNS編號是 S 40 Cr Mo 鋼，JIS編
號則為 SCM 440。具有的合金元素含量列於表 1，此鋼材的含碳量為 0.39 wt.%，
鉻和鉬的含量分別為 1.05 wt.%與 0.23 wt.%，所以屬於中碳鉻鉬鋼。本鋼材原狀態
為熱軋延處理之圓棒。
2.2試片製作與熱處理
將 AISI 4140圓棒製作成中間段為直徑 12.5mm、長 50mm之拉伸試桿。並將之
分為兩組：一組為原來之熱軋延狀態，一組則施以淬火、回火熱處理，淬火溫度
850℃，持溫 15分鐘，油淬至常溫，再回火至 600℃，持溫 30分鐘後，以急空冷
方式冷卻至常溫。
2.3雷射表面處理
先於試桿表面以 2 vol.%的硝酸酒精溶液(Nital)腐蝕 1分鐘後，經清洗後再以黑
色奇異墨水塗抹均勻，以增加試桿表面對雷射之吸收率。雷射表面處理所使用之
機器為 Rofin-Sinar 820-1500W CO2雷射機，產生的雷射光束為呈高斯分佈之雷射
光 raw beam，直徑約為 9 mm，但能量較集中的區域為圓心中央 4 mm的範圍。雷
射光於試桿表面沿軸向依次掃描八道，八道呈等分圓周方式，每道間隔 45∘，雷
射功率為 1000W，掃描速度分別為 5 mm/sec、7.5 mm/sec以及 10 mm/sec三種，
每道雷射間隔時間 15分鐘，使試桿有足夠的時間冷卻至常溫。
2.4拉伸試驗及破斷面觀察
利用 100噸拉伸試驗機(慶揚 CY-100)對試桿進行拉伸試驗，同時記錄各種試驗
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數據，並於斷裂後觀察其破斷型態。
2.5金相觀察與微硬度量測
切取試桿橫截面，加以研磨與拋光，利用 5 vol.%的硝酸酒精溶液予以腐蝕，以光
學顯微鏡觀察母材及硬化層之金相組織，並測量硬化層深度。再以 Vickers硬度試
驗機(Shimadza HMV-2)，量測母材及硬化層之硬度值。
三三三三、、、、結果與討論結果與討論結果與討論結果與討論
3.1金相顯微組織
圖 1為 AISI 4140鋼熱軋延狀態之金相顯微組織，主要為肥粒鐵(白色部份)與
波來鐵組織，由於在高溫經軋延後空冷下來，所以呈現較細的晶粒與微細的波來
鐵結構，類似於正常化組織。當經淬火回火處理後其組織變化為圖 2所示之情況，
可以觀察到回火麻田散鐵的組織形態。
圖 3 為熱軋延狀態經雷射硬化處理之硬化層的金相顯微組織，由於鋼材表面
受到雷射加熱，瞬間達到沃斯田鐵化，又受到鋼材自身冷卻的自淬作用，立即再
變態為麻田散鐵，因此從照片中可看出葉片狀或羽毛狀的麻田散鐵結構。
圖 4則為試桿經淬火回火處理後再施以雷射表面處理之硬化層金相組織，顯
示其仍為呈葉片狀或羽毛狀的麻田散鐵組織。由此可知，對 AISI 4140鋼而言，
不論其原有組織為熱軋延狀態抑或淬火回火狀態，當施以雷射處理後，都會變態
為麻田散鐵組織。
3.2微硬度分析
測量熱軋延狀態試桿之平均微硬度值為 Hv 327，比較此類鋼材在退火狀態時
的微硬度約為 Hv 200-230 [6]，所以本實驗的鋼材硬度較高，此乃由於鋼材經熱軋
延，組織較為緻密，且又以空冷方式冷卻之，有正常化處理的效果，使得試桿有
較高的硬度。經淬火回火熱處理後的試桿微硬度值提升到 Hv 396。一般而言，此
類鋼材經淬火回火熱處理後的微硬度約為 Hv 300-360 [6]，本實驗所得的試桿硬度
值顯得稍高一點，應屬原有的熱軋延處理所產生的硬化效果仍在。
圖 5.為三種不同雷射掃描速度所得之硬化層微硬度值比較圖，試桿於熱軋延
狀態經雷射表面處理後，其硬化層微硬度值增高為 Hv 742~ 771，其中以雷射掃描
速度為 7.5 mm/sec時，獲得最大的微硬度值 Hv 771，增幅達 2.38倍。若經淬火回
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火處理後，再施以雷射表面處理，則硬化層微硬度值達 Hv 666~ 801，以雷射掃描
速度為 5 mm/sec時，獲得最大的微硬度值 Hv 801，增幅約為 2.02倍。但在雷射掃
描速度為 10 mm/sec時，微硬度值僅達 Hv 666，此乃較快的掃描速度，使得單位
時間所提供的加熱能量較少，因而造成鋼材表面所獲得的加熱效果較差，導致麻
田散鐵的變態較不完全，最後造成硬化層的硬度值稍低一些。儘管如此，雷射表
面處理對 AISI 4140鋼硬度的影響，不論是原有的熱軋延狀態或淬火回火狀態，均
有大幅的提升作用。然而，不同之雷射掃描速度所得硬化層之微硬度值，並沒有
太大的差距，此乃由於 AISI 4140鋼含有鉻鉬等提高硬化能的元素，經雷射表面處
理時，較容易獲得麻田散鐵組織的硬化層，進而可以使硬度大幅的提升。
比較不同的雷射掃描速度所得之硬化層深度，如圖 6所示。在淬火回火狀態，
雷射掃描速度為 5 mm/sec時，獲得最大的硬化層深度 1.65 mm。當雷射掃描速度
為 10 mm/sec時，硬化層深度則僅為 0.96 mm。其原因為隨著雷射掃描速度的增加，
單位時間內作用在鋼材表面的熱量減少，使得表面沃斯田鐵化的深度亦相對減
少，因此造成硬化層深度隨之減小。若鋼材未經淬火回火處理，亦即在熱軋延狀
態時，雷射表面處理所得硬化層深度則較經淬火回火者為小。當掃描速度是 5
mm/sec時，獲得的硬化層深度為 1.32 mm；當雷射掃描速度為 10 mm/sec時，硬
化層深度則為 0.88 mm。同樣地，硬化層深度亦隨掃描速度增加而減小。
上述結果顯示 AISI 4140鋼經淬火回火處理後，比原有熱軋延狀態對雷射的
吸收與熱量的傳導有較佳的效果，因而所獲得的硬化層深度較大，且硬度值亦較
高。
3.3拉伸性質分析
圖 7 為不同實驗參數之試桿經拉伸試驗所得之降伏強度與抗拉強度比較圖，
由圖中可以看出不論是降伏強度或是抗拉強度，經雷射處理後其強度都有提升。
就降伏強度而言，在原有熱軋延狀態未經雷射處理時是 94 kg/mm2，當經雷射處理
後，提升至 120-125 kg/mm2。增幅平均約 33%。而抗拉強度在原有狀態未經雷射
處理時是 118 kg/mm2，當經雷射處理後，提升至 128-139 kg/mm2，增幅平均約 14%。
試桿若經淬火回火處理，其降伏強度增為 133 kg/mm2，再經雷射處理後，更提升
至 165-175 kg/mm2，增幅平均約 29%。再者，試桿之抗拉強度若經淬火回火處理
後提高至 173 kg/mm2，當經雷射處理後，提升至 190-199 kg/mm2。增幅平均約 12%。
由上述結果可知，不論是原有熱軋延狀態或是淬火回火狀態，雷射處理均可提升
其強度，幅度達 12% - 33%。又隨著雷射掃描速度增加，強度增加的幅度呈減緩的
趨勢。
對 AISI 4140鋼而言，雷射處理並不會大幅地提升其強度，原因在於雷射處理
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僅能硬化其表面層，而無法使整體都得到均勻的硬化效果，而降伏強度與抗拉強
度乃是材料整體的性能表現，因此若只有表面硬化時，僅局部區域並非整體的硬
化，並無法大幅地提升其強度。儘管如此，雷射處理仍具有提升其強度的功效。
圖 8所示為不同狀態之拉伸破斷面型態，其中熱軋延狀態及淬火回火狀態均
呈現頸縮現象之延性破壞模式；而熱軋延經雷射處理之試片的破斷面呈平口之拉
力脆性破壞模式；又淬火回火後經雷射處理之試片的破斷面則呈 45∘斜口之剪力
脆性破壞模式。可知經雷射處理之破斷面多呈脆性破壞模式，此乃試桿表面有八
道雷射硬化表層，而在拉伸破壞過程中抑制延性變形所致。
四四四四、、、、結論結論結論結論
本研究獲得之結論有以下四點：
1.AISI 4140中碳鉻鉬鋼不論是熱軋延狀態或淬火回火狀態，經雷射處理之表面硬
化層微硬度，均有大幅的提升效果。
2.經雷射處理所得之表面硬化層為麻田散鐵組織，硬化層深度隨雷射掃描速度增加
而減小。
3.不論是原來熱軋延狀態，或是淬火回火狀態，雷射處理都會提升鋼材的降伏強度
與抗拉強度。
4.經雷射處理之試片的拉伸破斷面由延性破壞變為脆性破壞模式。
五五五五、、、、參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻
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表 1 AISI 4140鋼之合金成份表
元
素 C Cr Mo Mn Si Fe
wt.
% 0.39 1.05 0.23 0.72 0.25 Bal.
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