柱塞泵推力盤激光表面強(qiáng)化

1、1 緒論機(jī)械零件的失效一直以來(lái)都是影響機(jī)械使用壽命的罪魁禍?zhǔn)?。零件失效可能由于：斷裂或塑形變形、過(guò)大的彈性變形、工作表面的過(guò)度摩擦或損傷、發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)、連接的松弛、摩擦傳動(dòng)的打滑等。但大部分是直接或間接地由于零件表面耐磨、耐蝕性極低造成的，在一般情況下，不耐磨零件所占比重更大。已具有整體綜合性能的零件，只要在其所需的局部部位施以適當(dāng)?shù)谋砻鎻?qiáng)化處理，提高其耐磨性和耐蝕性，就能顯著延長(zhǎng)其使用時(shí)間。這樣，由于使用壽命的增加，而提高了技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，從而進(jìn)一步促進(jìn)了各種表面強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展，新發(fā)展的高能密度表面強(qiáng)化技術(shù)更引人注目。高能密度表面強(qiáng)化，是在材料的表面施加極高的能量，使之發(fā)生物理、化學(xué)變化，以

2、達(dá)到強(qiáng)化的目的，其特點(diǎn)是，工序比較簡(jiǎn)單、過(guò)程非常迅速、零件變形較小、生產(chǎn)效率高。激光表面強(qiáng)化是高能密度表面強(qiáng)化技術(shù)中的一種主要手段。在一些特定情況下它具有傳統(tǒng)表面強(qiáng)化技術(shù)或其它高能密度表面強(qiáng)化技術(shù)不能或不易達(dá)到的特點(diǎn)，這使得激光表面強(qiáng)化技術(shù)在表面強(qiáng)化領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)了一定的席位。1.1 激光表面強(qiáng)化工藝簡(jiǎn)介1.1.1 激光表面強(qiáng)化工藝原理激光表面強(qiáng)化是快速表面局部淬火工藝的一種高新技術(shù)。這種方法主要用于強(qiáng)化零件的表面，可以提高材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蝕性以及強(qiáng)度和高溫性能；同時(shí)可以使零件心部仍保持較好的韌性，使零件的機(jī)械性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強(qiáng)度高的特點(diǎn)。激光硬化可以大幅度提高產(chǎn)

3、品質(zhì)量，成倍地延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)激光束照射到材料表面時(shí)，激光被材料吸收變?yōu)闊崃?，表層材料受熱升溫。由于功率集中在一個(gè)很小的表面上，在很短時(shí)間內(nèi)即把材料加熱到高溫，使材料發(fā)生固相相變、熔化甚至蒸發(fā)。當(dāng)激光束被切斷或移開后，材料表面冷速很快（冷速高達(dá)104 /s），自然冷卻就能實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化。根據(jù)激光束與材料表面強(qiáng)化作用的功率密度，作用時(shí)間及作用方式的不同，可實(shí)現(xiàn)不同類型的激光表面強(qiáng)化。1.1.2 激光表面強(qiáng)化工藝特點(diǎn)與分類1.激光表面強(qiáng)化的特點(diǎn) （1）激光功率密度大，加熱速度快（105109/s）,加熱溫度高，基體自然冷卻速度快（104/s），生產(chǎn)效率高。 （2）表面強(qiáng)化層

4、組織細(xì)，硬度高，質(zhì)量好，表面光潔無(wú)氧化，具有高的強(qiáng)度、韌性、耐磨性、耐蝕性。（3）熱影響區(qū)小、工件變形小。（4）可以局部加熱，對(duì)形狀復(fù)雜，非對(duì)稱幾何形狀的零件及特殊部位均可進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，如盲孔底部、深孔內(nèi)壁等。（5）整個(gè)過(guò)程易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。（6）無(wú)污染，勞動(dòng)條件好。2.激光表面強(qiáng)化工藝分類激光表面強(qiáng)化技術(shù)見圖1.1、圖1.2。圖1.2表示出激光表面強(qiáng)化方法在激光功率密度和作用時(shí)間坐標(biāo)系中所處的位置，這些過(guò)程在很大程度上取決于功率密度和輻照時(shí)間。激光表面強(qiáng)化技術(shù)也存在一些問題，如對(duì)反射率高的材料要進(jìn)行防反射處理，不適宜一次進(jìn)行大面積處理，激光本身是轉(zhuǎn)換率較低的能源，激光設(shè)備價(jià)格較高等等。因此

5、，采用激光表面強(qiáng)化技術(shù)時(shí)，要選擇適當(dāng)?shù)牧慵?、材料和工藝，充分利用其?yōu)點(diǎn)，使之成為高效率、高經(jīng)濟(jì)效益的方法。圖1.1 激光表面強(qiáng)化技術(shù)的分類圖1.2 激光表面強(qiáng)化方法與功率密度及作用時(shí)間的關(guān)系1.1.3 激光表面相變硬化（激光淬火）激光淬火是金屬材料在固態(tài)下經(jīng)受激光輻照，表面被迅速加熱到奧氏體化溫度以上，并在激光停止輻射后快速自淬火得到馬氏體組織的一種工藝方法。激光淬火適用于珠光體灰鐵、鐵素體灰鐵、球墨鑄鐵、碳鋼、合金鋼、馬氏體型不銹鋼、鋁合金等。鋼鐵材料激光淬火比傳統(tǒng)熱處理的組織更細(xì)小，硬度提高15 20，耐磨性明顯提高，見表1.2。在mm200型磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定了4種鋼材激光淬火試樣的耐磨性

6、并與普通熱處理試樣對(duì)比。結(jié)果表明，激光淬火試樣的耐磨性比淬火+低溫回火試樣提高50左右，比淬火+高溫回火試樣提高15倍左右。針盤磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，sk一5共析鋼激光淬火試樣比高頻表面淬火試樣的耐磨性提高1倍。表1.2 激光淬火與傳統(tǒng)熱處理淬火的耐磨性能比較（磨損體積） mm3鋼材激光淬火淬火+低溫回火淬火+高溫回火450.1050.1612.232t120.0820.13118cr2niwa0.3860.8372.23240crnimoa0.0640.0821.047激光表面硬化與常規(guī)的硬化工藝比較，其發(fā)展歷史很短，但從已取得的效果來(lái)看，激光硬化處理工藝是一種具有很多特點(diǎn)的表面硬化處理新工藝。

7、其主要特點(diǎn)有：u 材料表面的高速加熱和高速自冷。u 激光硬化處理后的工件表面硬度高，比常規(guī)淬火要高520%，可獲得極細(xì)的硬化層組織。u 由于激光加熱速度快，因而熱影響區(qū)小，淬火應(yīng)力及變形小。u 可以對(duì)形狀復(fù)雜的零件和不能使用其他常規(guī)方法處理的零件局部硬化處理。同時(shí)，也可以根據(jù)需要在同一零件的不同部位進(jìn)行不同的激光硬化處理。u 激光硬化工藝周期短，生產(chǎn)效率高，工藝過(guò)程易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度高，可納入生產(chǎn)流水線。u 激光硬化靠熱量由表及里的傳導(dǎo)自冷，無(wú)需冷卻介質(zhì)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。主要缺點(diǎn)有：u 激光熱處理還只是一種表面處理方法。實(shí)現(xiàn)仍必須進(jìn)行常規(guī)的熱處理，以獲得適當(dāng)?shù)男静啃阅?。根?jù)目前的技術(shù)設(shè)

8、備現(xiàn)狀，所處理的層深較薄，尚不能用在重負(fù)荷、大零件上。對(duì)大型零件處理效率太低。u 激光熱處理對(duì)零件表面有要求，須進(jìn)行黑化處理。雖然它對(duì)精密圖案硬化有利，但增加工序。黑化質(zhì)量對(duì)處理效果的影響尚待注意。u 大功率激光器體積太大，使用及維護(hù)也需要特別注意。u 大功率激光器的價(jià)格目前還很貴。激光器的電-光能量轉(zhuǎn)換效率太低，目前大功率的co2激光器的效率僅1015%左右。1.2 本課題研究的目的和意義推力盤在柱塞泵上起傳遞軸向推力的作用，為易磨損零件。這類易磨損零件的頻繁更換，導(dǎo)致設(shè)備生產(chǎn)效率下降，使用壽命減短，生產(chǎn)成本升高。從而進(jìn)一步導(dǎo)致整個(gè)工廠的經(jīng)濟(jì)效益降低。激光表面強(qiáng)化工藝是一種利用高能量密度的激

9、光束對(duì)零件表面進(jìn)行處理，改變其表層的組織或成分，實(shí)現(xiàn)表面相變強(qiáng)化或增強(qiáng)性修復(fù)的技術(shù)。推力盤通過(guò)激光表面強(qiáng)化處理，零件表面發(fā)生馬氏體相變或貝氏體相變，使得新形成的零件表面耐磨性大大提高，硬度也有所增強(qiáng)。通過(guò)這種方法，可以有效提升推力盤的使用壽命，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，降低其使用成本，對(duì)工廠的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生積極的影響。1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21世紀(jì)，是知識(shí)大爆炸的世紀(jì)，是信息大膨脹的世紀(jì)，是現(xiàn)代高新技術(shù)飛速發(fā)展的世紀(jì)。把握時(shí)代脈搏，緊跟時(shí)代步伐，抓住機(jī)遇，迎接更大的挑戰(zhàn)，追蹤、探索最新科技前沿的動(dòng)態(tài)，掌握最新的科學(xué)技術(shù)知識(shí)，是時(shí)代的要求，是人類社會(huì)向前發(fā)展的要求，也是能在激烈競(jìng)爭(zhēng)社會(huì)中立足于不敗之地的

10、要求。現(xiàn)代信息技術(shù)、現(xiàn)代生物技術(shù)、納米材料技術(shù)、航空航天技術(shù)和激光技術(shù)，是21世紀(jì)世界各國(guó)在科技領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。第一臺(tái)激光器的誕生至今已40余年，激光科學(xué)與技術(shù)得到了迅猛地發(fā)展及在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，形成了一些列新的交叉學(xué)科。激光加工技術(shù)就是利用激光作為熱源對(duì)材料進(jìn)行加工，這是從激光出現(xiàn)不就即取得的很大的成就。激光相變硬化技術(shù)，自70年代初，美國(guó)用于汽車零件以來(lái)，受到世界各國(guó)的廣泛重視。許多國(guó)家都開展了這方面的研究和應(yīng)用。目前，激光相變硬化技術(shù)已開始步入生產(chǎn)實(shí)用化階段，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。人們所佩戴的手表中鉆石的孔，就是激光打出來(lái)的。但是由于初期的激光功率較小，效率也很

11、低，僅能用于電子器件，微型零件的打孔、切割、修整及焊接上。最近，能長(zhǎng)時(shí)間在工業(yè)環(huán)境中連續(xù)工作的大功率、高效率激光器不斷出現(xiàn)，提高了打孔、切割、焊接的能力，擴(kuò)大了使用規(guī)模，且從70年代初期已開始研究試驗(yàn)它在金屬表面強(qiáng)化方面的作用。目前，我國(guó)及許多國(guó)家均進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作。有的已用在生產(chǎn)上，有的正逐步地為實(shí)際生產(chǎn)所采用，收到了很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。它已成為高能粒子束表面強(qiáng)化方法中的一種最主要的手段。激光加工技術(shù)一直是國(guó)家重點(diǎn)支持和推動(dòng)應(yīng)用的一項(xiàng)高新技術(shù)，特別是政府強(qiáng)調(diào)要振興制造業(yè)，這就給激光加工技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)了發(fā)展機(jī)遇。綜上所述，激光表面強(qiáng)化技術(shù)前景非常光明。1.4本課題的研究?jī)?nèi)容、研究目標(biāo)1

12、.本課題擬研究的主要內(nèi)容如下：1) 分析激光表面淬火各參數(shù)對(duì)試樣性能的影響。激光淬火主要的工藝參數(shù)為激光功率、光斑大小、掃描速度，研究參數(shù)改變對(duì)推力盤零件硬度、淬硬層深度、組織結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的影響。2) 設(shè)計(jì)可行實(shí)驗(yàn)方案、技術(shù)路線。3) 對(duì)推力盤進(jìn)行激光表面淬火處理，使零件淬硬區(qū)域硬度、淬硬層深度達(dá)到要求。4) 對(duì)淬火后試樣進(jìn)行硬度測(cè)試、淬硬層深度測(cè)試并制作金相試樣，采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)，分析淬火前后零件金相組織形貌特征變化。5) 研究激光表面強(qiáng)化工藝對(duì)零件產(chǎn)生的影響。6) 參考相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合本次設(shè)計(jì)，對(duì)激光表面強(qiáng)化工藝參數(shù)關(guān)系進(jìn)行歸納總結(jié)。2.本課題的研究目標(biāo)。1) 制備零件淬火層試樣。2

13、) 測(cè)試淬硬層硬度，并對(duì)試樣進(jìn)行切樣。3) 磨制金相試樣，采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)，并測(cè)試淬硬層深度。4) 對(duì)比零件淬火前后硬度變化，測(cè)試淬硬層深度及分析金相組織形貌特征，研究各激光淬火工藝參數(shù)對(duì)淬火組織的影響，得出最優(yōu)激光淬火工藝參數(shù)。2 激光表面強(qiáng)化工藝設(shè)計(jì)推力盤零件如圖2.1、圖2.2。推力盤為易磨損件，進(jìn)行激光淬火后，其硬度、以及耐磨性應(yīng)相應(yīng)提高。圖2.1所示推力盤零件為粗加工制得，零件表面沾附有切削液、油污等雜質(zhì)，淬火前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行處理。推力盤零件表面孔洞較多，在淬火處理前應(yīng)用粘土對(duì)其進(jìn)行封孔，以防止淬火時(shí)零件孔邊界熔融和灼傷工作臺(tái)。淬火后，零件最大淬硬深度應(yīng)達(dá)到1mm以上，淬硬層表

14、面硬度應(yīng)達(dá)到5556hrc以上，在孔洞邊緣，不能出現(xiàn)燒蝕、塌邊現(xiàn)象。根據(jù)以上要求，編寫工藝路線。圖2.1 粗加工成形的零件ba圖2.2 推力盤零件圖2.1 工藝路線試樣準(zhǔn)備預(yù)處理數(shù)控加工程序編制工藝參數(shù)設(shè)計(jì)淬火處理硬度檢測(cè)制備金相試樣測(cè)量淬硬層深度金相組織檢測(cè)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果改變工藝參數(shù)設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)不滿足性能要求滿足性能要求圖 2.3 工藝路線圖2.2 實(shí)驗(yàn)試樣的制備1.球墨鑄鐵的性能推力盤所選用的原材料為球墨鑄鐵，牌號(hào)為qt500-7。球墨鑄鐵是通過(guò)球化和孕育處理得到的球狀石墨，有效地提高了鑄鐵的機(jī)械性能，特別是提高了塑形和韌性，從而得到比碳鋼還高的強(qiáng)度，其綜合性能接近于鋼，可以通過(guò)熱處理和合金

15、化等措施來(lái)進(jìn)一步提高其使用性能。與鋼材相比，球墨鑄鐵有很多優(yōu)點(diǎn)。比如鑄造性能好，成本相對(duì)較低等。球墨鑄鐵一般用于鑄造一些受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性、耐磨性要求比較高的零件。球墨鑄鐵已迅速發(fā)展成為僅次于灰鑄鐵的、應(yīng)用十分廣泛的鑄鐵材料。2.推力盤制造方法1) 通過(guò)鑄造方法制造推力盤毛坯。2) 粗車平端面，粗車外圓至132，粗車內(nèi)圓至38。3) 半精車外圓至130，半精車內(nèi)圓至36。4) 粗銑寬5深4的圓形槽，粗銑寬13的弧形通孔。5) 鉆三個(gè)4的通孔。3加工結(jié)果如圖2.1。2.3 實(shí)驗(yàn)前預(yù)處理2.3.1 清洗除銹由于推力盤零件粗加工后，其表面附有切削液、油污等雜質(zhì)。零件放置一段時(shí)間后，表面易生產(chǎn)鐵銹。

16、在進(jìn)行激光淬火前首先應(yīng)對(duì)其進(jìn)行清洗除銹工作，以保證淬火質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。1首先用細(xì)砂紙打磨零件表面，以去除零件表面鐵銹。打磨直至鐵銹脫落，零件表面光亮為止。2用清水進(jìn)行初步清洗，去除磨下來(lái)的鐵銹。3由于粗加工成形后的零件表面有許多孔洞，在進(jìn)行激光淬火時(shí)應(yīng)避免激光穿過(guò)這些孔洞，直接照射到工作臺(tái)，對(duì)工作臺(tái)造成損傷。本實(shí)驗(yàn)中，在零件孔洞中填充粘土，并使粘土表面與零件表面相平，以避免激光直接照射工作臺(tái)。4用丙酮溶液擦洗零件表面，去除凸出零件表面的粘土和零件表面附著的切削液、油污等雜質(zhì)。5用清水進(jìn)行清洗，去除丙酮?dú)埩簟?.3.2 黑化處理co2激光器的激光照射到金屬及合金的表面后，一部分被反射，另一部

17、分被吸收。只有被吸收的那一部分光的能量才起到加熱的作用。一般鋼鐵零件是在精加工后才強(qiáng)化處理的，都很光亮，對(duì)co2激光器發(fā)出的激光的反射率很高，常高達(dá)8595%。所以吸收光束的能力很低，對(duì)于激光能量的利用來(lái)說(shuō)是非常不利的，也極不經(jīng)濟(jì)的。如被處理零件表面粗糙，無(wú)光澤，有氧化層或深顏色時(shí)，反射就少，從而吸收的能量就高，被處理的零件必須經(jīng)過(guò)表面預(yù)處理（也常稱為黑化處理），以提高光束能量的利用效率，這是一道不可少的工序。幾種預(yù)處理方法簡(jiǎn)單介紹：1.磷化法。磷化法是將清洗凈的零件放在磷酸鹽為主的溶液中，浸漬或加溫后即可得到磷化膜?？梢苑譃榱姿徨i法及磷酸鋅法。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是處理方法簡(jiǎn)便，效果好，適合大

18、量生產(chǎn)。磷化膜在激光束掃描照射后，硬化條中間部分帶黑亮色，相當(dāng)于受熱800以上經(jīng)過(guò)硬化的區(qū)域。在硬化條兩邊各有一很狹的白色帶，相當(dāng)于受熱350以下磷化膜析出部分結(jié)晶水的區(qū)域。當(dāng)觀察到這種情況時(shí)，即可初步判斷相變硬化是成功的。磷化膜對(duì)零件表面有防腐蝕及減摩的作用，所以很多情況下強(qiáng)化處理后即行裝配使用，無(wú)需清除。磷化膜有促使摩擦副易于磨合的作用。如需清楚亦較簡(jiǎn)單。磷化法僅適于低碳、中碳鋼及各種鑄鐵。對(duì)于高合金鋼如不銹鋼等，磷化膜層很薄，效果不好，需采用其他方法。2.炭素法。這個(gè)方法中包括炭素墨汁、普通墨汁，以及在炭黑膠體石墨懸浮于一定粘結(jié)劑的溶液中，用涂或噴涂的方法施加在零件表面上（表面需清潔）。

19、其特點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，能涂在任何材料上，還可以在大零件的局部處理處涂敷。吸光效果雖不如磷化，但亦較高。不足之處是不易涂得很均勻，激光照射時(shí)，炭要燃燒產(chǎn)生煙霧及刺眼的光亮，所以效果有時(shí)候不怎么穩(wěn)定；有時(shí)對(duì)材料有一定的增炭效果，有些情況是無(wú)害的，有些情況是不容許的。3.油漆法。采用黑色的油漆，特別是光學(xué)一起內(nèi)部用的防反射用的烏光漆效果很好，對(duì)激光束有較強(qiáng)的吸收能力。雖然比磷化法差一些但它能適合任何材料，包括高合金鋼、不銹鋼等難于用磷化法的零件。它和鋼鐵表面有較強(qiáng)的附著力，又便于涂敷（刷子涂及噴涂都可以），易得到均勻的表面。涂覆層厚度亦較為容易掌握；其吸光效果比較穩(wěn)定。缺點(diǎn)是照射時(shí)有煙霧和氣味，不易清除

20、（在激光輻照后，趁熱擦抹，可以去除）。4.其他方法。還有一些方法如真空濺射鎢、氧化銅等吸收率均非常高的材料，但在正式生產(chǎn)中很少用，意義不大。本次淬火實(shí)驗(yàn)采用的預(yù)處理方法是在推力盤零件表面涂一層激光誘導(dǎo)深層淬火涂料，牌號(hào)為nt-120。涂后放置一段時(shí)間，等其自行風(fēng)干。這種涂料的特點(diǎn)是：對(duì)激光的吸收率高，激光照射出僅留有極微量的灼燒灰分痕跡，未照射處一洗即掉，而且使用方便。2.4 數(shù)控加工程序編制2.4.1 編程前準(zhǔn)備由于零件上有許多孔洞，在進(jìn)行激光淬火時(shí)應(yīng)避免激光穿過(guò)這些孔洞，直接照射到工作臺(tái)，對(duì)工作臺(tái)造成損傷，當(dāng)激光掃描到孔洞時(shí)，應(yīng)關(guān)閉光閘。以圓心位置為原點(diǎn)，平行工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閥軸，垂直工作

21、臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸，垂直工作臺(tái)表面方向?yàn)閦軸，建立坐標(biāo)系1。在加工外圈時(shí)，以a點(diǎn)為起始點(diǎn)，坐標(biāo)為（0，60），激光順時(shí)針掃描。加工到內(nèi)圈時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，使激光對(duì)準(zhǔn)b點(diǎn)，坐標(biāo)為（0，-40），以b點(diǎn)為起始點(diǎn)順時(shí)針加工零件。2.4.1 數(shù)控程序段編寫程序段如下：n10 open prog 1;/打開程序1n20 clear;/準(zhǔn)備進(jìn)入n30 g91;/增量值編程n40 mo3;/打開光閘n50 tm5000;/保持5000毫秒n60 g01 c360;/掃描360n70 f5;/掃描速度5mm/sn80 g01 y1.4;/沿y軸進(jìn)給1.4n90 tm4000;/保持4000毫秒n100 g01

22、 c360;/掃描360n110 f4;/掃描速度4m/sn120 g01 y1.4;/沿y軸進(jìn)給1.4n130 tm3000;/保持3000毫秒n140 g01 c360;/掃描360n150 f3;/掃描速度3mm/sn160 g01 y1.4;/沿y軸進(jìn)給1.4n180 tm2000;/保持2000毫秒n190 g01 c360;/掃描360n200 f2;/掃描速度2mm/sn210 g01 y1.4;/沿y軸進(jìn)給1.4n220 tm1000;/保持1000毫秒n230 g01 c360;/掃描360n240 f1;/掃描速度1m/sn250 go1 y1.4;/沿y軸進(jìn)給1.4n26

23、0 tm5000;/保持5000毫秒n270 g01 c17;/掃描17n280 f5;/掃描速度5mm/sn290 m04;/關(guān)閉光閘n300 g01 c28;/掃描28n310 m03;/打開光閘n320 g01 c2;/掃描2n330 m04;/關(guān)閉光閘n340 g01 c28;/掃描28n350 m03;/打開光閘n360 g01 c2;/掃描2n370 m04;/關(guān)閉光閘n380 g01 c28;/掃描28n390 m03;/打開光閘n400 g01 c2;/掃描2n410 m04;/關(guān)閉光閘n420 g01 c28;/掃描28n430 m03;/打開光閘n440 g01 c2;/掃

24、描2n450 m04;/關(guān)閉光閘n460 g01 c28;/掃描28n470 m03;/打開光閘n480 g01 c47;/掃描47n490 m04;/關(guān)閉光閘n500 g01 c58;/掃描57n510 m03;/打開光閘n520 g01 c2;/掃描2n530 m04;/關(guān)閉光閘n540 g01 c58;/掃描58n550 m03;/打開光閘n560 go1 c15;/掃描15n570 tm5000;/保持5000毫秒n580 c360;/掃描360n590 f5;/掃描速度5mm/sn600 g01 y1.4;/沿y軸進(jìn)給1.4n610 tm4000;/保持4000毫秒n620 g01

25、c360;/掃描360n630 f4;/掃描速度4mm/sn640 g01 y1.4/沿y軸進(jìn)給1.4n650 close;/結(jié)束&1b1r/坐標(biāo)系1指向程序1，開始運(yùn)行2.5 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)淬火實(shí)驗(yàn)中，存在三可變工藝參數(shù)：激光器輸出功率p，光斑大小d及掃描速度v。當(dāng)其他條件不變時(shí)，激光硬化層深度h與p、d、v存在如下關(guān)系：hp/(dv) (2-1)工藝參數(shù)p、d、v之間可以相互補(bǔ)償，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整后可以得到相當(dāng)?shù)挠不疃?。能量密度與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系式為：=4p/(dv) （2-2）式中為作用于材料表面的激光能量密度，由p、d和v共同決定。激光淬火工藝參數(shù)主要是指激光器輸出功率p，光斑直徑d(兩者決定

26、了功率密度)和掃描速度v（決定了激光與工件的作用時(shí)間），它們直接影響硬化層的寬度、深度、硬度、組織以及機(jī)械性能。激光功率越大，淬硬層深度越深。掃描速度越快，功率密度變小，淬硬層深度變淺。光斑直徑越大，功率密度變小，淬硬層深度變淺。本實(shí)驗(yàn)對(duì)試樣采用不同參數(shù)來(lái)淬火處理以決定最佳工藝參數(shù)。2.6 激光淬火處理1工件的安裝在機(jī)床上加工工件時(shí)，必須使工件在機(jī)床工作臺(tái)或夾具上處于某一正確位置，且必須將工價(jià)夾牢夾緊。淬火時(shí)推力盤零件通過(guò)三爪自定心卡盤裝夾在數(shù)控工作臺(tái)上。裝夾方式如圖2.4。2激光淬火處理激光淬火處理在tj-hl-t5000型橫流連續(xù)波co2激光器上進(jìn)行（如圖2.5）。co2激光器是以co2氣

27、體為激活媒質(zhì)，發(fā)射的是中紅外波段，波長(zhǎng)為10.6m的激光。其最大功率為5000w，能在大功率下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定地工作。整套設(shè)備由激光器、光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)控控制系統(tǒng)組成，自動(dòng)化程度較高。淬火時(shí)，采用不同掃描速度、不同光斑大小和不同激光輸出功率對(duì)試樣進(jìn)行激光淬火工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，確定最佳工藝參數(shù)。激光淬火參數(shù)見表2.1。表2.1 激光工藝參數(shù)記錄序號(hào)參 數(shù)光斑尺寸（mm2）離焦量（mm）激光功率（w）掃描速度(mm/s)12.45.32010001223344556120017283941051137.4308005121000131200淬火時(shí)激光光斑保持不動(dòng)，通過(guò)數(shù)控臺(tái)控制工件勻速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。以a點(diǎn)為

28、起點(diǎn)，每掃描完一圈，工件隨工作臺(tái)沿y軸正方向進(jìn)給。當(dāng)掃描到環(huán)形通孔圈時(shí)，重新設(shè)置一個(gè)起點(diǎn)（b點(diǎn)），調(diào)整激光光斑位置，使其對(duì)準(zhǔn)該起點(diǎn)，沿該起點(diǎn)順時(shí)針掃描，掃描到孔洞時(shí)，關(guān)閉光閘，工件繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)工件轉(zhuǎn)過(guò)孔洞時(shí)，再打開光閘，繼續(xù)掃描。圖2.4 零件裝夾方式圖2.5 橫流連續(xù)波co2激光器2.7 硬度測(cè)試2.7.1 表面硬度測(cè)試1. th320全洛氏硬度計(jì)th320 全洛氏硬度計(jì)為集洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)、表面洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)、塑料洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)一體的多功能硬度計(jì)，采用洛氏（rockwell）測(cè)量原理，可直接進(jìn)行洛氏硬度測(cè)量、表面洛氏硬度測(cè)量、塑料洛氏硬度測(cè)量，并可以將洛氏硬度值轉(zhuǎn)換為hb、hv、hld、hk

29、、b 值。適用于碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬及工程塑料等材料的硬度檢測(cè)，具有測(cè)試精度高，測(cè)量范圍寬，主試驗(yàn)力自動(dòng)加卸載，測(cè)量結(jié)果數(shù)字顯示并自動(dòng)打印或與外部計(jì)算機(jī)通訊等特點(diǎn)。 可廣泛應(yīng)用于計(jì)量、機(jī)械制造、冶金、化工、建材等行業(yè)的檢測(cè)、科研與生產(chǎn)。 2.測(cè)試條件：th320全洛氏硬度計(jì)；標(biāo)尺：hrc；金剛石壓頭：150kgf；保持：5s；恢復(fù)：1s。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表2.2表2.2 表面硬度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄部位序號(hào)基材hrc1000whrc800whrc1200whrc5mm/s5mm/s5mm/s5mm/s117.518.760.762.559.758.2218.119.863.160.7平均值17.

30、819.2561.962.559.759.45由表2.2可以看出，經(jīng)過(guò)淬火處理后的淬硬區(qū)域硬度有了較為明顯的提高,淬火層表面硬度為基體表面層硬度的3倍左右。淬硬層表面硬度與基材表面硬度對(duì)比如圖2.6。圖2.6 表層硬度對(duì)比2.7.2 梯度硬度測(cè)試硬度梯度在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中又叫“至芯部硬度降”，即在有效硬化層范圍內(nèi)，自零件表面向芯部的硬度梯度。這一指標(biāo)既不但反應(yīng)了有效硬化層內(nèi)硬度的平緩程度，同時(shí)也反應(yīng)了淬火質(zhì)量。指標(biāo)中規(guī)定了有效硬化層深度下降0.1mm，硬度下降應(yīng)小于45hv。在梯度硬度測(cè)試中，硬化層每磨去0.1mm，用洛氏硬度計(jì)測(cè)試3點(diǎn)硬度值，取3點(diǎn)硬度平均值為該層硬度值。直至出現(xiàn)基材層為止。由于實(shí)

31、驗(yàn)室條件有限，梯度硬度測(cè)試在該部分略去。2.8 零件切樣激光淬火零件淬硬層深也是評(píng)定激光工藝參數(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)。為了測(cè)量淬硬層深度，必須對(duì)淬火試樣進(jìn)行切割。切割所使用的儀器為：往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)。型號(hào)：dk7725。2.8.1 電火花線切割簡(jiǎn)介電火花線切割加工是利用移動(dòng)的細(xì)金屬絲作工具電極，按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行脈沖放電切割。我國(guó)普遍采用高速走絲線切割。高速走絲時(shí)，線電極是直徑為0.020.3的高強(qiáng)度鉬絲。鉬絲往返運(yùn)動(dòng)的速度為810m/s。工作時(shí)，脈沖電源的一極接工件，另一極接纏繞金屬絲的貯絲筒。鉬絲先穿過(guò)工件上預(yù)加工的工藝小孔，再經(jīng)導(dǎo)輪由貯絲筒帶動(dòng)做正、反方向的往復(fù)移動(dòng)。工作臺(tái)在水平面兩個(gè)坐

32、標(biāo)方向按各自預(yù)定的控制程序，根據(jù)放電間隙狀態(tài)做伺服進(jìn)給移動(dòng)，合成各種曲線軌跡，把工件切割成形。與此同時(shí)，工作液不斷噴注在工件與鉬絲之間，起絕緣、冷卻和沖走屑末的作用。線切割時(shí)，電極絲不斷移動(dòng)，其損耗很小，因而加工精度較高。其平均加工精度可達(dá)0.01mm。表面粗糙度ra值可達(dá)1.6m或更小。2.8.2 裝夾方式及切割參數(shù)1.裝夾方式如圖2.7。六角螺帽工作臺(tái)夾具零件圖2.7 線切割零件裝夾方式2.電火花線切割參數(shù)淬火組織一共切割9組試樣，試樣大小為：710mm2。線切割電流為：5a；脈寬為：1m；脈沖間隔比為：6；線切割采用快速走絲（10m/s）。2.9 淬硬層深度檢測(cè)線切割過(guò)程中要使用電介液，

33、切割完的試樣表面沾有電介液，在進(jìn)行淬硬層深度檢測(cè)前應(yīng)對(duì)試樣進(jìn)行清洗，以去除試樣表面電介液。淬硬層深度直接反應(yīng)激光淬火工藝參數(shù)的優(yōu)劣，它與激光功率、光斑大小、掃描速度都有直接關(guān)系。通過(guò)分析淬硬層深度可以得出一系列結(jié)論，對(duì)激光淬火工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。測(cè)試數(shù)據(jù)記錄如表2.3。表2.3 淬硬層深度測(cè)量數(shù)據(jù)參數(shù)試樣光斑mm2功率w掃描速度mm/s淬硬層深度mm號(hào)試樣2.45.3100050.5號(hào)試樣37.480050.3號(hào)試樣2.45.3100040.6號(hào)試樣37.4100050.3號(hào)試樣2.45.3100030.8號(hào)試樣37.4120050.3號(hào)試樣2.45.3100021.2號(hào)試樣2.45.31200

34、50.6號(hào)試樣2.45.3120040.72.10 金相實(shí)驗(yàn)2.10.1 制備金相試樣制備金相試樣步驟如下：1.粗磨。用600目粗砂紙將金屬試樣待觀察面制成平面，再用1000目粗砂紙磨制，得到平整磨面為止。2.沖洗。清水洗凈并用吹風(fēng)機(jī)吹干。3細(xì)磨。清除粗磨后的磨痕，得到平整而光滑的磨面。依次在由粗到細(xì)的五種不同粒度的砂紙上把磨面磨光（分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)砂紙）。方法：將砂紙放在玻璃板上，左手按住砂紙，右手握住試樣，并使磨面朝下，均勻用力沿直線向前推行，返回時(shí)試樣要離開砂紙，如此反復(fù)，直至磨面上的磨痕被去掉，新的磨痕均勻一致時(shí)為止，每換一種砂紙，試樣的磨制方向轉(zhuǎn)動(dòng)90，即與上一道磨

35、痕方向垂直。4沖洗。清水洗凈。5拋光。去除細(xì)磨時(shí)留下的細(xì)微磨痕和變形層，是靠極細(xì)拋光粉末與磨面間產(chǎn)生相對(duì)摩擦和滾壓作用來(lái)消除磨痕，使其成為光滑的鏡面。拋光時(shí)應(yīng)在拋光盤上不斷滴注拋光液，拋光液采用cr203細(xì)粉末在水中的懸浮液。6沖洗。清水洗凈。7浸蝕。浸蝕劑為35%硝酸酒精溶液。方法：將試樣磨面浸入浸蝕劑中，或用棉花沾上浸蝕劑擦拭表面。時(shí)間要適當(dāng)，一般磨面發(fā)暗時(shí)就可停止，如浸蝕不足可重復(fù)浸蝕；如浸蝕國(guó)度，則需重新拋光后，再來(lái)一次。8沖洗。先用清水沖洗，再用酒精沖洗。9吹干。用吹風(fēng)機(jī)吹干試樣或用棉球擦干后即可進(jìn)行觀察。2.10.2 金相組織檢測(cè)1.本論文采用采用光學(xué)顯微鏡對(duì)金相試樣進(jìn)行顯微組織的

36、特征及形貌觀察。光學(xué)顯微鏡工作原理：一般都是用一個(gè)放大倍數(shù)適中的目鏡（10）和最低倍的物鏡開始觀察，逐步改用倍數(shù)較高的物鏡，從中找到符合實(shí)驗(yàn)要求的放大倍數(shù)。轉(zhuǎn)換物鏡時(shí)，先用低倍鏡觀察，調(diào)節(jié)到正確的工作距離（成像最清晰）。如果進(jìn)一步使用高倍物鏡觀察，應(yīng)在轉(zhuǎn)換高倍物鏡之前，把物像中需要放大觀察的部分移至視野中央（將低倍物鏡轉(zhuǎn)換成高倍物鏡觀察時(shí)，視野中的物像范圍縮小了很多）。低倍物鏡和高倍物鏡基本齊焦（同高調(diào)焦），在用低倍物鏡觀察清晰時(shí)，換高倍物鏡應(yīng)可以見到物像，但物像不一定很清晰，可以轉(zhuǎn)動(dòng)細(xì)準(zhǔn)焦螺旋進(jìn)行調(diào)節(jié)。 通常認(rèn)為，使用任何一個(gè)物鏡時(shí)，有效放大倍數(shù)的上限是1000乘它的數(shù)值孔徑，下限是250乘

37、它的數(shù)值孔徑。如40物鏡的數(shù)值孔徑是0.65，則上、下限分別為：10000.65=650倍和2500.65163倍，超過(guò)有效放大倍數(shù)上限的叫做無(wú)效放大，不能提高觀察效果。低于下限的放大倍數(shù)則人眼無(wú)法分辨，不利于觀察。一般最實(shí)用的放大倍數(shù)范圍是500700乘數(shù)值孔徑之間的數(shù)字。圖2.8為金相顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。圖2.8 金相顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖 本實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為奧林巴斯 gx251金相顯微鏡進(jìn)行觀察，觀察倍數(shù)依次為：50、100、200和500。觀察視野選擇條件為：無(wú)劃痕、無(wú)污垢、無(wú)臟污；組織形貌能代表試樣整體，不選有缺陷（縮孔、縮松等）的地方。低倍時(shí)，觀察晶粒的外形、尺寸。高倍時(shí)，先觀察晶界上的析出

38、物分布、數(shù)量及形態(tài)，再觀察晶界附近的析出物分布、數(shù)量及形態(tài)，最后觀察晶內(nèi)的析出物分布、數(shù)量及形態(tài)。2.拍攝金相照片。拍攝儀器為nikon e4500相機(jī)。拍攝組織如圖2.9、2.10、2.11。淬火條件為：光斑大小d=2.45.3mm2，激光功率p=1000w,掃描速度v=3mm/s。圖2.9 淬火層組織（50倍） 圖2.10 熔融淬硬層組織（500倍）由圖2.9可以看出，經(jīng)過(guò)激光表面淬火后，淬火組織呈現(xiàn)月牙狀，其原因是激光能量比較集中，激光中心處零件獲得能量較多，熱影響區(qū)較深，月牙形邊緣能量來(lái)源為光斑中心處的熱傳遞，能量較少，熱影響區(qū)比較淺。綜合以上原因?qū)е铝舜阌矊映尸F(xiàn)月牙形。淬硬區(qū)域明顯分

39、為三層，第一層為熔融淬硬層，團(tuán)狀球墨很少見，甚至完全溶解。第二層為深度淬硬層，團(tuán)狀球墨有一部分發(fā)生溶解，剩下的球墨團(tuán)均勻分布在組織中。第三層為基體組織，石墨團(tuán)呈球狀均勻分布在組織中。圖2.10為熔融淬硬層組織，該部分組織發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變程度較深度淬硬層完全。組織為板條狀馬氏體夾雜極少量的團(tuán)狀石墨，組織中馬氏體相互之間平行分布。圖2.11 基體組織（500倍）3結(jié)果分析鑄鐵材料經(jīng)過(guò)激光表面處理后，可以得到硬度很高，晶粒組織非常細(xì)的表層，并且和基體緊密地形成冶金結(jié)合。雖未經(jīng)回火，大多數(shù)情況亦不表現(xiàn)脆性現(xiàn)象，這樣能使得它的各種性能（包括物理、化學(xué)及機(jī)械性能）都可得到改善。其中特別是硬度提高較為

40、明顯。下面分別就硬度、淬硬層深度和金相組織形貌加以介紹。3.1硬度分析淬火實(shí)驗(yàn)中，光斑形狀為橢圓形，長(zhǎng)短軸分別為5.3mm、2.4mm和7.4mm、3mm，長(zhǎng)軸平行于激光掃描方向，等效光斑直徑d為13.85mm和25.2mm。實(shí)驗(yàn)取p、v、d三個(gè)可變因子。按表2.1記錄工藝參數(shù)對(duì)樣品進(jìn)行掃描，隨后測(cè)定淬硬層洛氏硬度和硬化層形狀尺寸。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樣品的表層硬度最高可達(dá)到63.1hrc，對(duì)應(yīng)較高硬度樣品的激光能量密度在3979j/mm2之間。圖3.1給出了掃描速度v=5mm/s時(shí)，用三種不同功率掃描時(shí)，淬火層硬度分布直方圖。圖3.1 硬度分布直方圖從圖3.1可以看出：使用不同功率的激光掃描，淬硬層的

41、洛氏硬度起伏不大，這表明激光功率大小的變化不會(huì)對(duì)表面硬度產(chǎn)生很大影響，這說(shuō)明表面硬度主要取決于材料本身的含碳量和原始狀態(tài)，而對(duì)單項(xiàng)激光工藝參數(shù)的變化并不十分敏感。相對(duì)而言，改變掃描速度對(duì)淬硬層表面硬度影響更大，這說(shuō)明表面硬度對(duì)掃描速度變化的敏感性略大一些。這是因?yàn)橛诔Ｒ?guī)表面淬火相比，在掃描速度v一定的條件下，激光表面淬火激光功率的大小只影響到加熱的速度。激光表面淬火處理后的硬度主要是取決于材料的含碳量，而快速加熱和冷卻只是起到加強(qiáng)細(xì)晶強(qiáng)化的作用，從而對(duì)硬度產(chǎn)生一定的影響，但是這種影響并不大。掃描速度對(duì)表面硬度之所以影響大，是因?yàn)樵诩す夤β什蛔兊臈l件下，掃描速度越慢，能量密度也就越大。這里存在一

42、個(gè)溫度臨界點(diǎn)的問題。當(dāng)能量密度大，掃描區(qū)吸收的能量相應(yīng)較多，可以達(dá)到完全淬火溫度，奧氏體化能夠充分進(jìn)行，其表面硬度會(huì)得到提高；反之，掃描速度越快，能量密度就越低，掃描區(qū)吸收的能量相應(yīng)較少，達(dá)不到完全淬火溫度，奧氏體化不能充分進(jìn)行，故其硬度較低。但是需要注意的是，并不是掃描速度越慢越好。掃描速度過(guò)慢，加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，過(guò)高的能量密度會(huì)使表面熔融及回火，組織也會(huì)變得粗大。在功率不變的條件下，合適的掃描速度其數(shù)值一個(gè)區(qū)間，掃描速度低于這個(gè)區(qū)間，材料無(wú)法完全淬火；高于這個(gè)區(qū)間，材料又會(huì)發(fā)生表面熔融及回火；只有在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，材料可以完全淬火，奧氏體化可以充分進(jìn)行。前文所說(shuō)的掃描速度對(duì)淬硬層硬度影響大，也是掃

43、描速度在這個(gè)區(qū)間而言的。3.2淬硬層深度分析根據(jù)表2.3的測(cè)量的數(shù)據(jù)，可分為以下三種情況討論。1.當(dāng)光斑大小改變，激光功率與掃描速度不變時(shí)。此時(shí)淬硬層深度與光斑大小的關(guān)系如圖3.2所示。由圖可以看出，當(dāng)激光功率和掃描速度不變時(shí)，淬硬深度隨光斑大小增大而變淺。由關(guān)系式=4p/(dv)可以看出，在p、v不變的條件下，能量密度與光斑大小d成反比。p一定時(shí)，面積越大，單位面積上吸收的能量越少；面積越小，單位面積上吸收的能量越多，故熱影響能夠向更深層傳輸，得到的淬硬層越深。圖3.2 硬化層深度與光斑大小的關(guān)系a：激光功率為1000w，掃描速度為5mm/sb:激光功率為1200w，掃描速度為5mm/s2.

44、當(dāng)激光功率改變，光斑大小與掃描速度不變時(shí)。此時(shí)淬硬層深度與激光功率的影響關(guān)系如圖3.3所示。圖3.3 淬硬層深度與激光功率的影響關(guān)系a:光斑大小為2.45.3，掃描速度為5mm/sb：光斑大小為37.4，掃描速度為5mm/s由上圖可以看出，淬硬層深度隨激光功率增大而變深。在光斑大小、掃描速度不變的條件下，激光功率越大，淬硬層深度越深。這是因?yàn)榧す夤β试酱螅芰棵芏?4p/(dv)也相應(yīng)越大，單位面積吸收的能量越多，使得表面溫度進(jìn)一步提高，熱影響能夠向更深層傳輸，試樣內(nèi)溫度場(chǎng)中超過(guò)臨界轉(zhuǎn)變溫度的范圍擴(kuò)大，即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的區(qū)域增加，所以得到的淬硬層也就越深。3.當(dāng)掃描速度改變，光斑大小和激光功率

45、為不變時(shí)。淬硬層深度與與掃描速度的關(guān)系如圖3.4所示。由圖可以看出，淬硬層深度隨掃描速度增大而變淺。在光斑大小和激光功率不變的條件下，掃描速度越慢，淬硬層深度越深。這是因?yàn)閽呙杷俣仍娇?，單位面積加熱時(shí)間減少，能量密度=4p/(dv)越低，金屬表層上吸收的能量越少，熱影響不能夠向更深層傳輸，所以得到的淬硬層也就越淺。圖3.4 淬硬層深度與與掃描速度3.3 金相組織分析3.3.1 顯微組織分析球墨鑄鐵的顯微組織是由基體和球狀石墨組成的，鑄態(tài)下的基體有鐵素體、鐵素體加珠光體、珠光體這三中形式，其中淬火實(shí)驗(yàn)中所用球墨鑄鐵基體原始組織為鐵素體加珠光體。從圖3.5可以看出，組織中的球墨鑄鐵呈團(tuán)狀分布，顆粒

46、較大，排列比較緊湊。圖3.6為經(jīng)過(guò)激光淬火（光斑大小d=2.45.3mm2，激光功率p=1000w,掃描速度v=3mm/s）后的組織，從圖3.6的底部往上面觀察，淬硬區(qū)域一共分為三層，第一層為熔融淬硬層，第二層為深度淬硬層，最后為基體組織。其中熔融淬硬層溫度較高，團(tuán)狀球墨基本上完全溶解，晶粒細(xì)化比較完全。而深度淬硬層受表面熱傳遞的影響，反應(yīng)溫度較表面溫度低。團(tuán)狀石墨沒有完全溶解，但團(tuán)狀石墨數(shù)量較基體組織明顯減少，其組織為馬氏體與球墨鑄鐵混合組成。隨著淬硬層深度的增加，在靠近鑄鐵冷基體的熱影響區(qū)，由于溫度較低，反應(yīng)不充分，球狀石墨溶解量小，碳的擴(kuò)散距離短，團(tuán)狀球墨顆粒大并且數(shù)量多。圖3.5 球墨

47、鑄鐵基體組織（500倍） 圖3.6 淬火后組織（50倍）圖3.7 熔融淬硬層組織(500倍)圖3.7為淬火完全區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，球狀石墨數(shù)目很少，甚至完全溶解。組織轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀馬氏體，晶粒較細(xì)。其每個(gè)單元的形狀為窄而細(xì)長(zhǎng)的板條，并且許多板條總是成群地相互平行地聚在一起。而在熔融淬硬層與深度淬硬層相交部位，由于溫度降低，團(tuán)狀石墨溶解不完全，還有少許石墨團(tuán)存在，晶粒也較完全淬火區(qū)域粗。3.3.2 組織變化對(duì)零件力學(xué)性能的影響激光相變硬化時(shí)，激光與材料的相互作用可根據(jù)激光輻照作用的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間分為幾個(gè)階段：把激光輻照引向材料；吸收激光能量并把光能傳給材料；光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱材料達(dá)到快速加熱、快

48、速冷卻、熔化材料的目的，并且不引起材料表面的破壞；材料在激光輻照后的相變或融化凝固或沖擊產(chǎn)生晶格畸及位錯(cuò)。激光熱處理加熱速度快，使材料表面迅速達(dá)到奧氏體化溫度，使得擴(kuò)散均勻化來(lái)不及進(jìn)行，原有材料中珠光體組織通過(guò)無(wú)擴(kuò)散轉(zhuǎn)化為奧氏體組織。在隨后通過(guò)自身熱傳遞而快速冷卻，奧氏體組織通過(guò)無(wú)擴(kuò)散過(guò)程轉(zhuǎn)化為馬氏體。由于是快速冷卻，使ms線升高，使得我們?cè)囼?yàn)中得到的馬氏體組織含量較常規(guī)熱處理的多，不同的微觀區(qū)域內(nèi)馬氏體形成溫度有很大的差異，這也導(dǎo)致了細(xì)小馬氏體組織的形成，同時(shí)組織細(xì)化，這是由于激光超快速加熱條件下，過(guò)熱度大，造成相變驅(qū)動(dòng)力(g)大，奧氏體形核數(shù)目劇增，它既可以在原晶界和亞晶界上形核，也可以在

49、相界面和其它晶體缺陷處成核。而在快速加熱的瞬間奧氏體化使晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大。在馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，必然轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的馬氏體組織。研究表明，激光相變硬化處理后可獲得直徑為2m的超細(xì)晶粒。激光處理加熱速度快，易使金屬表面過(guò)熱，隨后冷速亦快，殘留奧氏體量增加，碳來(lái)不及擴(kuò)散，使得奧氏體中碳量增加，隨著奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，得到高碳馬氏體，提高了硬度。而淬硬層中的馬氏體組織為板條馬氏體，其中位錯(cuò)密度極高，可達(dá)10111012條/cm2，比常規(guī)淬火提高至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并且殘余奧氏體中存在大量的位錯(cuò)塞積群。馬氏體在高度受扼的狀態(tài)下形成，因此形成了本質(zhì)上是變形馬氏體的淬硬組織。因此，晶粒超細(xì)化，高的馬氏體含量，馬氏體高位錯(cuò)

50、密度和高的固溶含碳量是材料經(jīng)激光熱處理后獲得超高表面硬度的主要原因。零件在激光輻照下發(fā)生超快速加熱相變和快速熔凝。激光加熱相變完成時(shí)間很短，同時(shí)加熱區(qū)的溫度梯度很大，因而金屬材料中碳化物的溶解和溶入奧氏體中的碳以及合金元素?cái)U(kuò)散再分布的情況，在激光加熱區(qū)不同部位之間有很大的差異，即導(dǎo)致奧氏體成分的不均勻性。激光快速加熱相變的極大過(guò)熱度造成相變驅(qū)動(dòng)力很大，使奧氏體的形核數(shù)目增多，短時(shí)間內(nèi)完成相變又使得相變形核的臨界半徑很小，既可在原晶界的亞晶界形核，也可在相界面其他晶體缺陷處形核。同時(shí)，瞬間加熱后的急冷使得超細(xì)晶奧氏體來(lái)不及長(zhǎng)大，因而激光相變的產(chǎn)物必將獲得超細(xì)的晶粒度和相變組織。激光相變硬化后的馬

51、氏體組織形態(tài)一般為極細(xì)的板條馬氏體和孿晶馬氏體。其中，板條馬氏體比常規(guī)熱處理的多，這種組織中的位錯(cuò)密度相當(dāng)高，且隨著功率密度的增加，平均錯(cuò)位密度也增加，板條馬氏體為位錯(cuò)胞狀亞結(jié)構(gòu)。同樣由于快熱快冷的原因，使得激光硬化后的殘余奧氏體量增加，碳在奧氏體中的含量由于來(lái)不及擴(kuò)散而滯留，隨著奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，獲得高碳馬氏體，提高了硬度和耐磨性。3.4 結(jié)論本課題對(duì)推力盤激光表面強(qiáng)化從表面淬火工藝、常規(guī)性能、微觀組織進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，在此研究基礎(chǔ)上，得出了以下結(jié)論：1.球墨鑄鐵經(jīng)激光淬火后，顯微組織可以劃分為均勻相變區(qū)，過(guò)渡區(qū)和基體區(qū)3個(gè)部分。均勻相變區(qū)主要由均勻板條狀馬氏體組織構(gòu)成，晶粒較細(xì)，過(guò)渡

52、區(qū)由粗大馬氏體和未熔的球墨混合組成，基體區(qū)為球墨和鐵素體。在本試驗(yàn)條件下，其硬化層深度大致在0.31.2mm之間。淬硬區(qū)域表面硬度可提高到基體硬度的3倍左右。2.改變激光功率、掃描速度或光斑大小對(duì)硬化層深有明顯影響。而激光功率變化所帶來(lái)的影響更大。因此，硬化層深對(duì)激光功率變化的敏感性大于對(duì)掃描速度變化的敏感性。但激光功率也不能無(wú)限增大，激光功率如果超過(guò)某一值時(shí)，試件表面將發(fā)生重熔。由于硬度主要取決與材料的含碳量，因此，僅改變激光功率。光斑大小或掃描速度對(duì)表面硬度的影響不是很顯著，即單項(xiàng)激光工藝參數(shù)的變化不會(huì)使表面硬度產(chǎn)生大幅度變化。相對(duì)而言，表面硬度對(duì)掃描速度變化的敏感性略大一些。根據(jù)上述研究

53、表明，提高激光功率、降低掃描速度、或縮小光斑大小可顯著增加層深，而加快掃描速度則有利于獲得稍高的表面硬度，還可以防止表面燒熔。因此，采用高功率、小光斑、快速掃描是一種可以獲得較大層深的安全工藝選擇，可以加強(qiáng)硬化效應(yīng)。3.球墨鑄鐵激光相變硬化時(shí)，其最佳工藝參數(shù)為：光斑大小為2.45.3mm2、激光功率為1000w、掃描速度5mm/s。從這次淬火試驗(yàn)中可以看出，如果不對(duì)激光淬火提出過(guò)高的要求，利用連續(xù)輸出功率在千瓦級(jí)的二氧化碳激光設(shè)備，對(duì)鑄鐵材料表面進(jìn)行熱處理并不困難。然而不同激光設(shè)備之間的工藝移植并非易事。工業(yè)生產(chǎn)中，維護(hù)激光處理工藝的可重復(fù)性是保證產(chǎn)品質(zhì)量的需要。激光淬火同其他傳統(tǒng)的熱處理相比

54、，它具有可以精確控制熱處理區(qū)域及工件變形小等一系列優(yōu)點(diǎn)。只要能夠較好的控制激光淬火工藝過(guò)程，原則上可以使用價(jià)格便宜、易于加工的材料制造工件的基體，在工件的關(guān)鍵部位用激光進(jìn)行處理，便能顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量，簡(jiǎn)化工件的生產(chǎn)工藝，降低工件的生產(chǎn)成本，增強(qiáng)激光淬火對(duì)其它傳統(tǒng)熱處理工藝的競(jìng)爭(zhēng)能力。參考文獻(xiàn)1王家金.激光加工技術(shù)m.中國(guó)計(jì)量出版社2 李力鈞.現(xiàn)代激光加工及其裝備m.北京理工大學(xué)出版社3陳繼民，徐向陽(yáng)，肖榮詩(shī).激光現(xiàn)代制造技術(shù)m.國(guó)防工業(yè)出版社4洪蕾，吳鋼.激光制造技術(shù)基礎(chǔ)m.人民交通出版社5王又良.激光加工的最新應(yīng)用領(lǐng)域m.上海激光技術(shù)研究所，上海市激光束精細(xì)加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室6肖榮詩(shī).激光加工

55、技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)m.北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院7陳苗海.中國(guó)激光加工產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展前景m.華北光電技術(shù)研究所8崔彤，郭克珺.淺析激光加工技術(shù)m.哈爾濱高科技（集團(tuán)）股份公司，哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所9余淑榮，樊丁.激光加工技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀m.蘭州理工大學(xué)，甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室10林樹忠，孫會(huì)來(lái).激光加工技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展n.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)11陸興.熱處理工程基礎(chǔ)m.機(jī)械工業(yè)出版社12趙品，謝輔洲，孫振國(guó).材料科學(xué)基礎(chǔ)教程m.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社13常鐵軍，劉喜軍.材料近代分析測(cè)試方法m.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社14catherine wandera. inert gas cutti