山東交通學(xué)院輪機(jī)論文解讀

1、山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）山東交通學(xué)院海運(yùn)學(xué)院激光淬火對(duì)氣缸套壽命的影響專 業(yè)輪機(jī)工程屆 別2014學(xué)號(hào)101612320姓 名孟小偉指導(dǎo)教師丁業(yè)立山東交通學(xué)院海運(yùn)學(xué)院二一四年六月孟小偉：激光淬火對(duì)氣缸套壽命的影響原創(chuàng)聲明本人孟小偉鄭重聲明：所呈交的論文“激光淬火對(duì)氣缸套壽命的影響” ，是本人在 導(dǎo)師丁業(yè)立的指導(dǎo)下開展研究工作所取得的成果。除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方 外，論文中不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，對(duì)本文的研究做 出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明， 本人完全意識(shí)到本聲明的法律后 果，尊重知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并愿為此承擔(dān)一切法律責(zé)任。論文作者 （ 簽字）日

2、 期： 2014 年 6 月 29 日山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要本文在綜合分析了國內(nèi)外激光加工技術(shù)的基礎(chǔ)上， 提出了柴油機(jī)缸套的激光淬火處 理。其原理是利用高能量密度的激光束快速掃描工件，使被照射的金屬以極快的速度升 到高于相變點(diǎn)而低于熔化溫度，當(dāng)激光束離開被照射的部位時(shí)，由于熱傳導(dǎo)的作用，處 于冷態(tài)的基體使其迅速冷卻而進(jìn)行自冷淬火，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工件表面的相變硬化。本文從理論上分析了柴油機(jī)缸套激光淬火的工藝參數(shù)， 提出了幾種形式的激光淬火 硬化網(wǎng)紋圖案和 16V240ZJ 柴油機(jī)氣缸套淬硬帶螺距的計(jì)算方法。探討了激光淬火提高 柴油機(jī)缸套使用壽命的機(jī)理，分析了激光淬火工藝溫度。實(shí)驗(yàn)研究了16V

3、240ZJ 柴油機(jī)氣缸套（硼合金鑄鐵 ）表面激光淬火中的激光參數(shù)對(duì)淬火強(qiáng)化結(jié)果的影響， 測(cè)量了缸套激 光淬火處理后的硬度，觀察和分析了硬化層的組織、形態(tài)，并通過磨損試驗(yàn)，得出了激 光淬火硬化的微觀解釋，驗(yàn)證了激光淬火可顯著提高柴油機(jī)缸套的使用壽命。關(guān)鍵詞：激光淬火，柴油機(jī)缸套，使用壽命，硼合金鑄鐵，耐磨性孟小偉：激光淬火對(duì)氣缸套壽命的影響AbstractBased on the comprehensive analysis of d omestic and international laser processing technology, the laser quenching machin

4、e cylind er of diesel engine .The principle is the use of a laser beam scanning the work piece with high energy density, so that the irradiated metal in order to speed up above the transition point and lower than the melting temperature, when the laser beam from the irradiated area, due to the role

5、of heat conduction in the substrate, cold the rapid cooling and self quenching then, the phase transformation hardening work piece table.This paper analyses the technical parameters of laser quenching cylinder diesel engine in theory, puts forward the calculation method of reticulate pattern hardeni

6、ng laser quenching several forms of 16V240ZJ diesel engine cylinder liner hardened with pitch. To investigate the mechanism of laser hardening can improve the service life of diesel engine cylinder liner, analyzed the temperature of laser quenching technique. Experimental study of 16V240ZJ diesel en

7、gine cylinder sleeve (boron alloy cast iron) effect of laser parameters of laser hardening of the surface of the cylinder liner of hardening, laser quenching after measuring the hardness, the observation and analysis of the hardening layer of the microstructure, morphology, and the wear test, the mi

8、croscopic interpretation of laser hardening, verification the laser quenching can significantly increase the service life of the diesel engine cylinder liner.Keywords: laser quenching, the service life of cylinder liner, diesel, boron alloy cast iron, wear resistance山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄 TOC o 1-5 h z 前

9、言. 1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1機(jī)缸套表面激光淬火處理的工藝研究. 2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 11 淬火系統(tǒng)組成 . 2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 12 柴油機(jī)缸套的表面預(yù)處理 . 3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 13 激光淬火網(wǎng)紋 . 4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2光淬火溫度場(chǎng)及提高柴油機(jī)缸套使用

10、壽命的機(jī)理分析 . 5 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 21 激光淬火硬化工藝溫度分析. 5 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 22 激光淬火提高柴油機(jī)缸套使用壽命的機(jī)理 . 6結(jié) 論. 12致 謝. 13參考文獻(xiàn) . 14山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）前言隨著人民生活水平的提高，人們對(duì)于汽車、火車、船舶等內(nèi)燃機(jī)交通工具的性能和 使用周期提出了更高的要求，這就要求內(nèi)燃機(jī)的質(zhì)量不斷提高。隨著火車速度的提升， 機(jī)車的大修周期從 1 年半縮短到 1 年，相對(duì)來說就要投入更多的人力、物力、財(cái)力，這 從一

11、定程度上提高了營運(yùn)成本，制約了鐵路客 （貨）運(yùn)事業(yè)的發(fā)展。另外，隨著我國汽車 工業(yè)的發(fā)展，車輛國產(chǎn)化程度的不斷提高，對(duì)國產(chǎn)化汽車的性能也提出了更高的要求， 這也要求國內(nèi)廠家不斷改進(jìn)制造材料和處理工藝，提高機(jī)車零部件的性能。氣缸套是船舶柴油機(jī)關(guān)鍵零件之一，因其內(nèi)壁工作條件惡劣：變化劇烈的周期性載 荷、溫度場(chǎng)、以及活塞變化的運(yùn)動(dòng)速度等，所以缸套和活塞環(huán)之間的潤滑狀態(tài)可能包括 全膜潤滑、混合潤滑和邊界潤滑等多種形式， 相應(yīng)的磨損可能包括磨粒磨損、 粘著磨損、 化學(xué)磨損等多種形式。 船舶柴油機(jī)氣缸套磨損后， 活塞與汽缸配合間隙大， 氣密性下降， 發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降，造成啟動(dòng)困難，機(jī)油溫度和油耗

12、增加，噪聲振動(dòng)加大， 使用壽命縮短， 排氣帶黑煙等后果。 隨著船舶柴油機(jī)向高速、 高負(fù)荷（大功率）I 作條件發(fā) 展，磨損造成的失效將更為突出。由此可見，如此復(fù)雜的情況對(duì)缸套活塞環(huán)之間的潤滑性能的要求很高，為提高缸套 的耐腐蝕性和耐磨性，多年來人們一直在不斷尋求各種解決途徑，世界各國都對(duì)氣缸套 內(nèi)壁以不同角度如改進(jìn)材質(zhì)、表面強(qiáng)化、提高加工精度、降低表面粗糙度進(jìn)行了各種各 樣的處理。孟小偉：激光淬火對(duì)氣缸套壽命的影響1. 船舶柴油機(jī)氣缸套表面激光淬火處理的工藝研究1.1 淬火系統(tǒng)組成激光淬火時(shí)，激光束在物體表面掃描，可以是光束運(yùn)動(dòng)，也可以是工件運(yùn)動(dòng)，或激 光束和工件同時(shí)運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)，要求光斑尺寸可

13、調(diào)、功率或能量可調(diào)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度可 調(diào)，以達(dá)到各種加工目的。要完成以上功能，必須有完整的激光淬火系統(tǒng)。激光淬火系 統(tǒng)包括激光器、 光路系統(tǒng)、激光電源系統(tǒng)、 冷卻系統(tǒng)、 工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)等部分組成。1、激光器CO?激光器CO?激光器是激光加工中最常見的一種，和 YAG 加工一樣同為紅外不可見光，它 的輸出波長為 106um，由于 CO?激光器在電光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率等方面所具有的明 顯優(yōu)勢(shì)，使得這種激光得到迅猛發(fā)展。此外 CO?激光在高功率時(shí)光束質(zhì)量的穩(wěn)定性比 YAG 激光好， 這使得它在材料的強(qiáng)化處理中受熱部位比較均勻， CO?激光的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，體積大，維修要求比 YAG 高。YAG

14、激光器YAG 激光器具有許多不同于 CO?激光器的良好性能。它的輸出波長為 106urn， 與金屬的耦合效率高，加工性能良好 (800WYAG 激光的有效功率相當(dāng)于 3KWCO ?激光 功率 )。YAG 激光能以脈沖和連續(xù)兩種方式工作，其脈沖輸出的性能指示范圍大，并可 通過調(diào) Q 和鎖模技術(shù)獲得巨脈沖和超脈沖， 使其范圍比 CO?激光更大。 它的缺點(diǎn)：一是 運(yùn)轉(zhuǎn)效率低； 二是 YAG 激光棒在工作中存在內(nèi)溫度梯度， 會(huì)引起熱應(yīng)力和熱透鏡效應(yīng)， 限制了 YAG 激光的平均功率和光束質(zhì)量的進(jìn)一步提高。準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器是繼 YAG 激光器和 CO?激光器之后的第三類激光器，其工業(yè)應(yīng)用尚 在不

15、斷開發(fā)和研究中。準(zhǔn)分子激光器為紫外短脈沖激光，波長范圍193351nm，約是YAG 激光波長的五分之一和 CO?激光的五十分之一， 其單光子能量高達(dá) 79 電子伏特， 比大部分分子的化學(xué)鍵能都高，直接能深入材料分子內(nèi)進(jìn)行加工，其加工機(jī)理不同于 YAG 和 CO?激光，后兩者的紅外能量是以熱傳遞的方式耦合進(jìn)材料的。準(zhǔn)分子短波長 易于聚焦， 有良好的分辨率， 可進(jìn)行精密加工， 且多數(shù)材料對(duì)紫外波段的吸收率特別高， 能有效地利用激光能量。2、光路系統(tǒng)件山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 1 激光淬火光路系統(tǒng)簡圖 光路系統(tǒng)是激光器和工件的連接部分，是激光加工設(shè)備的主要組成部分之一，它的 特性直接影響激光加

16、工的性能。 通過光路系統(tǒng)將激光束從激光器輸出端口引導(dǎo)至加工表 面（如圖 1 所示）加工部位獲得所需光斑形狀、尺寸及功率密度。3、冷卻系統(tǒng) 固體激光器工作時(shí)，絕大部分輸入能量都轉(zhuǎn)換為泵燈、工作物質(zhì)和聚光器溫度升高 的熱能。工作物質(zhì)溫度過高時(shí)，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害激光器的正常工作，對(duì)于連續(xù)工作方式的激 光器，必須采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施。通常采用蒸餾水或去離子水作冷卻液。冷卻系統(tǒng)一般 包括水泵、熱交換器及蓄水箱，熱交換器的作用是將冷卻裝置中循環(huán)冷卻液的熱能傳遞 給其它傳熱介質(zhì)。4、工作臺(tái)及控制系統(tǒng) 工作臺(tái)是承載加工件的部分。加工件與激光束作相對(duì)運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行加工，因此加工的 精度在很大程度上決定于工作臺(tái)的精度和激光束

17、運(yùn)動(dòng)時(shí)可調(diào)節(jié)的精度。與工作臺(tái)相配 合，有相應(yīng)的控制系統(tǒng)，光束運(yùn)動(dòng)和工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)都是靠控制系統(tǒng)來控制的。控制 系統(tǒng)控制激光束與工作臺(tái)的相對(duì)位置，按加工要求形成一定的軌跡。同時(shí)，可對(duì)加工機(jī) 中有關(guān)部位進(jìn)行控制，如光閘等。12 柴油機(jī)缸套的表面預(yù)處理1、磷化通過磷化處理在工件表面形成一層磷酸鹽： 磷酸錳、磷酸鋅等， 其中以磷酸錳最多。 早期曾廣泛使用， 其吸收率可達(dá) 80。后來磷酸鹽膜經(jīng)激光處理后在工件表面晶間出現(xiàn) 微裂紋。所以近年來磷化預(yù)處理已為其它方法所代替。另外磷化表面經(jīng)激光處理后使表 面粗糙度增加 0.972.55urn，也是其缺點(diǎn)之一。孟小偉：激光淬火對(duì)氣缸套壽命的影響2、黑漆近年來美

18、國多用一種牌號(hào) Krylonl602 的黑漆，其主要成分為石墨粉和硅酸鈉或硅酸 鉀，采用噴涂法，厚度 10-20urn。國內(nèi)上海光機(jī)所研制了 861 型黑漆，已供應(yīng)國內(nèi)市 場(chǎng)。3、SiO2 型涂料一種以為 SiO2骨料的可噴涂涂料。 選用 200-300目的精制石英粉， 除對(duì)激光有很高 的吸收率以外，在激光照射下能形成液態(tài)均勻覆蓋于金屬表面，冷卻時(shí)結(jié)成固態(tài)薄膜。 由于與金屬的熱膨脹系數(shù)的差異而能自行脫落， 有利于使金屬淬火前后金屬表面粗糙度 變化最小。在鑄鐵上曾測(cè)得粗糙度僅從 0.18um 增至 0.26urn。并選定醇基酚醛樹脂為粘 結(jié)劑。乙醇為溶劑，并選用少量稀土金屬氧化物為活性添加劑?；?/p>

19、合稀土氧化物價(jià)格低 廉，效果比氧化鈰、氧化鑭還要好。以上涂料混合后可用壓縮空氣噴涂或手工刷涂。在 激光淬火時(shí)，涂層愈薄愈勻愈好，噴涂時(shí)層厚可在 50-75um 范圍內(nèi)。13 激光淬火網(wǎng)紋缸套進(jìn)行淬火時(shí)，工作臺(tái)與激光束相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使激光束在缸體內(nèi)表面快速掃描，形目前，國內(nèi)外缸體的激光淬火硬化網(wǎng)紋圖案有多種形式，包括螺旋紋、正弦波以及 菱形網(wǎng)紋等。l 、螺旋線型硬化帶用連續(xù) CO?激光束在內(nèi)壁上下移動(dòng)， 缸套作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)不同的材料及表面處理，山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選擇不同的激光參數(shù)及運(yùn)動(dòng)速度， 以獲得最佳的效果。 用配有數(shù)控系統(tǒng)的激光處理裝置， 不僅能得到螺旋線形淬火軌跡，還可以得到等螺

20、距、變螺距的激光淬火軌跡，本課題研 究的柴油機(jī)氣缸套采用變螺距的淬火軌跡。淬火軌跡對(duì)初期磨合性能、機(jī)油消耗率及耐 磨性能都有影響。軌跡與氣缸套縱軸方向的夾角對(duì)氣缸套一活塞環(huán)摩擦副有影響，必須 進(jìn)行優(yōu)化以獲得磨損量最小的最佳夾角。激光處理長度一般為活塞環(huán)行程，這既降低了 激光器運(yùn)行成本，又減少了操作輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)率。2光淬火溫度場(chǎng)及提高柴油機(jī)缸套使用壽命的機(jī)理分析21 激光淬火硬化工藝溫度分析211 激光淬火熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型 激光與材料的相互作用是一個(gè)較復(fù)雜的物理過程， 其溫度場(chǎng)分布不僅與材料的本身 性質(zhì) （熱容、熱導(dǎo)系數(shù)、比重 ）有關(guān)，而且與激光加熱參數(shù) （功率密度、能量分布、作用時(shí) 間）

21、有直接的關(guān)系，加上激光與材料相互作用會(huì)因光吸收、反射、輻射、熱輻射、熱傳 導(dǎo)以及等離子體效應(yīng)與濺射效應(yīng)等，使表面與光輻射交換變得極為復(fù)雜。假設(shè)被加熱的 材料為導(dǎo)熱性不變的半無窮大均勻平板，激光束掃描淬火是一個(gè)移動(dòng)熱源三維導(dǎo)熱問 題，但由于加熱冷卻速度極快，激光束光斑相對(duì)于被掃描工件很小，因而?？梢院喕癁槊闲ィ杭す獯慊饘?duì)氣缸套壽命的影響22 激光淬火提高柴油機(jī)缸套使用壽命的機(jī)理以發(fā)動(dòng)機(jī) 16V240ZJB、C 型中速柴油機(jī)為例，由于運(yùn)輸任務(wù)日益繁重，要求柴油機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)有高的耐久可靠性。氣缸套是機(jī)車柴油機(jī)主要零部件之一，在使用過程中，它與 活塞環(huán)組成一對(duì)摩擦副，處在高溫高壓及化學(xué)腐蝕的惡劣條件下

22、，要求氣缸套具有較高 的強(qiáng)度和良好的耐磨性及抗擦傷性。16V240ZJC 型柴油機(jī)氣缸套 （材料為硼合金鑄鐵 ）重量約 89kg（帶水套 ），當(dāng)活塞在缸 套內(nèi)工作時(shí)，第一道氣環(huán)最高行程位置為上止點(diǎn)， 此點(diǎn)在距缸套頂端 48rnm 處，溫度高， 燃?xì)獗l(fā)壓力大，所以最大磨損部位在上止點(diǎn)下約 10mm 處，按檢修規(guī)范，當(dāng)內(nèi)徑超差 0.20 0.30mm，缸套即應(yīng)報(bào)廢 （習(xí)慣上稱段磨 ）。發(fā)動(dòng)機(jī)大修里程標(biāo)志著它的使用壽命， 所以使用更先進(jìn)的激光強(qiáng)化技術(shù)來提高氣缸套的耐磨性和抗擦傷性， 從而大大延長其使 用壽命，具有必要性和迫切性。221 激光淬火提高柴油機(jī)缸套的硬度16V240ZJC型柴油機(jī)氣缸套材

23、料為硼合金鑄鐵，利用激光淬火處理，其表層顯 微硬度可平均提高三倍以上 （ 與基體硬度相比 ） 。經(jīng)激光硬化、軟氮化、氣體滲氮處理后 的缸套硬度梯度測(cè)量數(shù)據(jù)示于下表 4。離表面距離， mm表面0.020.040.090.140.190.240.290.340.390.440.49軟氮化762511419392363289-氣體滲氮853778687510412378351287-激光硬化946916891878874751698570462465395268表 4 不同熱處理工藝的缸套硬度梯度測(cè)量數(shù)據(jù)比較國產(chǎn)缸套經(jīng)激光處理后，其硬化帶的表面硬度 HV946、 硬化帶深度 0.48ram 、硬化帶

24、寬 度 2.95mm。缸套經(jīng)激光硬化、 軟氮化、 氣體滲氮三種不同工藝處理后的硬度硬度下降是山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）很緩慢的。1、影響硬度的因素硬度是固體材料抗拒永久形變的特性 , 抗力越大，硬度越高，所以硬度是材料的一 種重要的機(jī)械性能。硬度值既取決于材料的本性，也與測(cè)試方法有直接關(guān)系。硬度測(cè)試 方法不同 （壓頭形狀及尺寸、載荷大小及加載方式的不同 ） ，其反應(yīng)的硬度值也不同。常 用的硬度試驗(yàn)方法有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度等，在激光硬化工藝的 硬度試驗(yàn)中，常用顯微硬度法來檢測(cè)激光硬化后材料的硬度。激光硬化的層深較淺，因 而用顯微硬度法測(cè)定硬度是較為合適的。所以，顯微硬度是研

25、究激光硬化工藝及激光硬 化后材料性能的一個(gè)有力工具。據(jù)有關(guān)研究，對(duì)材料為兩種成分的Cr-Mo-Cu 合金，用 CO?激光器對(duì)其進(jìn)行激光表面處理，主要處理參數(shù)為：功率密度為1000W cm2，掃描速度分別為 240和 800mmmin。圖 4 所示出兩種合金鑄鐵區(qū)硬度變化曲線。可見，經(jīng)激光處理后，兩種材料的表層 都能獲得極高的硬度 （1號(hào)合金尤為顯著）。雖然2號(hào)合金的含 C量比l 號(hào)合金的高，但 由于 1 號(hào)合金的合金元素特別是 Cr 的含量比 2 號(hào)合金的高，所以它的熔化區(qū)硬度、相 變區(qū)硬度和基體硬度均比 2 號(hào)合金的高。合金元素 Cu能促使珠光體細(xì)化和強(qiáng)化； Mo、 Cr 能穩(wěn)定碳化物， 阻

26、止石墨化， 因此加入合金元素不僅能提高鑄鐵的硬度， 也能提高淬 硬區(qū)的硬度。有文獻(xiàn)認(rèn)為，對(duì)鋼來說，激光淬火的硬度主要取決于碳含量，其他合金元 素幾乎沒有影響。但對(duì)鑄鐵而言，碳的影響顯得較小，而合金元素的作用較明顯。作者 認(rèn)為，這與碳在材料中的存在形式有關(guān)。在鋼中，碳主要以碳化物形式存在，而在鑄鐵 中，碳除少量形成碳化物 （滲碳體） 外，主要以石墨形式存在，而石墨對(duì)淬硬效果幾乎沒圖 5 兩種合金鑄鐵區(qū)硬度變化曲線孟小偉：激光淬火對(duì)氣缸套壽命的影響激光相變硬化的工藝參數(shù)的選擇對(duì)硬度也有一定影響， 功率對(duì)硬度的影響有隨功率 的增大而下降但不十分明顯。而硬度卻隨掃描速度的加快而提高，但有一定的限度，這

27、 主要是馬氏體過飽和度增加，冷卻速度較快所至。因此，工藝參的選擇得是合理的，才 能使表面硬化層的硬很高。2、激光淬火獲得超高硬度的機(jī)理圖 5 顯示了合金鑄鐵經(jīng)激光相交硬化后不同層深的硬度變化曲線，可見。表面溫度 較高，而且硬化層的硬度大體上由表及里是下降的。表層的高硬度和硬化層至基體的急 劇過度是激光熱處理的一個(gè)顯著特點(diǎn)。在表層，由于加熱快，奧氏體晶粒超細(xì)化，所以 導(dǎo)致變成馬氏體的晶粒也細(xì)化，因而表層的硬度和強(qiáng)度高，又由于高能量密度的激光束 局部加熱及光束與表面的瞬間相互作用所造成的極高的加熱速度和光束移過后極快的 冷卻速度造成了硬化層與基體之間硬度的突降，硬度落差極高。從圖 5 可以看出，合

28、金 鑄鐵經(jīng)激光處理后的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了常規(guī)淬火的硬度。那么激光相變硬化所得超高硬度的機(jī)理是：激光相變硬化處理后，由于激光淬火是 急熱急冷過程，碳在奧氏體中來不及均勻化，因而馬氏體中碳含量較高，硬度也較高。 最明顯的例子是低碳鋼 10 號(hào)鋼，經(jīng)激光淬火后硬度可高達(dá) 700HV，而常規(guī)淬火的低碳馬 氏體硬度只有 380HV441。由于碳擴(kuò)散不均勻，所得的馬氏體更細(xì)。朱捷在研究Crl2鋼的激光相變硬化機(jī)理時(shí)測(cè)得原始組織的晶粒度為 12 級(jí)，激光處理后為 15級(jí)，明顯細(xì) 化。原 Crl2 中馬氏體針長度約 6um，激光淬火后小于 2um，馬氏體明顯細(xì)化。正由于硬 化層組織晶粒明顯細(xì)化，形成隱晶馬氏體組織

29、，而且在板條馬氏體中彌散地分布著自回 火的滲碳體及特殊碳化物粒子，組織中還存在著高密度的纏結(jié)位錯(cuò)和孿晶亞結(jié)構(gòu)。這樣 由于細(xì)晶強(qiáng)化馬氏體相變硬化， 碳化物彌散強(qiáng)化以及高密度纏結(jié)位錯(cuò)和孿晶亞結(jié)構(gòu)的共 同作用，使相變硬化具有很高的硬度。因此可以認(rèn)為，馬氏體中碳含量很高，馬氏體細(xì) 化和很高的位錯(cuò)密度是激光相交硬化能得到超高硬度的原因。3、激光冷卻速度對(duì)硬化層硬度分布的影響從零件的淬火機(jī)理可知，要獲得淬火馬氏體，必須將被淬火零件加熱到相變溫度以 上，然后以大于臨界冷卻速度冷卻。不同的冷卻速度將獲得不同的硬度值，冷卻速度愈 快，獲得的硬度值愈高。就這一點(diǎn)而言，激光淬火與常規(guī)淬火機(jī)理是一樣的。但激光淬 火的

30、冷卻過程與常規(guī)淬火有很大不同，常規(guī)淬火冷卻速度的獲得是通過冷卻介質(zhì)，在淬 火時(shí)，零件表面接觸溫度相對(duì)很低的冷卻介質(zhì)，因而獲得的冷卻速度最快，由表至零件 的中心“導(dǎo)冷”，其冷卻方向是由表至里 （見圖 6） 。因而冷卻速度由表至里存在由快至慢 的下降梯度，因此，表面的硬度值最高，而芯部冷卻速度慢。所以，通常在淬硬層內(nèi)， 從表至里，硬度值由高到低由一個(gè)下降變化梯度。山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 6 常規(guī)淬火的加熱、冷卻方向、溫度、冷卻速度、硬度分布示意圖 激光淬火“冷卻過程”無須冷卻介質(zhì)， 它是依靠零件本身的基體快速導(dǎo)熱而完成的。 激光淬火是將“局部表層”快速加熱到相變溫度以上 （氣 1） ，這一

31、“局部表層”的溫度 分布是不一樣的，表面溫度最高，而里面溫度最低，即從表面至里面存在一個(gè)由高至低 的溫度下降梯度，而冷卻過程 （ 導(dǎo)冷） 可理解為將很高溫度的“局部表層“置于溫度相 對(duì)很低的基體內(nèi) （ 這個(gè)“基體”可理解為導(dǎo)熱系數(shù)很大的固體“冷卻介質(zhì)” ） 。因此，“局 部表層”的里面與“冷卻介質(zhì)”的基體接觸，可獲得最快的冷卻速度，而“局部表層” 的表面冷卻速度最慢 （ 忽略表面與空氣接觸的冷卻影響 ） 。所以從表面到里面，冷卻速 度由低到高存在一個(gè)上升變化梯度。激光淬火的“冷卻方向” （ 導(dǎo)冷）是零件的內(nèi)部向表 面進(jìn)行，它正好與常規(guī)淬火的冷卻速度方向相反 （ 見圖 7）圖 7 激光淬火的加熱

32、、冷卻方向、溫度、冷卻速度、硬度分布示意圖 激光淬火硬化層硬度分布狀態(tài)對(duì)提高零件的耐磨性具有十分重要的價(jià)值， 激光處理 的金屬材料，其金相組織可獲得非常細(xì)化的馬氏體，它對(duì)于提高零件的耐磨性具有重要 意義，這已被大量的試驗(yàn)和實(shí)踐所證實(shí)。 除此之外， 硬化層的硬度分布幾乎無變化梯度， 這對(duì)于提高零件的耐磨損壽命的貢獻(xiàn)更為突出。因?yàn)橛捕戎涤撸湍バ杂?，零件?作壽命愈長。常規(guī)熱處理硬化層的硬度從表面到內(nèi)部由明顯的下降梯度， 表面硬度最高， 耐磨性最好，但隨著零件正常工作時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，表面將逐漸被磨去，其相對(duì)運(yùn)動(dòng)接觸 面的硬度值逐漸隨之而降低，磨損隨之而加劇，最終導(dǎo)致零件因磨損量過大而失效。而 激

33、光淬火的硬化層硬度值一樣，隨著零件正常相對(duì)接觸摩擦運(yùn)動(dòng)，表面雖然被磨去，但 新的相對(duì)運(yùn)動(dòng)接觸面的硬度值并未下降，耐磨性仍然很好，因而不會(huì)發(fā)生磨損隨之逐漸 加劇的現(xiàn)象，大大提高了零件的耐磨損壽命。這就是激光淬火零件的壽命能提高幾倍甚 至幾十倍的重要原因之一。孟小偉：激光淬火對(duì)氣缸套壽命的影響221 激光淬火提高柴油機(jī)缸套的疲勞強(qiáng)度 疲勞是金屬材料在高壓或重復(fù)應(yīng)力作用下，經(jīng)多次循環(huán)而破壞的現(xiàn)象。疲勞和磨損 是金屬材料或機(jī)械零件失效的重要原因。在某些應(yīng)用條件下，金屬材料的疲勞性能顯得 更為重要。根據(jù)金屬材料或零件所受應(yīng)力狀態(tài)和失效形式， 可分為拉壓疲勞、 彎曲疲勞、 旋轉(zhuǎn)疲勞、沖擊疲勞、接觸疲勞、熱

34、疲勞和腐蝕疲勞等。提高材料的疲勞性能的有效方 法是進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。激光硬化是眾多方法中的新方法，激光硬化處理可使金屬材料 的顯微組織明顯細(xì)化，表面硬度提高并具有殘余壓應(yīng)力，因而可有效地提高金屬材料的 疲勞性能。柴油機(jī)工作時(shí)，缸套上端在一個(gè)做功過程中，由于燃燒、膨脹過程瞬間產(chǎn)生 很高的壓力 （從 O1Mpa升至 10Mpa）和溫度 （從 5007000。C升至 170020000。C），使 缸套受到交變的氣體應(yīng)力沖擊和溫度陡變，因而受到較大的交變機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。這 種機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力是不可避免的，是柴油機(jī)正常工作的必然結(jié)果，不可能消除，只能 想方設(shè)法使其降低或均布。激光淬火是利用激光輻照到具

35、有固態(tài)相變的金屬表面， 使金屬表面溫度在百分之幾 秒到十分之幾秒內(nèi)上升到淬火溫度。 當(dāng)激光離去后，利用金屬本身熱傳導(dǎo)而發(fā)生 “自淬”， 使金屬表面發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。激光淬火的熱影響區(qū)一般可分為熔化區(qū)、相變硬化區(qū)、過渡區(qū)、高溫回火軟化區(qū)與 基體五個(gè)區(qū)，當(dāng)金屬表面發(fā)生熔化時(shí)，就會(huì)使表面粗糙度增大，并可能產(chǎn)生晶粒粗大和 表面拉應(yīng)力、涂層材料也會(huì)滲入金屬表層，從而影響材料的機(jī)械性能。由于激光淬火過 程是在高度受扼的狀態(tài)下形成，這種馬氏體實(shí)質(zhì)上是一種形變馬氏體，其表現(xiàn)為片狀和 板條狀馬氏體組織的混合結(jié)構(gòu)。 馬氏體晶粒十分細(xì)化， 具有比常規(guī)淬火更高的缺陷密度。 由于冷卻速度達(dá) 104 109Cs，碳原子來不

36、及擴(kuò)散，因此，馬氏體含碳量較高。與此同 時(shí)，殘余奧氏體獲得極高的位錯(cuò)密度，可達(dá) 1012 條 cm2數(shù)量級(jí)。這形成的極高位錯(cuò)密 度和晶格缺陷會(huì)阻礙疲勞源的萌生與裂紋的擴(kuò)展，從而改善了材料的抗疲勞性能。223 激光淬火提高柴油機(jī)缸套的耐磨性1、影響內(nèi)燃機(jī)缸套耐磨性的因素 內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，由于活塞的側(cè)壓力及高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使氣缸壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦，從 而引起磨損，缸套與活塞組件的摩擦系統(tǒng)的要素包含有缸套、活塞環(huán)、空氣濾清器、機(jī) 油、氣流等，而這些要素的性質(zhì)包含有氣缸套和活塞組件的宏觀幾何特性、材料特性、 機(jī)油性質(zhì)等。 氣缸的異常磨損主要有磨料磨損、 粘著磨損及腐蝕磨損， 以磨料磨損為主。 影響內(nèi)燃機(jī)氣缸

37、套磨損的因素很多，且錯(cuò)綜復(fù)雜。2、合金鑄鐵缸套激光處理后耐磨性提高的機(jī)理 缸套材料不同，提高耐磨性的機(jī)理也有所不同，硼合金鑄鐵經(jīng)激光淬火后，硬化帶 之間形成良好的儲(chǔ)油區(qū)，并將分散在硼合金鑄鐵微凹部的潤滑油集中在該區(qū)。從而使得 活塞環(huán)經(jīng)充分潤滑后通過硬化帶時(shí)，更能經(jīng)受硬微粒的磨損，即提高了耐磨性。10山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）硼合金鑄鐵中 Fe2B屬極穩(wěn)定的金屬間化合物， 硬而脆，硬度達(dá) 1290 1680HV，F(xiàn)e3（CB） 和 Fe3（PB） 的硬度及穩(wěn)定性較相應(yīng)的不含硼的化合物都有提高。磨損過程中，較軟的基 體先受到磨損而下凹，硬質(zhì)點(diǎn)相硼化物作為第一滑動(dòng)面起支撐和骨架作用，從而減輕了 基

38、體的磨損。另外硼作用于鐵水的結(jié)晶過程可使初生晶粒大大細(xì)化，且降 低了枝晶偏 析和區(qū)域偏析。硼還是強(qiáng)烈阻止石墨化的元素，故硼合金鑄鐵中的石墨較 灰鑄鐵中 的石墨尺寸小，分布更加均勻。當(dāng)硼偏聚于晶界時(shí)，傾向于在位錯(cuò)胞中形成原子集團(tuán)或 微細(xì)沉淀物，對(duì)位錯(cuò)強(qiáng)烈釘扎，限制其運(yùn)動(dòng)，故可強(qiáng)化晶界，阻止裂紋形成與擴(kuò)展?？?見，硼還可使鑄鐵基體組織更加細(xì)小均勻，改善了組織的強(qiáng)度的硼化物與石墨片，二者 尺寸的減小，可削弱它們對(duì)耐磨性的不利影響，使其對(duì)耐磨性有利的方面得到充分的發(fā) 揮。前者避免了大塊硼化物從基體上脫落而成為硬磨粒的傾向，后者則削弱了石墨對(duì)基 體的割裂作用，減小了石墨尖端的應(yīng)力集中。另外，摩擦過程中部

39、分殘留奧氏體誘發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，將會(huì)發(fā)生較大的塑性變形， 且多發(fā)生于裂紋前沿的塑性區(qū)，從而使裂紋前沿的應(yīng)力得到松弛，提高了裂紋的擴(kuò)展抗 力。我們還知道奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過程中體積會(huì)膨脹，這樣轉(zhuǎn)變區(qū)中相鄰的馬氏體 間會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，將使磨損表面由于激光淬火形成的熱應(yīng)力 （ 常呈拉應(yīng)力狀態(tài) ） 減小，改 善了表面應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)裂紋的萌生與擴(kuò)展均有抑制作用。熔凝層與固態(tài)相變層交界處， 殘留奧氏體及轉(zhuǎn)變的馬氏體含量最多，耐磨性也出現(xiàn)峰值，這是殘留奧氏體轉(zhuǎn)變對(duì)耐磨 性的貢獻(xiàn)。另外，磨面的顯微組織進(jìn)一步細(xì)化也說明磨損過程中，組織具有硬化行為。 因此，硼合金鑄鐵激光淬火后耐磨性顯著提高。 224 激光淬火改變柴

40、油機(jī)缸套的組織結(jié)構(gòu)光硬化是利用激光來對(duì)鋼、鑄鐵和有色金屬等金屬材料進(jìn)行輻照，使金屬材料表面 發(fā)生熔化凝固，相變和受沖擊產(chǎn)生塑性變形而達(dá)到硬化目的表面改性過程。激光對(duì)鋼和 鑄鐵的硬化機(jī)制除熔化凝固和相變硬化外，還有晶粒細(xì)化和位錯(cuò)密度增加等。激光硬化 后在金屬材料的硬化區(qū)組織中具有和常規(guī)處理相同的組織結(jié)構(gòu)和組成相， 如在鋼和鑄鐵 中同樣具有萊氏體、 馬氏體、滲碳體（碳化物） 、鐵素體和殘余奧氏體系。 但激光硬化后， 由于快速加熱，快速冷卻的作用，致使鋼和鑄鐵的激光硬化組織非常不均勻，它包含奧 氏體的不均勻性、珠光體、滲碳體以及奧氏體中碳含量的不均勻性。亞共析鋼和過共析 鋼中的不均勻性導(dǎo)致保留鋼中的

41、先共析相， 即亞共析鋼中的鐵素體和過共析鋼中的滲碳 體，在同樣冷卻速度條件下，奧氏體中碳含量的不均勻性將導(dǎo)致其低碳部分形成鐵素體 一滲碳體組織，其高碳部分都可生成馬氏體組織。同時(shí)，激光硬化過程中韻極大冷卻速 度使金屬材料的組織中具有大量缺陷，因而加強(qiáng)了加工硬化，緩慢了再結(jié)晶過程，并且 繼承了奧氏體相中的缺陷，從而細(xì)化了亞結(jié)構(gòu)，提高了位錯(cuò)密度，晶格中的應(yīng)力也增加 了。這樣獲得了馬氏體和奧氏體晶粒度比常規(guī)處理的要細(xì)得多。同時(shí)，晶格中發(fā)生的這 些變化不僅在鐵合金中發(fā)生， 由于有較大的溫度梯度， 在有色金屬和純金屬中也會(huì)發(fā)生。由于激光加熱受溫度梯度的影響，使金屬材料從表面至內(nèi)部的溫度由高至低各不相11

42、孟小偉：激光淬火對(duì)氣缸套壽命的影響同，合金鑄鐵經(jīng)激光處理后，其顯微組織發(fā)生了極大的變化。激光處理前其顯微組織為 細(xì)片狀珠光體基體上分布著中、細(xì)片狀石墨，此外，還有少量的磷共晶和碳化物，激光 處理后，硬化層由熔化區(qū)和相變區(qū)組成 （ 硬化層為平頂月牙形的白亮區(qū) ） ，硬化層下部為 基體組織。熔化區(qū)：當(dāng)激光照射材料表面時(shí)，此層金屬迅速加熱被熔化，原始組織中的石墨和 磷共晶全部溶解。由于液態(tài)下原子擴(kuò)散很快，碳濃度比較均勻。迅速凝固后為極細(xì)小萊 氏體組織，結(jié)晶方向大致與溫度梯度方向相同。 ，對(duì)于合金鑄鐵材料這種萊氏體是滲碳 體和片狀馬氏體的混合物，而不是一般白口鐵中的滲碳體和珠光體的混合物。相變區(qū)：由于

43、該區(qū)受熔化區(qū)的熱影響，加熱速度極快，因此存在極大的過熱度，導(dǎo) 致奧氏體形核率極高，由于加熱速度快，在相變點(diǎn)以上溫度停留的時(shí)間極短，使奧氏體 來不及長大與均勻化，最終形成不均勻的細(xì)晶組織，在隨后的快速冷卻過程中，形成了 細(xì)針狀馬氏體 +石墨懈共晶。但在接近熔化區(qū)部位，由于溫度接近鑄鐵的熔點(diǎn)，原始組 織中的石墨大部分溶入周圍基體中，使碳含量急劇上升，出現(xiàn)明顯的高磷針狀馬氏體和 大量殘余奧氏體，該區(qū)的這種高碳馬氏體對(duì)提高材料表面硬度和耐磨性是有重要作用 的。同時(shí)在快速加熱、高速冷卻過程中，激光淬火還造成金屬材料位錯(cuò)密度急劇增加的 現(xiàn)象，從而進(jìn)一步提高硬度和耐磨性。結(jié)論氣缸套是船舶柴油機(jī)的核心部件之一，在節(jié)約能源和提倡環(huán)保的今天，發(fā)達(dá)國家 都?xì)飧滋變?nèi)壁以不同角度如改進(jìn)材質(zhì)、表面強(qiáng)化、提高加工精度、降低表面粗糙度等方 面進(jìn)行了各種各樣的處理。本文從產(chǎn)品 16V240ZJ 柴油機(jī)氣缸套的技術(shù)要求出發(fā)，重點(diǎn)研究了柴油機(jī)缸套的激 光強(qiáng)化技術(shù)，探討了工藝參數(shù)對(duì)強(qiáng)化層硬度和深度的影響，并對(duì)強(qiáng)化層的組織和強(qiáng)化機(jī)12山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）理進(jìn)行了分析。通過以上系統(tǒng)的研究，得到如下結(jié)論：1建立了合金鑄鐵缸套激光淬火溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值模擬分析確定出激 光