柱塞泵推力盘激光表面强化

1、南华大学机械工程学院毕业设计（论文）1 绪论机械零件的失效一直以来都是影响机械使用寿命的罪魁祸首。零件失效可能由于：断裂或塑形变形、过大的弹性变形、工作表面的过度摩擦或损伤、发生强烈的振动、连接的松弛、摩擦传动的打滑等。但大部分是直接或间接地由于零件表面耐磨、耐蚀性极低造成的，在一般情况下，不耐磨零件所占比重更大。已具有整体综合性能的零件，只要在其所需的局部部位施以适当的表面强化处理，提高其耐磨性和耐蚀性，就能显著延长其使用时间。这样，由于使用寿命的增加，而提高了技术经济效益，从而进一步促进了各种表面强化技术的发展，新发展的高能密度表面强化技术更引人注目。高能密度表面强化，是在材料的表面施加极

2、高的能量，使之发生物理、化学变化，以达到强化的目的，其特点是，工序比较简单、过程非常迅速、零件变形较小、生产效率高。激光表面强化是高能密度表面强化技术中的一种主要手段。在一些特定情况下它具有传统表面强化技术或其它高能密度表面强化技术不能或不易达到的特点，这使得激光表面强化技术在表面强化领域内占据了一定的席位。1.1 激光表面强化工艺简介1.1.1 激光表面强化工艺原理激光表面强化是快速表面局部淬火工艺的一种高新技术。这种方法主要用于强化零件的表面，可以提高材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能；同时可以使零件心部仍保持较好的韧性，使零件的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强

3、度高的特点。激光硬化可以大幅度提高产品质量，成倍地延长产品的使用寿命，具有显著的经济效益。当激光束照射到材料表面时，激光被材料吸收变为热量，表层材料受热升温。由于功率集中在一个很小的表面上，在很短时间内即把材料加热到高温，使材料发生固相相变、熔化甚至蒸发。当激光束被切断或移开后，材料表面冷速很快（冷速高达104 /s），自然冷却就能实现表面强化。根据激光束与材料表面强化作用的功率密度，作用时间及作用方式的不同，可实现不同类型的激光表面强化。1.1.2 激光表面强化工艺特点与分类1.激光表面强化的特点 （1）激光功率密度大，加热速度快（105109/s）,加热温度高，基体自然冷却速度快（104/

4、s），生产效率高。 （2）表面强化层组织细，硬度高，质量好，表面光洁无氧化，具有高的强度、韧性、耐磨性、耐蚀性。（3）热影响区小、工件变形小。（4）可以局部加热，对形状复杂，非对称几何形状的零件及特殊部位均可进行表面强化处理，如盲孔底部、深孔内壁等。（5）整个过程易实现自动控制。（6）无污染，劳动条件好。2.激光表面强化工艺分类激光表面强化技术见图1.1、图1.2。图1.2表示出激光表面强化方法在激光功率密度和作用时间坐标系中所处的位置，这些过程在很大程度上取决于功率密度和辐照时间。激光表面强化技术也存在一些问题，如对反射率高的材料要进行防反射处理，不适宜一次进行大面积处理，激光本身是转换率较

5、低的能源，激光设备价格较高等等。因此，采用激光表面强化技术时，要选择适当的零件、材料和工艺，充分利用其优点，使之成为高效率、高经济效益的方法。图1.1 激光表面强化技术的分类图1.2 激光表面强化方法与功率密度及作用时间的关系1.1.3 激光表面相变硬化（激光淬火）激光淬火是金属材料在固态下经受激光辐照，表面被迅速加热到奥氏体化温度以上，并在激光停止辐射后快速自淬火得到马氏体组织的一种工艺方法。激光淬火适用于珠光体灰铁、铁素体灰铁、球墨铸铁、碳钢、合金钢、马氏体型不锈钢、铝合金等。钢铁材料激光淬火比传统热处理的组织更细小，硬度提高15 20，耐磨性明显提高，见表1.2。在mm200型磨损试验机

6、上测定了4种钢材激光淬火试样的耐磨性并与普通热处理试样对比。结果表明，激光淬火试样的耐磨性比淬火+低温回火试样提高50左右，比淬火+高温回火试样提高15倍左右。针盘磨损试验结果表明，sk一5共析钢激光淬火试样比高频表面淬火试样的耐磨性提高1倍。表1.2 激光淬火与传统热处理淬火的耐磨性能比较（磨损体积） mm3钢材激光淬火淬火+低温回火淬火+高温回火450.1050.1612.232t120.0820.13118cr2niwa0.3860.8372.23240crnimoa0.0640.0821.047激光表面硬化与常规的硬化工艺比较，其发展历史很短，但从已取得的效果来看，激光硬化处理工艺是一

7、种具有很多特点的表面硬化处理新工艺。其主要特点有：u 材料表面的高速加热和高速自冷。u 激光硬化处理后的工件表面硬度高，比常规淬火要高520%，可获得极细的硬化层组织。u 由于激光加热速度快，因而热影响区小，淬火应力及变形小。u 可以对形状复杂的零件和不能使用其他常规方法处理的零件局部硬化处理。同时，也可以根据需要在同一零件的不同部位进行不同的激光硬化处理。u 激光硬化工艺周期短，生产效率高，工艺过程易实现计算机控制，自动化程度高，可纳入生产流水线。u 激光硬化靠热量由表及里的传导自冷，无需冷却介质，对环境无污染。主要缺点有：u 激光热处理还只是一种表面处理方法。实现仍必须进行常规的热处理，以

8、获得适当的芯部性能。根据目前的技术设备现状，所处理的层深较薄，尚不能用在重负荷、大零件上。对大型零件处理效率太低。u 激光热处理对零件表面有要求，须进行黑化处理。虽然它对精密图案硬化有利，但增加工序。黑化质量对处理效果的影响尚待注意。u 大功率激光器体积太大，使用及维护也需要特别注意。u 大功率激光器的价格目前还很贵。激光器的电-光能量转换效率太低，目前大功率的co2激光器的效率仅1015%左右。1.2 本课题研究的目的和意义推力盘在柱塞泵上起传递轴向推力的作用，为易磨损零件。这类易磨损零件的频繁更换，导致设备生产效率下降，使用寿命减短，生产成本升高。从而进一步导致整个工厂的经济效益降低。激光

9、表面强化工艺是一种利用高能量密度的激光束对零件表面进行处理，改变其表层的组织或成分，实现表面相变强化或增强性修复的技术。推力盘通过激光表面强化处理，零件表面发生马氏体相变或贝氏体相变，使得新形成的零件表面耐磨性大大提高，硬度也有所增强。通过这种方法，可以有效提升推力盘的使用寿命，提高设备的生产效率，降低其使用成本，对工厂的经济效益产生积极的影响。1.3 国内外研究现状21世纪，是知识大爆炸的世纪，是信息大膨胀的世纪，是现代高新技术飞速发展的世纪。把握时代脉搏，紧跟时代步伐，抓住机遇，迎接更大的挑战，追踪、探索最新科技前沿的动态，掌握最新的科学技术知识，是时代的要求，是人类社会向前发展的要求，也

10、是能在激烈竞争社会中立足于不败之地的要求。现代信息技术、现代生物技术、纳米材料技术、航空航天技术和激光技术，是21世纪世界各国在科技领域竞争的制高点。第一台激光器的诞生至今已40余年，激光科学与技术得到了迅猛地发展及在各个领域中得到了广泛的应用，形成了一些列新的交叉学科。激光加工技术就是利用激光作为热源对材料进行加工，这是从激光出现不就即取得的很大的成就。激光相变硬化技术，自70年代初，美国用于汽车零件以来，受到世界各国的广泛重视。许多国家都开展了这方面的研究和应用。目前，激光相变硬化技术已开始步入生产实用化阶段，并取得了良好的经济效益和社会效益。人们所佩戴的手表中钻石的孔，就是激光打出来的。

11、但是由于初期的激光功率较小，效率也很低，仅能用于电子器件，微型零件的打孔、切割、修整及焊接上。最近，能长时间在工业环境中连续工作的大功率、高效率激光器不断出现，提高了打孔、切割、焊接的能力，扩大了使用规模，且从70年代初期已开始研究试验它在金属表面强化方面的作用。目前，我国及许多国家均进行了大量的实验研究工作。有的已用在生产上，有的正逐步地为实际生产所采用，收到了很大的技术经济效果。它已成为高能粒子束表面强化方法中的一种最主要的手段。激光加工技术一直是国家重点支持和推动应用的一项高新技术，特别是政府强调要振兴制造业，这就给激光加工技术的应用带来了发展机遇。综上所述，激光表面强化技术前景非常光明

12、。1.4本课题的研究内容、研究目标1.本课题拟研究的主要内容如下：1) 分析激光表面淬火各参数对试样性能的影响。激光淬火主要的工艺参数为激光功率、光斑大小、扫描速度，研究参数改变对推力盘零件硬度、淬硬层深度、组织结构所带来的影响。2) 设计可行实验方案、技术路线。3) 对推力盘进行激光表面淬火处理，使零件淬硬区域硬度、淬硬层深度达到要求。4) 对淬火后试样进行硬度测试、淬硬层深度测试并制作金相试样，采用光学显微镜进行金相实验，分析淬火前后零件金相组织形貌特征变化。5) 研究激光表面强化工艺对零件产生的影响。6) 参考相关文献并结合本次设计，对激光表面强化工艺参数关系进行归纳总结。2.本课题的研

13、究目标。1) 制备零件淬火层试样。2) 测试淬硬层硬度，并对试样进行切样。3) 磨制金相试样，采用光学显微镜进行金相实验，并测试淬硬层深度。4) 对比零件淬火前后硬度变化，测试淬硬层深度及分析金相组织形貌特征，研究各激光淬火工艺参数对淬火组织的影响，得出最优激光淬火工艺参数。2 激光表面强化工艺设计推力盘零件如图2.1、图2.2。推力盘为易磨损件，进行激光淬火后，其硬度、以及耐磨性应相应提高。图2.1所示推力盘零件为粗加工制得，零件表面沾附有切削液、油污等杂质，淬火前应对其进行处理。推力盘零件表面孔洞较多，在淬火处理前应用粘土对其进行封孔，以防止淬火时零件孔边界熔融和灼伤工作台。淬火后，零件最

14、大淬硬深度应达到1mm以上，淬硬层表面硬度应达到5556hrc以上，在孔洞边缘，不能出现烧蚀、塌边现象。根据以上要求，编写工艺路线。图2.1 粗加工成形的零件ba图2.2 推力盘零件图2.1 工艺路线试样准备预处理数控加工程序编制工艺参数设计淬火处理硬度检测制备金相试样测量淬硬层深度金相组织检测分析实验结果改变工艺参数设计工业生产不满足性能要求满足性能要求图 2.3 工艺路线图2.2 实验试样的制备1.球墨铸铁的性能推力盘所选用的原材料为球墨铸铁，牌号为qt500-7。球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到的球状石墨，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑形和韧性，从而得到比碳钢还高的强度，其综

15、合性能接近于钢，可以通过热处理和合金化等措施来进一步提高其使用性能。与钢材相比，球墨铸铁有很多优点。比如铸造性能好，成本相对较低等。球墨铸铁一般用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求比较高的零件。球墨铸铁已迅速发展成为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料。2.推力盘制造方法1) 通过铸造方法制造推力盘毛坯。2) 粗车平端面，粗车外圆至132，粗车内圆至38。3) 半精车外圆至130，半精车内圆至36。4) 粗铣宽5深4的圆形槽，粗铣宽13的弧形通孔。5) 钻三个4的通孔。3加工结果如图2.1。2.3 实验前预处理2.3.1 清洗除锈由于推力盘零件粗加工后，其表面附有切削液、油污等杂质。

16、零件放置一段时间后，表面易生产铁锈。在进行激光淬火前首先应对其进行清洗除锈工作，以保证淬火质量和实验的准确性。1首先用细砂纸打磨零件表面，以去除零件表面铁锈。打磨直至铁锈脱落，零件表面光亮为止。2用清水进行初步清洗，去除磨下来的铁锈。3由于粗加工成形后的零件表面有许多孔洞，在进行激光淬火时应避免激光穿过这些孔洞，直接照射到工作台，对工作台造成损伤。本实验中，在零件孔洞中填充粘土，并使粘土表面与零件表面相平，以避免激光直接照射工作台。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着的切削液、油污等杂质。5用清水进行清洗，去除丙酮残留。2.3.2 黑化处理co2激光器的激光照射到金属

17、及合金的表面后，一部分被反射，另一部分被吸收。只有被吸收的那一部分光的能量才起到加热的作用。一般钢铁零件是在精加工后才强化处理的，都很光亮，对co2激光器发出的激光的反射率很高，常高达8595%。所以吸收光束的能力很低，对于激光能量的利用来说是非常不利的，也极不经济的。如被处理零件表面粗糙，无光泽，有氧化层或深颜色时，反射就少，从而吸收的能量就高，被处理的零件必须经过表面预处理（也常称为黑化处理），以提高光束能量的利用效率，这是一道不可少的工序。几种预处理方法简单介绍：1.磷化法。磷化法是将清洗净的零件放在磷酸盐为主的溶液中，浸渍或加温后即可得到磷化膜。可以分为磷酸锰法及磷酸锌法。这种方法的主

18、要优点是处理方法简便，效果好，适合大量生产。磷化膜在激光束扫描照射后，硬化条中间部分带黑亮色，相当于受热800以上经过硬化的区域。在硬化条两边各有一很狭的白色带，相当于受热350以下磷化膜析出部分结晶水的区域。当观察到这种情况时，即可初步判断相变硬化是成功的。磷化膜对零件表面有防腐蚀及减摩的作用，所以很多情况下强化处理后即行装配使用，无需清除。磷化膜有促使摩擦副易于磨合的作用。如需清楚亦较简单。磷化法仅适于低碳、中碳钢及各种铸铁。对于高合金钢如不锈钢等，磷化膜层很薄，效果不好，需采用其他方法。2.炭素法。这个方法中包括炭素墨汁、普通墨汁，以及在炭黑胶体石墨悬浮于一定粘结剂的溶液中，用涂或喷涂的

19、方法施加在零件表面上（表面需清洁）。其特点是适应性强，能涂在任何材料上，还可以在大零件的局部处理处涂敷。吸光效果虽不如磷化，但亦较高。不足之处是不易涂得很均匀，激光照射时，炭要燃烧产生烟雾及刺眼的光亮，所以效果有时候不怎么稳定；有时对材料有一定的增炭效果，有些情况是无害的，有些情况是不容许的。3.油漆法。采用黑色的油漆，特别是光学一起内部用的防反射用的乌光漆效果很好，对激光束有较强的吸收能力。虽然比磷化法差一些但它能适合任何材料，包括高合金钢、不锈钢等难于用磷化法的零件。它和钢铁表面有较强的附着力，又便于涂敷（刷子涂及喷涂都可以），易得到均匀的表面。涂覆层厚度亦较为容易掌握；其吸光效果比较稳定

20、。缺点是照射时有烟雾和气味，不易清除（在激光辐照后，趁热擦抹，可以去除）。4.其他方法。还有一些方法如真空溅射钨、氧化铜等吸收率均非常高的材料，但在正式生产中很少用，意义不大。本次淬火实验采用的预处理方法是在推力盘零件表面涂一层激光诱导深层淬火涂料，牌号为nt-120。涂后放置一段时间，等其自行风干。这种涂料的特点是：对激光的吸收率高，激光照射出仅留有极微量的灼烧灰分痕迹，未照射处一洗即掉，而且使用方便。2.4 数控加工程序编制2.4.1 编程前准备由于零件上有许多孔洞，在进行激光淬火时应避免激光穿过这些孔洞，直接照射到工作台，对工作台造成损伤，当激光扫描到孔洞时，应关闭光闸。以圆心位置为原点

21、，平行工作台运动方向为y轴，垂直工作台运动方向为x轴，垂直工作台表面方向为z轴，建立坐标系1。在加工外圈时，以a点为起始点，坐标为（0，60），激光顺时针扫描。加工到内圈时，通过旋转工作台，使激光对准b点，坐标为（0，-40），以b点为起始点顺时针加工零件。2.4.1 数控程序段编写程序段如下：n10 open prog 1;/打开程序1n20 clear;/准备进入n30 g91;/增量值编程n40 mo3;/打开光闸n50 tm5000;/保持5000毫秒n60 g01 c360;/扫描360n70 f5;/扫描速度5mm/sn80 g01 y1.4;/沿y轴进给1.4n90 tm4000

22、;/保持4000毫秒n100 g01 c360;/扫描360n110 f4;/扫描速度4m/sn120 g01 y1.4;/沿y轴进给1.4n130 tm3000;/保持3000毫秒n140 g01 c360;/扫描360n150 f3;/扫描速度3mm/sn160 g01 y1.4;/沿y轴进给1.4n180 tm2000;/保持2000毫秒n190 g01 c360;/扫描360n200 f2;/扫描速度2mm/sn210 g01 y1.4;/沿y轴进给1.4n220 tm1000;/保持1000毫秒n230 g01 c360;/扫描360n240 f1;/扫描速度1m/sn250 go1

23、 y1.4;/沿y轴进给1.4n260 tm5000;/保持5000毫秒n270 g01 c17;/扫描17n280 f5;/扫描速度5mm/sn290 m04;/关闭光闸n300 g01 c28;/扫描28n310 m03;/打开光闸n320 g01 c2;/扫描2n330 m04;/关闭光闸n340 g01 c28;/扫描28n350 m03;/打开光闸n360 g01 c2;/扫描2n370 m04;/关闭光闸n380 g01 c28;/扫描28n390 m03;/打开光闸n400 g01 c2;/扫描2n410 m04;/关闭光闸n420 g01 c28;/扫描28n430 m03;/

24、打开光闸n440 g01 c2;/扫描2n450 m04;/关闭光闸n460 g01 c28;/扫描28n470 m03;/打开光闸n480 g01 c47;/扫描47n490 m04;/关闭光闸n500 g01 c58;/扫描57n510 m03;/打开光闸n520 g01 c2;/扫描2n530 m04;/关闭光闸n540 g01 c58;/扫描58n550 m03;/打开光闸n560 go1 c15;/扫描15n570 tm5000;/保持5000毫秒n580 c360;/扫描360n590 f5;/扫描速度5mm/sn600 g01 y1.4;/沿y轴进给1.4n610 tm4000;

25、/保持4000毫秒n620 g01 c360;/扫描360n630 f4;/扫描速度4mm/sn640 g01 y1.4/沿y轴进给1.4n650 close;/结束&1b1r/坐标系1指向程序1，开始运行2.5 工艺参数设计淬火实验中，存在三可变工艺参数：激光器输出功率p，光斑大小d及扫描速度v。当其他条件不变时，激光硬化层深度h与p、d、v存在如下关系：hp/(dv) (2-1)工艺参数p、d、v之间可以相互补偿，经适当调整后可以得到相当的硬化深度。能量密度与相关参数的关系式为：=4p/(dv) （2-2）式中为作用于材料表面的激光能量密度，由p、d和v共同决定。激光淬火工艺参数主要是指激

26、光器输出功率p，光斑直径d(两者决定了功率密度)和扫描速度v（决定了激光与工件的作用时间），它们直接影响硬化层的宽度、深度、硬度、组织以及机械性能。激光功率越大，淬硬层深度越深。扫描速度越快，功率密度变小，淬硬层深度变浅。光斑直径越大，功率密度变小，淬硬层深度变浅。本实验对试样采用不同参数来淬火处理以决定最佳工艺参数。2.6 激光淬火处理1工件的安装在机床上加工工件时，必须使工件在机床工作台或夹具上处于某一正确位置，且必须将工价夹牢夹紧。淬火时推力盘零件通过三爪自定心卡盘装夹在数控工作台上。装夹方式如图2.4。2激光淬火处理激光淬火处理在tj-hl-t5000型横流连续波co2激光器上进行（如

27、图2.5）。co2激光器是以co2气体为激活媒质，发射的是中红外波段，波长为10.6m的激光。其最大功率为5000w，能在大功率下长时间连续稳定地工作。整套设备由激光器、光学系统、数控控制系统组成，自动化程度较高。淬火时，采用不同扫描速度、不同光斑大小和不同激光输出功率对试样进行激光淬火工艺参数优化试验，确定最佳工艺参数。激光淬火参数见表2.1。表2.1 激光工艺参数记录序号参 数光斑尺寸（mm2）离焦量（mm）激光功率（w）扫描速度(mm/s)12.45.32010001223344556120017283941051137.4308005121000131200淬火时激光光斑保持不动，通过

28、数控台控制工件匀速旋转转动。以a点为起点，每扫描完一圈，工件随工作台沿y轴正方向进给。当扫描到环形通孔圈时，重新设置一个起点（b点），调整激光光斑位置，使其对准该起点，沿该起点顺时针扫描，扫描到孔洞时，关闭光闸，工件继续转动，当工件转过孔洞时，再打开光闸，继续扫描。图2.4 零件装夹方式图2.5 横流连续波co2激光器2.7 硬度测试2.7.1 表面硬度测试1. th320全洛氏硬度计th320 全洛氏硬度计为集洛氏硬度试验机、表面洛氏硬度试验机、塑料洛氏硬度试验机一体的多功能硬度计，采用洛氏（rockwell）测量原理，可直接进行洛氏硬度测量、表面洛氏硬度测量、塑料洛氏硬度测量，并可以将洛氏

29、硬度值转换为hb、hv、hld、hk、b 值。适用于碳钢、合金钢、铸铁、有色金属及工程塑料等材料的硬度检测，具有测试精度高，测量范围宽，主试验力自动加卸载，测量结果数字显示并自动打印或与外部计算机通讯等特点。 可广泛应用于计量、机械制造、冶金、化工、建材等行业的检测、科研与生产。 2.测试条件：th320全洛氏硬度计；标尺：hrc；金刚石压头：150kgf；保持：5s；恢复：1s。实验数据记录见表2.2表2.2 表面硬度实验数据记录部位序号基材hrc1000whrc800whrc1200whrc5mm/s5mm/s5mm/s5mm/s117.518.760.762.559.758.2218.1

30、19.863.160.7平均值17.819.2561.962.559.759.45由表2.2可以看出，经过淬火处理后的淬硬区域硬度有了较为明显的提高,淬火层表面硬度为基体表面层硬度的3倍左右。淬硬层表面硬度与基材表面硬度对比如图2.6。图2.6 表层硬度对比2.7.2 梯度硬度测试硬度梯度在相关标准中又叫“至芯部硬度降”，即在有效硬化层范围内，自零件表面向芯部的硬度梯度。这一指标既不但反应了有效硬化层内硬度的平缓程度，同时也反应了淬火质量。指标中规定了有效硬化层深度下降0.1mm，硬度下降应小于45hv。在梯度硬度测试中，硬化层每磨去0.1mm，用洛氏硬度计测试3点硬度值，取3点硬度平均值为该

31、层硬度值。直至出现基材层为止。由于实验室条件有限，梯度硬度测试在该部分略去。2.8 零件切样激光淬火零件淬硬层深也是评定激光工艺参数的一个重要指标。为了测量淬硬层深度，必须对淬火试样进行切割。切割所使用的仪器为：往复走丝电火花线切割机。型号：dk7725。2.8.1 电火花线切割简介电火花线切割加工是利用移动的细金属丝作工具电极，按照预定的轨迹进行脉冲放电切割。我国普遍采用高速走丝线切割。高速走丝时，线电极是直径为0.020.3的高强度钼丝。钼丝往返运动的速度为810m/s。工作时，脉冲电源的一极接工件，另一极接缠绕金属丝的贮丝筒。钼丝先穿过工件上预加工的工艺小孔，再经导轮由贮丝筒带动做正、反

32、方向的往复移动。工作台在水平面两个坐标方向按各自预定的控制程序，根据放电间隙状态做伺服进给移动，合成各种曲线轨迹，把工件切割成形。与此同时，工作液不断喷注在工件与钼丝之间，起绝缘、冷却和冲走屑末的作用。线切割时，电极丝不断移动，其损耗很小，因而加工精度较高。其平均加工精度可达0.01mm。表面粗糙度ra值可达1.6m或更小。2.8.2 装夹方式及切割参数1.装夹方式如图2.7。六角螺帽工作台夹具零件图2.7 线切割零件装夹方式2.电火花线切割参数淬火组织一共切割9组试样，试样大小为：710mm2。线切割电流为：5a；脉宽为：1m；脉冲间隔比为：6；线切割采用快速走丝（10m/s）。2.9 淬硬

33、层深度检测线切割过程中要使用电介液，切割完的试样表面沾有电介液，在进行淬硬层深度检测前应对试样进行清洗，以去除试样表面电介液。淬硬层深度直接反应激光淬火工艺参数的优劣，它与激光功率、光斑大小、扫描速度都有直接关系。通过分析淬硬层深度可以得出一系列结论，对激光淬火工艺参数进行优化。测试数据记录如表2.3。表2.3 淬硬层深度测量数据参数试样光斑mm2功率w扫描速度mm/s淬硬层深度mm号试样2.45.3100050.5号试样37.480050.3号试样2.45.3100040.6号试样37.4100050.3号试样2.45.3100030.8号试样37.4120050.3号试样2.45.3100

34、021.2号试样2.45.3120050.6号试样2.45.3120040.72.10 金相实验2.10.1 制备金相试样制备金相试样步骤如下：1.粗磨。用600目粗砂纸将金属试样待观察面制成平面，再用1000目粗砂纸磨制，得到平整磨面为止。2.冲洗。清水洗净并用吹风机吹干。3细磨。清除粗磨后的磨痕，得到平整而光滑的磨面。依次在由粗到细的五种不同粒度的砂纸上把磨面磨光（分别为1号、2号、3号、4号、5号砂纸）。方法：将砂纸放在玻璃板上，左手按住砂纸，右手握住试样，并使磨面朝下，均匀用力沿直线向前推行，返回时试样要离开砂纸，如此反复，直至磨面上的磨痕被去掉，新的磨痕均匀一致时为止，每换一种砂纸，

35、试样的磨制方向转动90，即与上一道磨痕方向垂直。4冲洗。清水洗净。5抛光。去除细磨时留下的细微磨痕和变形层，是靠极细抛光粉末与磨面间产生相对摩擦和滚压作用来消除磨痕，使其成为光滑的镜面。抛光时应在抛光盘上不断滴注抛光液，抛光液采用cr203细粉末在水中的悬浮液。6冲洗。清水洗净。7浸蚀。浸蚀剂为35%硝酸酒精溶液。方法：将试样磨面浸入浸蚀剂中，或用棉花沾上浸蚀剂擦拭表面。时间要适当，一般磨面发暗时就可停止，如浸蚀不足可重复浸蚀；如浸蚀国度，则需重新抛光后，再来一次。8冲洗。先用清水冲洗，再用酒精冲洗。9吹干。用吹风机吹干试样或用棉球擦干后即可进行观察。2.10.2 金相组织检测1.本论文采用采

36、用光学显微镜对金相试样进行显微组织的特征及形貌观察。光学显微镜工作原理：一般都是用一个放大倍数适中的目镜（10）和最低倍的物镜开始观察，逐步改用倍数较高的物镜，从中找到符合实验要求的放大倍数。转换物镜时，先用低倍镜观察，调节到正确的工作距离（成像最清晰）。如果进一步使用高倍物镜观察，应在转换高倍物镜之前，把物像中需要放大观察的部分移至视野中央（将低倍物镜转换成高倍物镜观察时，视野中的物像范围缩小了很多）。低倍物镜和高倍物镜基本齐焦（同高调焦），在用低倍物镜观察清晰时，换高倍物镜应可以见到物像，但物像不一定很清晰，可以转动细准焦螺旋进行调节。 通常认为，使用任何一个物镜时，有效放大倍数的上限是1

37、000乘它的数值孔径，下限是250乘它的数值孔径。如40物镜的数值孔径是0.65，则上、下限分别为：10000.65=650倍和2500.65163倍，超过有效放大倍数上限的叫做无效放大，不能提高观察效果。低于下限的放大倍数则人眼无法分辨，不利于观察。一般最实用的放大倍数范围是500700乘数值孔径之间的数字。图2.8为金相显微镜结构示意图。图2.8 金相显微镜结构示意图 本实验采用型号为奥林巴斯 gx251金相显微镜进行观察，观察倍数依次为：50、100、200和500。观察视野选择条件为：无划痕、无污垢、无脏污；组织形貌能代表试样整体，不选有缺陷（缩孔、缩松等）的地方。低倍时，观察晶粒的外

38、形、尺寸。高倍时，先观察晶界上的析出物分布、数量及形态，再观察晶界附近的析出物分布、数量及形态，最后观察晶内的析出物分布、数量及形态。2.拍摄金相照片。拍摄仪器为nikon e4500相机。拍摄组织如图2.9、2.10、2.11。淬火条件为：光斑大小d=2.45.3mm2，激光功率p=1000w,扫描速度v=3mm/s。图2.9 淬火层组织（50倍） 图2.10 熔融淬硬层组织（500倍）由图2.9可以看出，经过激光表面淬火后，淬火组织呈现月牙状，其原因是激光能量比较集中，激光中心处零件获得能量较多，热影响区较深，月牙形边缘能量来源为光斑中心处的热传递，能量较少，热影响区比较浅。综合以上原因导

39、致了淬硬层呈现月牙形。淬硬区域明显分为三层，第一层为熔融淬硬层，团状球墨很少见，甚至完全溶解。第二层为深度淬硬层，团状球墨有一部分发生溶解，剩下的球墨团均匀分布在组织中。第三层为基体组织，石墨团呈球状均匀分布在组织中。图2.10为熔融淬硬层组织，该部分组织发生了马氏体转变，转变程度较深度淬硬层完全。组织为板条状马氏体夹杂极少量的团状石墨，组织中马氏体相互之间平行分布。图2.11 基体组织（500倍）3结果分析铸铁材料经过激光表面处理后，可以得到硬度很高，晶粒组织非常细的表层，并且和基体紧密地形成冶金结合。虽未经回火，大多数情况亦不表现脆性现象，这样能使得它的各种性能（包括物理、化学及机械性能）

40、都可得到改善。其中特别是硬度提高较为明显。下面分别就硬度、淬硬层深度和金相组织形貌加以介绍。3.1硬度分析淬火实验中，光斑形状为椭圆形，长短轴分别为5.3mm、2.4mm和7.4mm、3mm，长轴平行于激光扫描方向，等效光斑直径d为13.85mm和25.2mm。实验取p、v、d三个可变因子。按表2.1记录工艺参数对样品进行扫描，随后测定淬硬层洛氏硬度和硬化层形状尺寸。结果发现，样品的表层硬度最高可达到63.1hrc，对应较高硬度样品的激光能量密度在3979j/mm2之间。图3.1给出了扫描速度v=5mm/s时，用三种不同功率扫描时，淬火层硬度分布直方图。图3.1 硬度分布直方图从图3.1可以看

41、出：使用不同功率的激光扫描，淬硬层的洛氏硬度起伏不大，这表明激光功率大小的变化不会对表面硬度产生很大影响，这说明表面硬度主要取决于材料本身的含碳量和原始状态，而对单项激光工艺参数的变化并不十分敏感。相对而言，改变扫描速度对淬硬层表面硬度影响更大，这说明表面硬度对扫描速度变化的敏感性略大一些。这是因为于常规表面淬火相比，在扫描速度v一定的条件下，激光表面淬火激光功率的大小只影响到加热的速度。激光表面淬火处理后的硬度主要是取决于材料的含碳量，而快速加热和冷却只是起到加强细晶强化的作用，从而对硬度产生一定的影响，但是这种影响并不大。扫描速度对表面硬度之所以影响大，是因为在激光功率不变的条件下，扫描速

42、度越慢，能量密度也就越大。这里存在一个温度临界点的问题。当能量密度大，扫描区吸收的能量相应较多，可以达到完全淬火温度，奥氏体化能够充分进行，其表面硬度会得到提高；反之，扫描速度越快，能量密度就越低，扫描区吸收的能量相应较少，达不到完全淬火温度，奥氏体化不能充分进行，故其硬度较低。但是需要注意的是，并不是扫描速度越慢越好。扫描速度过慢，加热时间过长，过高的能量密度会使表面熔融及回火，组织也会变得粗大。在功率不变的条件下，合适的扫描速度其数值一个区间，扫描速度低于这个区间，材料无法完全淬火；高于这个区间，材料又会发生表面熔融及回火；只有在这个区间内，材料可以完全淬火，奥氏体化可以充分进行。前文所说

43、的扫描速度对淬硬层硬度影响大，也是扫描速度在这个区间而言的。3.2淬硬层深度分析根据表2.3的测量的数据，可分为以下三种情况讨论。1.当光斑大小改变，激光功率与扫描速度不变时。此时淬硬层深度与光斑大小的关系如图3.2所示。由图可以看出，当激光功率和扫描速度不变时，淬硬深度随光斑大小增大而变浅。由关系式=4p/(dv)可以看出，在p、v不变的条件下，能量密度与光斑大小d成反比。p一定时，面积越大，单位面积上吸收的能量越少；面积越小，单位面积上吸收的能量越多，故热影响能够向更深层传输，得到的淬硬层越深。图3.2 硬化层深度与光斑大小的关系a：激光功率为1000w，扫描速度为5mm/sb:激光功率为

44、1200w，扫描速度为5mm/s2.当激光功率改变，光斑大小与扫描速度不变时。此时淬硬层深度与激光功率的影响关系如图3.3所示。图3.3 淬硬层深度与激光功率的影响关系a:光斑大小为2.45.3，扫描速度为5mm/sb：光斑大小为37.4，扫描速度为5mm/s由上图可以看出，淬硬层深度随激光功率增大而变深。在光斑大小、扫描速度不变的条件下，激光功率越大，淬硬层深度越深。这是因为激光功率越大，能量密度=4p/(dv)也相应越大，单位面积吸收的能量越多，使得表面温度进一步提高，热影响能够向更深层传输，试样内温度场中超过临界转变温度的范围扩大，即发生马氏体转变的区域增加，所以得到的淬硬层也就越深。3

45、.当扫描速度改变，光斑大小和激光功率为不变时。淬硬层深度与与扫描速度的关系如图3.4所示。由图可以看出，淬硬层深度随扫描速度增大而变浅。在光斑大小和激光功率不变的条件下，扫描速度越慢，淬硬层深度越深。这是因为扫描速度越快，单位面积加热时间减少，能量密度=4p/(dv)越低，金属表层上吸收的能量越少，热影响不能够向更深层传输，所以得到的淬硬层也就越浅。图3.4 淬硬层深度与与扫描速度3.3 金相组织分析3.3.1 显微组织分析球墨铸铁的显微组织是由基体和球状石墨组成的，铸态下的基体有铁素体、铁素体加珠光体、珠光体这三中形式，其中淬火实验中所用球墨铸铁基体原始组织为铁素体加珠光体。从图3.5可以看

46、出，组织中的球墨铸铁呈团状分布，颗粒较大，排列比较紧凑。图3.6为经过激光淬火（光斑大小d=2.45.3mm2，激光功率p=1000w,扫描速度v=3mm/s）后的组织，从图3.6的底部往上面观察，淬硬区域一共分为三层，第一层为熔融淬硬层，第二层为深度淬硬层，最后为基体组织。其中熔融淬硬层温度较高，团状球墨基本上完全溶解，晶粒细化比较完全。而深度淬硬层受表面热传递的影响，反应温度较表面温度低。团状石墨没有完全溶解，但团状石墨数量较基体组织明显减少，其组织为马氏体与球墨铸铁混合组成。随着淬硬层深度的增加，在靠近铸铁冷基体的热影响区，由于温度较低，反应不充分，球状石墨溶解量小，碳的扩散距离短，团状

47、球墨颗粒大并且数量多。图3.5 球墨铸铁基体组织（500倍） 图3.6 淬火后组织（50倍）图3.7 熔融淬硬层组织(500倍)图3.7为淬火完全区域，在这个区域内，球状石墨数目很少，甚至完全溶解。组织转变为板条状马氏体，晶粒较细。其每个单元的形状为窄而细长的板条，并且许多板条总是成群地相互平行地聚在一起。而在熔融淬硬层与深度淬硬层相交部位，由于温度降低，团状石墨溶解不完全，还有少许石墨团存在，晶粒也较完全淬火区域粗。3.3.2 组织变化对零件力学性能的影响激光相变硬化时，激光与材料的相互作用可根据激光辐照作用的强度和持续时间分为几个阶段：把激光辐照引向材料；吸收激光能量并把光能传给材料；光能

48、转变为热能，加热材料达到快速加热、快速冷却、熔化材料的目的，并且不引起材料表面的破坏；材料在激光辐照后的相变或融化凝固或冲击产生晶格畸及位错。激光热处理加热速度快，使材料表面迅速达到奥氏体化温度，使得扩散均匀化来不及进行，原有材料中珠光体组织通过无扩散转化为奥氏体组织。在随后通过自身热传递而快速冷却，奥氏体组织通过无扩散过程转化为马氏体。由于是快速冷却，使ms线升高，使得我们试验中得到的马氏体组织含量较常规热处理的多，不同的微观区域内马氏体形成温度有很大的差异，这也导致了细小马氏体组织的形成，同时组织细化，这是由于激光超快速加热条件下，过热度大，造成相变驱动力(g)大，奥氏体形核数目剧增，它既

49、可以在原晶界和亚晶界上形核，也可以在相界面和其它晶体缺陷处成核。而在快速加热的瞬间奥氏体化使晶粒来不及长大。在马氏体转变时，必然转变为细小的马氏体组织。研究表明，激光相变硬化处理后可获得直径为2m的超细晶粒。激光处理加热速度快，易使金属表面过热，随后冷速亦快，残留奥氏体量增加，碳来不及扩散，使得奥氏体中碳量增加，随着奥氏体向马氏体转变，得到高碳马氏体，提高了硬度。而淬硬层中的马氏体组织为板条马氏体，其中位错密度极高，可达10111012条/cm2，比常规淬火提高至少两个数量级，并且残余奥氏体中存在大量的位错塞积群。马氏体在高度受扼的状态下形成，因此形成了本质上是变形马氏体的淬硬组织。因此，晶粒

50、超细化，高的马氏体含量，马氏体高位错密度和高的固溶含碳量是材料经激光热处理后获得超高表面硬度的主要原因。零件在激光辐照下发生超快速加热相变和快速熔凝。激光加热相变完成时间很短，同时加热区的温度梯度很大，因而金属材料中碳化物的溶解和溶入奥氏体中的碳以及合金元素扩散再分布的情况，在激光加热区不同部位之间有很大的差异，即导致奥氏体成分的不均匀性。激光快速加热相变的极大过热度造成相变驱动力很大，使奥氏体的形核数目增多，短时间内完成相变又使得相变形核的临界半径很小，既可在原晶界的亚晶界形核，也可在相界面其他晶体缺陷处形核。同时，瞬间加热后的急冷使得超细晶奥氏体来不及长大，因而激光相变的产物必将获得超细的

51、晶粒度和相变组织。激光相变硬化后的马氏体组织形态一般为极细的板条马氏体和孪晶马氏体。其中，板条马氏体比常规热处理的多，这种组织中的位错密度相当高，且随着功率密度的增加，平均错位密度也增加，板条马氏体为位错胞状亚结构。同样由于快热快冷的原因，使得激光硬化后的残余奥氏体量增加，碳在奥氏体中的含量由于来不及扩散而滞留，随着奥氏体向马氏体的转变，获得高碳马氏体，提高了硬度和耐磨性。3.4 结论本课题对推力盘激光表面强化从表面淬火工艺、常规性能、微观组织进行了系统性的研究，在此研究基础上，得出了以下结论：1.球墨铸铁经激光淬火后，显微组织可以划分为均匀相变区，过渡区和基体区3个部分。均匀相变区主要由均匀

52、板条状马氏体组织构成，晶粒较细，过渡区由粗大马氏体和未熔的球墨混合组成，基体区为球墨和铁素体。在本试验条件下，其硬化层深度大致在0.31.2mm之间。淬硬区域表面硬度可提高到基体硬度的3倍左右。2.改变激光功率、扫描速度或光斑大小对硬化层深有明显影响。而激光功率变化所带来的影响更大。因此，硬化层深对激光功率变化的敏感性大于对扫描速度变化的敏感性。但激光功率也不能无限增大，激光功率如果超过某一值时，试件表面将发生重熔。由于硬度主要取决与材料的含碳量，因此，仅改变激光功率。光斑大小或扫描速度对表面硬度的影响不是很显著，即单项激光工艺参数的变化不会使表面硬度产生大幅度变化。相对而言，表面硬度对扫描速

53、度变化的敏感性略大一些。根据上述研究表明，提高激光功率、降低扫描速度、或缩小光斑大小可显著增加层深，而加快扫描速度则有利于获得稍高的表面硬度，还可以防止表面烧熔。因此，采用高功率、小光斑、快速扫描是一种可以获得较大层深的安全工艺选择，可以加强硬化效应。3.球墨铸铁激光相变硬化时，其最佳工艺参数为：光斑大小为2.45.3mm2、激光功率为1000w、扫描速度5mm/s。从这次淬火试验中可以看出，如果不对激光淬火提出过高的要求，利用连续输出功率在千瓦级的二氧化碳激光设备，对铸铁材料表面进行热处理并不困难。然而不同激光设备之间的工艺移植并非易事。工业生产中，维护激光处理工艺的可重复性是保证产品质量的

54、需要。激光淬火同其他传统的热处理相比，它具有可以精确控制热处理区域及工件变形小等一系列优点。只要能够较好的控制激光淬火工艺过程，原则上可以使用价格便宜、易于加工的材料制造工件的基体，在工件的关键部位用激光进行处理，便能显著提高产品的质量，简化工件的生产工艺，降低工件的生产成本，增强激光淬火对其它传统热处理工艺的竞争能力。参考文献1王家金.激光加工技术m.中国计量出版社2 李力钧.现代激光加工及其装备m.北京理工大学出版社3陈继民，徐向阳，肖荣诗.激光现代制造技术m.国防工业出版社4洪蕾，吴钢.激光制造技术基础m.人民交通出版社5王又良.激光加工的最新应用领域m.上海激光技术研究所，上海市激光束

55、精细加工重点实验室6肖荣诗.激光加工技术的现状及发展趋势m.北京工业大学激光工程研究院7陈苗海.中国激光加工产业现状和发展前景m.华北光电技术研究所8崔彤，郭克珺.浅析激光加工技术m.哈尔滨高科技（集团）股份公司，哈尔滨林业机械研究所9余淑荣，樊丁.激光加工技术及发展现状m.兰州理工大学，甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室10林树忠，孙会来.激光加工技术的应用及发展n.河北工业大学学报11陆兴.热处理工程基础m.机械工业出版社12赵品，谢辅洲，孙振国.材料科学基础教程m.哈尔滨工业大学出版社13常铁军，刘喜军.材料近代分析测试方法m.哈尔滨工业大学出版社14catherine wand