山东交通学院轮机论文解读

1、山东交通学院毕业设计（论文）山东交通学院海运学院激光淬火对气缸套寿命的影响专 业轮机工程届 别2014学号101612320姓 名孟小伟指导教师丁业立山东交通学院海运学院二一四年六月孟小伟：激光淬火对气缸套寿命的影响原创声明本人孟小伟郑重声明：所呈交的论文“激光淬火对气缸套寿命的影响” ，是本人在 导师丁业立的指导下开展研究工作所取得的成果。除文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明， 本人完全意识到本声明的法律后 果，尊重知识产权，并愿为此承担一切法律责任。论文作者 （ 签字）日

2、 期： 2014 年 6 月 29 日山东交通学院毕业设计（论文）摘要本文在综合分析了国内外激光加工技术的基础上， 提出了柴油机缸套的激光淬火处 理。其原理是利用高能量密度的激光束快速扫描工件，使被照射的金属以极快的速度升 到高于相变点而低于熔化温度，当激光束离开被照射的部位时，由于热传导的作用，处 于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，进而实现工件表面的相变硬化。本文从理论上分析了柴油机缸套激光淬火的工艺参数， 提出了几种形式的激光淬火 硬化网纹图案和 16V240ZJ 柴油机气缸套淬硬带螺距的计算方法。探讨了激光淬火提高 柴油机缸套使用寿命的机理，分析了激光淬火工艺温度。实验研究了16V

3、240ZJ 柴油机气缸套（硼合金铸铁 ）表面激光淬火中的激光参数对淬火强化结果的影响， 测量了缸套激 光淬火处理后的硬度，观察和分析了硬化层的组织、形态，并通过磨损试验，得出了激 光淬火硬化的微观解释，验证了激光淬火可显著提高柴油机缸套的使用寿命。关键词：激光淬火，柴油机缸套，使用寿命，硼合金铸铁，耐磨性孟小伟：激光淬火对气缸套寿命的影响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山东交通学院毕业设计（论文）目录 TOC o 1-5 h z 前

9、言. 1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1机缸套表面激光淬火处理的工艺研究. 2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 11 淬火系统组成 . 2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 12 柴油机缸套的表面预处理 . 3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 13 激光淬火网纹 . 4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2光淬火温度场及提高柴油机缸套使用

10、寿命的机理分析 . 5 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 21 激光淬火硬化工艺温度分析. 5 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 22 激光淬火提高柴油机缸套使用寿命的机理 . 6结 论. 12致 谢. 13参考文献 . 14山东交通学院毕业设计（论文）前言随着人民生活水平的提高，人们对于汽车、火车、船舶等内燃机交通工具的性能和 使用周期提出了更高的要求，这就要求内燃机的质量不断提高。随着火车速度的提升， 机车的大修周期从 1 年半缩短到 1 年，相对来说就要投入更多的人力、物力、财力，这 从一

11、定程度上提高了营运成本，制约了铁路客 （货）运事业的发展。另外，随着我国汽车 工业的发展，车辆国产化程度的不断提高，对国产化汽车的性能也提出了更高的要求， 这也要求国内厂家不断改进制造材料和处理工艺，提高机车零部件的性能。气缸套是船舶柴油机关键零件之一，因其内壁工作条件恶劣：变化剧烈的周期性载 荷、温度场、以及活塞变化的运动速度等，所以缸套和活塞环之间的润滑状态可能包括 全膜润滑、混合润滑和边界润滑等多种形式， 相应的磨损可能包括磨粒磨损、 粘着磨损、 化学磨损等多种形式。 船舶柴油机气缸套磨损后， 活塞与汽缸配合间隙大， 气密性下降， 发动机的动力性和经济性下降，造成启动困难，机油温度和油耗

12、增加，噪声振动加大， 使用寿命缩短， 排气带黑烟等后果。 随着船舶柴油机向高速、 高负荷（大功率）I 作条件发 展，磨损造成的失效将更为突出。由此可见，如此复杂的情况对缸套活塞环之间的润滑性能的要求很高，为提高缸套 的耐腐蚀性和耐磨性，多年来人们一直在不断寻求各种解决途径，世界各国都对气缸套 内壁以不同角度如改进材质、表面强化、提高加工精度、降低表面粗糙度进行了各种各 样的处理。孟小伟：激光淬火对气缸套寿命的影响1. 船舶柴油机气缸套表面激光淬火处理的工艺研究1.1 淬火系统组成激光淬火时，激光束在物体表面扫描，可以是光束运动，也可以是工件运动，或激 光束和工件同时运动。工作时，要求光斑尺寸可

13、调、功率或能量可调、相对运动速度可 调，以达到各种加工目的。要完成以上功能，必须有完整的激光淬火系统。激光淬火系 统包括激光器、 光路系统、激光电源系统、 冷却系统、 工作台及其控制系统等部分组成。1、激光器CO?激光器CO?激光器是激光加工中最常见的一种，和 YAG 加工一样同为红外不可见光，它 的输出波长为 106um，由于 CO?激光器在电光转换效率和输出功率等方面所具有的明 显优势，使得这种激光得到迅猛发展。此外 CO?激光在高功率时光束质量的稳定性比 YAG 激光好， 这使得它在材料的强化处理中受热部位比较均匀， CO?激光的缺点是结构 复杂，体积大，维修要求比 YAG 高。YAG

14、激光器YAG 激光器具有许多不同于 CO?激光器的良好性能。它的输出波长为 106urn， 与金属的耦合效率高，加工性能良好 (800WYAG 激光的有效功率相当于 3KWCO ?激光 功率 )。YAG 激光能以脉冲和连续两种方式工作，其脉冲输出的性能指示范围大，并可 通过调 Q 和锁模技术获得巨脉冲和超脉冲， 使其范围比 CO?激光更大。 它的缺点：一是 运转效率低； 二是 YAG 激光棒在工作中存在内温度梯度， 会引起热应力和热透镜效应， 限制了 YAG 激光的平均功率和光束质量的进一步提高。准分子激光器准分子激光器是继 YAG 激光器和 CO?激光器之后的第三类激光器，其工业应用尚 在不

15、断开发和研究中。准分子激光器为紫外短脉冲激光，波长范围193351nm，约是YAG 激光波长的五分之一和 CO?激光的五十分之一， 其单光子能量高达 79 电子伏特， 比大部分分子的化学键能都高，直接能深入材料分子内进行加工，其加工机理不同于 YAG 和 CO?激光，后两者的红外能量是以热传递的方式耦合进材料的。准分子短波长 易于聚焦， 有良好的分辨率， 可进行精密加工， 且多数材料对紫外波段的吸收率特别高， 能有效地利用激光能量。2、光路系统件山东交通学院毕业设计（论文）图 1 激光淬火光路系统简图 光路系统是激光器和工件的连接部分，是激光加工设备的主要组成部分之一，它的 特性直接影响激光加

16、工的性能。 通过光路系统将激光束从激光器输出端口引导至加工表 面（如图 1 所示）加工部位获得所需光斑形状、尺寸及功率密度。3、冷却系统 固体激光器工作时，绝大部分输入能量都转换为泵灯、工作物质和聚光器温度升高 的热能。工作物质温度过高时，会严重损害激光器的正常工作，对于连续工作方式的激 光器，必须采取适当的冷却措施。通常采用蒸馏水或去离子水作冷却液。冷却系统一般 包括水泵、热交换器及蓄水箱，热交换器的作用是将冷却装置中循环冷却液的热能传递 给其它传热介质。4、工作台及控制系统 工作台是承载加工件的部分。加工件与激光束作相对运动而进行加工，因此加工的 精度在很大程度上决定于工作台的精度和激光束

17、运动时可调节的精度。与工作台相配 合，有相应的控制系统，光束运动和工作台运动的调节都是靠控制系统来控制的。控制 系统控制激光束与工作台的相对位置，按加工要求形成一定的轨迹。同时，可对加工机 中有关部位进行控制，如光闸等。12 柴油机缸套的表面预处理1、磷化通过磷化处理在工件表面形成一层磷酸盐： 磷酸锰、磷酸锌等， 其中以磷酸锰最多。 早期曾广泛使用， 其吸收率可达 80。后来磷酸盐膜经激光处理后在工件表面晶间出现 微裂纹。所以近年来磷化预处理已为其它方法所代替。另外磷化表面经激光处理后使表 面粗糙度增加 0.972.55urn，也是其缺点之一。孟小伟：激光淬火对气缸套寿命的影响2、黑漆近年来美

18、国多用一种牌号 Krylonl602 的黑漆，其主要成分为石墨粉和硅酸钠或硅酸 钾，采用喷涂法，厚度 10-20urn。国内上海光机所研制了 861 型黑漆，已供应国内市 场。3、SiO2 型涂料一种以为 SiO2骨料的可喷涂涂料。 选用 200-300目的精制石英粉， 除对激光有很高 的吸收率以外，在激光照射下能形成液态均匀覆盖于金属表面，冷却时结成固态薄膜。 由于与金属的热膨胀系数的差异而能自行脱落， 有利于使金属淬火前后金属表面粗糙度 变化最小。在铸铁上曾测得粗糙度仅从 0.18um 增至 0.26urn。并选定醇基酚醛树脂为粘 结剂。乙醇为溶剂，并选用少量稀土金属氧化物为活性添加剂。混

19、合稀土氧化物价格低 廉，效果比氧化铈、氧化镧还要好。以上涂料混合后可用压缩空气喷涂或手工刷涂。在 激光淬火时，涂层愈薄愈匀愈好，喷涂时层厚可在 50-75um 范围内。13 激光淬火网纹缸套进行淬火时，工作台与激光束相对运动，使激光束在缸体内表面快速扫描，形目前，国内外缸体的激光淬火硬化网纹图案有多种形式，包括螺旋纹、正弦波以及 菱形网纹等。l 、螺旋线型硬化带用连续 CO?激光束在内壁上下移动， 缸套作回转运动。 根据不同的材料及表面处理，山东交通学院毕业设计（论文）选择不同的激光参数及运动速度， 以获得最佳的效果。 用配有数控系统的激光处理装置， 不仅能得到螺旋线形淬火轨迹，还可以得到等螺

20、距、变螺距的激光淬火轨迹，本课题研 究的柴油机气缸套采用变螺距的淬火轨迹。淬火轨迹对初期磨合性能、机油消耗率及耐 磨性能都有影响。轨迹与气缸套纵轴方向的夹角对气缸套一活塞环摩擦副有影响，必须 进行优化以获得磨损量最小的最佳夹角。激光处理长度一般为活塞环行程，这既降低了 激光器运行成本，又减少了操作辅助时间，提高了生产率。2光淬火温度场及提高柴油机缸套使用寿命的机理分析21 激光淬火硬化工艺温度分析211 激光淬火热传导数学模型 激光与材料的相互作用是一个较复杂的物理过程， 其温度场分布不仅与材料的本身 性质 （热容、热导系数、比重 ）有关，而且与激光加热参数 （功率密度、能量分布、作用时 间）

21、有直接的关系，加上激光与材料相互作用会因光吸收、反射、辐射、热辐射、热传 导以及等离子体效应与溅射效应等，使表面与光辐射交换变得极为复杂。假设被加热的 材料为导热性不变的半无穷大均匀平板，激光束扫描淬火是一个移动热源三维导热问 题，但由于加热冷却速度极快，激光束光斑相对于被扫描工件很小，因而常可以简化为孟小伟：激光淬火对气缸套寿命的影响22 激光淬火提高柴油机缸套使用寿命的机理以发动机 16V240ZJB、C 型中速柴油机为例，由于运输任务日益繁重，要求柴油机 发动机有高的耐久可靠性。气缸套是机车柴油机主要零部件之一，在使用过程中，它与 活塞环组成一对摩擦副，处在高温高压及化学腐蚀的恶劣条件下

22、，要求气缸套具有较高 的强度和良好的耐磨性及抗擦伤性。16V240ZJC 型柴油机气缸套 （材料为硼合金铸铁 ）重量约 89kg（带水套 ），当活塞在缸 套内工作时，第一道气环最高行程位置为上止点， 此点在距缸套顶端 48rnm 处，温度高， 燃气爆发压力大，所以最大磨损部位在上止点下约 10mm 处，按检修规范，当内径超差 0.20 0.30mm，缸套即应报废 （习惯上称段磨 ）。发动机大修里程标志着它的使用寿命， 所以使用更先进的激光强化技术来提高气缸套的耐磨性和抗擦伤性， 从而大大延长其使 用寿命，具有必要性和迫切性。221 激光淬火提高柴油机缸套的硬度16V240ZJC型柴油机气缸套材

23、料为硼合金铸铁，利用激光淬火处理，其表层显 微硬度可平均提高三倍以上 （ 与基体硬度相比 ） 。经激光硬化、软氮化、气体渗氮处理后 的缸套硬度梯度测量数据示于下表 4。离表面距离， mm表面0.020.040.090.140.190.240.290.340.390.440.49软氮化762511419392363289-气体渗氮853778687510412378351287-激光硬化946916891878874751698570462465395268表 4 不同热处理工艺的缸套硬度梯度测量数据比较国产缸套经激光处理后，其硬化带的表面硬度 HV946、 硬化带深度 0.48ram 、硬化带

24、宽 度 2.95mm。缸套经激光硬化、 软氮化、 气体渗氮三种不同工艺处理后的硬度硬度下降是山东交通学院毕业设计（论文）很缓慢的。1、影响硬度的因素硬度是固体材料抗拒永久形变的特性 , 抗力越大，硬度越高，所以硬度是材料的一 种重要的机械性能。硬度值既取决于材料的本性，也与测试方法有直接关系。硬度测试 方法不同 （压头形状及尺寸、载荷大小及加载方式的不同 ） ，其反应的硬度值也不同。常 用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度等，在激光硬化工艺的 硬度试验中，常用显微硬度法来检测激光硬化后材料的硬度。激光硬化的层深较浅，因 而用显微硬度法测定硬度是较为合适的。所以，显微硬度是研

25、究激光硬化工艺及激光硬 化后材料性能的一个有力工具。据有关研究，对材料为两种成分的Cr-Mo-Cu 合金，用 CO?激光器对其进行激光表面处理，主要处理参数为：功率密度为1000W cm2，扫描速度分别为 240和 800mmmin。图 4 所示出两种合金铸铁区硬度变化曲线。可见，经激光处理后，两种材料的表层 都能获得极高的硬度 （1号合金尤为显著）。虽然2号合金的含 C量比l 号合金的高，但 由于 1 号合金的合金元素特别是 Cr 的含量比 2 号合金的高，所以它的熔化区硬度、相 变区硬度和基体硬度均比 2 号合金的高。合金元素 Cu能促使珠光体细化和强化； Mo、 Cr 能稳定碳化物， 阻

26、止石墨化， 因此加入合金元素不仅能提高铸铁的硬度， 也能提高淬 硬区的硬度。有文献认为，对钢来说，激光淬火的硬度主要取决于碳含量，其他合金元 素几乎没有影响。但对铸铁而言，碳的影响显得较小，而合金元素的作用较明显。作者 认为，这与碳在材料中的存在形式有关。在钢中，碳主要以碳化物形式存在，而在铸铁 中，碳除少量形成碳化物 （渗碳体） 外，主要以石墨形式存在，而石墨对淬硬效果几乎没图 5 两种合金铸铁区硬度变化曲线孟小伟：激光淬火对气缸套寿命的影响激光相变硬化的工艺参数的选择对硬度也有一定影响， 功率对硬度的影响有随功率 的增大而下降但不十分明显。而硬度却随扫描速度的加快而提高，但有一定的限度，这

27、 主要是马氏体过饱和度增加，冷却速度较快所至。因此，工艺参的选择得是合理的，才 能使表面硬化层的硬很高。2、激光淬火获得超高硬度的机理图 5 显示了合金铸铁经激光相交硬化后不同层深的硬度变化曲线，可见。表面温度 较高，而且硬化层的硬度大体上由表及里是下降的。表层的高硬度和硬化层至基体的急 剧过度是激光热处理的一个显著特点。在表层，由于加热快，奥氏体晶粒超细化，所以 导致变成马氏体的晶粒也细化，因而表层的硬度和强度高，又由于高能量密度的激光束 局部加热及光束与表面的瞬间相互作用所造成的极高的加热速度和光束移过后极快的 冷却速度造成了硬化层与基体之间硬度的突降，硬度落差极高。从图 5 可以看出，合

28、金 铸铁经激光处理后的硬度远远超出了常规淬火的硬度。那么激光相变硬化所得超高硬度的机理是：激光相变硬化处理后，由于激光淬火是 急热急冷过程，碳在奥氏体中来不及均匀化，因而马氏体中碳含量较高，硬度也较高。 最明显的例子是低碳钢 10 号钢，经激光淬火后硬度可高达 700HV，而常规淬火的低碳马 氏体硬度只有 380HV441。由于碳扩散不均匀，所得的马氏体更细。朱捷在研究Crl2钢的激光相变硬化机理时测得原始组织的晶粒度为 12 级，激光处理后为 15级，明显细 化。原 Crl2 中马氏体针长度约 6um，激光淬火后小于 2um，马氏体明显细化。正由于硬 化层组织晶粒明显细化，形成隐晶马氏体组织

29、，而且在板条马氏体中弥散地分布着自回 火的渗碳体及特殊碳化物粒子，组织中还存在着高密度的缠结位错和孪晶亚结构。这样 由于细晶强化马氏体相变硬化， 碳化物弥散强化以及高密度缠结位错和孪晶亚结构的共 同作用，使相变硬化具有很高的硬度。因此可以认为，马氏体中碳含量很高，马氏体细 化和很高的位错密度是激光相交硬化能得到超高硬度的原因。3、激光冷却速度对硬化层硬度分布的影响从零件的淬火机理可知，要获得淬火马氏体，必须将被淬火零件加热到相变温度以 上，然后以大于临界冷却速度冷却。不同的冷却速度将获得不同的硬度值，冷却速度愈 快，获得的硬度值愈高。就这一点而言，激光淬火与常规淬火机理是一样的。但激光淬 火的

30、冷却过程与常规淬火有很大不同，常规淬火冷却速度的获得是通过冷却介质，在淬 火时，零件表面接触温度相对很低的冷却介质，因而获得的冷却速度最快，由表至零件 的中心“导冷”，其冷却方向是由表至里 （见图 6） 。因而冷却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，而芯部冷却速度慢。所以，通常在淬硬层内， 从表至里，硬度值由高到低由一个下降变化梯度。山东交通学院毕业设计（论文）图 6 常规淬火的加热、冷却方向、温度、冷却速度、硬度分布示意图 激光淬火“冷却过程”无须冷却介质， 它是依靠零件本身的基体快速导热而完成的。 激光淬火是将“局部表层”快速加热到相变温度以上 （气 1） ，这一

31、“局部表层”的温度 分布是不一样的，表面温度最高，而里面温度最低，即从表面至里面存在一个由高至低 的温度下降梯度，而冷却过程 （ 导冷） 可理解为将很高温度的“局部表层“置于温度相 对很低的基体内 （ 这个“基体”可理解为导热系数很大的固体“冷却介质” ） 。因此，“局 部表层”的里面与“冷却介质”的基体接触，可获得最快的冷却速度，而“局部表层” 的表面冷却速度最慢 （ 忽略表面与空气接触的冷却影响 ） 。所以从表面到里面，冷却速 度由低到高存在一个上升变化梯度。激光淬火的“冷却方向” （ 导冷）是零件的内部向表 面进行，它正好与常规淬火的冷却速度方向相反 （ 见图 7）图 7 激光淬火的加热

32、、冷却方向、温度、冷却速度、硬度分布示意图 激光淬火硬化层硬度分布状态对提高零件的耐磨性具有十分重要的价值， 激光处理 的金属材料，其金相组织可获得非常细化的马氏体，它对于提高零件的耐磨性具有重要 意义，这已被大量的试验和实践所证实。 除此之外， 硬化层的硬度分布几乎无变化梯度， 这对于提高零件的耐磨损寿命的贡献更为突出。因为硬度值愈高，耐磨性愈好，零件工 作寿命愈长。常规热处理硬化层的硬度从表面到内部由明显的下降梯度， 表面硬度最高， 耐磨性最好，但随着零件正常工作时的相对运动，表面将逐渐被磨去，其相对运动接触 面的硬度值逐渐随之而降低，磨损随之而加剧，最终导致零件因磨损量过大而失效。而 激

33、光淬火的硬化层硬度值一样，随着零件正常相对接触摩擦运动，表面虽然被磨去，但 新的相对运动接触面的硬度值并未下降，耐磨性仍然很好，因而不会发生磨损随之逐渐 加剧的现象，大大提高了零件的耐磨损寿命。这就是激光淬火零件的寿命能提高几倍甚 至几十倍的重要原因之一。孟小伟：激光淬火对气缸套寿命的影响221 激光淬火提高柴油机缸套的疲劳强度 疲劳是金属材料在高压或重复应力作用下，经多次循环而破坏的现象。疲劳和磨损 是金属材料或机械零件失效的重要原因。在某些应用条件下，金属材料的疲劳性能显得 更为重要。根据金属材料或零件所受应力状态和失效形式， 可分为拉压疲劳、 弯曲疲劳、 旋转疲劳、冲击疲劳、接触疲劳、热

34、疲劳和腐蚀疲劳等。提高材料的疲劳性能的有效方 法是进行表面强化处理。激光硬化是众多方法中的新方法，激光硬化处理可使金属材料 的显微组织明显细化，表面硬度提高并具有残余压应力，因而可有效地提高金属材料的 疲劳性能。柴油机工作时，缸套上端在一个做功过程中，由于燃烧、膨胀过程瞬间产生 很高的压力 （从 O1Mpa升至 10Mpa）和温度 （从 5007000。C升至 170020000。C），使 缸套受到交变的气体应力冲击和温度陡变，因而受到较大的交变机械应力和热应力。这 种机械应力和热应力是不可避免的，是柴油机正常工作的必然结果，不可能消除，只能 想方设法使其降低或均布。激光淬火是利用激光辐照到具

35、有固态相变的金属表面， 使金属表面温度在百分之几 秒到十分之几秒内上升到淬火温度。 当激光离去后，利用金属本身热传导而发生 “自淬”， 使金属表面发生马氏体转变。激光淬火的热影响区一般可分为熔化区、相变硬化区、过渡区、高温回火软化区与 基体五个区，当金属表面发生熔化时，就会使表面粗糙度增大，并可能产生晶粒粗大和 表面拉应力、涂层材料也会渗入金属表层，从而影响材料的机械性能。由于激光淬火过 程是在高度受扼的状态下形成，这种马氏体实质上是一种形变马氏体，其表现为片状和 板条状马氏体组织的混合结构。 马氏体晶粒十分细化， 具有比常规淬火更高的缺陷密度。 由于冷却速度达 104 109Cs，碳原子来不

36、及扩散，因此，马氏体含碳量较高。与此同 时，残余奥氏体获得极高的位错密度，可达 1012 条 cm2数量级。这形成的极高位错密 度和晶格缺陷会阻碍疲劳源的萌生与裂纹的扩展，从而改善了材料的抗疲劳性能。223 激光淬火提高柴油机缸套的耐磨性1、影响内燃机缸套耐磨性的因素 内燃机工作时，由于活塞的侧压力及高速相对运动，使气缸壁产生强烈的摩擦，从 而引起磨损，缸套与活塞组件的摩擦系统的要素包含有缸套、活塞环、空气滤清器、机 油、气流等，而这些要素的性质包含有气缸套和活塞组件的宏观几何特性、材料特性、 机油性质等。 气缸的异常磨损主要有磨料磨损、 粘着磨损及腐蚀磨损， 以磨料磨损为主。 影响内燃机气缸

37、套磨损的因素很多，且错综复杂。2、合金铸铁缸套激光处理后耐磨性提高的机理 缸套材料不同，提高耐磨性的机理也有所不同，硼合金铸铁经激光淬火后，硬化带 之间形成良好的储油区，并将分散在硼合金铸铁微凹部的润滑油集中在该区。从而使得 活塞环经充分润滑后通过硬化带时，更能经受硬微粒的磨损，即提高了耐磨性。10山东交通学院毕业设计（论文）硼合金铸铁中 Fe2B属极稳定的金属间化合物， 硬而脆，硬度达 1290 1680HV，Fe3（CB） 和 Fe3（PB） 的硬度及稳定性较相应的不含硼的化合物都有提高。磨损过程中，较软的基 体先受到磨损而下凹，硬质点相硼化物作为第一滑动面起支撑和骨架作用，从而减轻了 基

38、体的磨损。另外硼作用于铁水的结晶过程可使初生晶粒大大细化，且降 低了枝晶偏 析和区域偏析。硼还是强烈阻止石墨化的元素，故硼合金铸铁中的石墨较 灰铸铁中 的石墨尺寸小，分布更加均匀。当硼偏聚于晶界时，倾向于在位错胞中形成原子集团或 微细沉淀物，对位错强烈钉扎，限制其运动，故可强化晶界，阻止裂纹形成与扩展。可 见，硼还可使铸铁基体组织更加细小均匀，改善了组织的强度的硼化物与石墨片，二者 尺寸的减小，可削弱它们对耐磨性的不利影响，使其对耐磨性有利的方面得到充分的发 挥。前者避免了大块硼化物从基体上脱落而成为硬磨粒的倾向，后者则削弱了石墨对基 体的割裂作用，减小了石墨尖端的应力集中。另外，摩擦过程中部

39、分残留奥氏体诱发转变为马氏体，将会发生较大的塑性变形， 且多发生于裂纹前沿的塑性区，从而使裂纹前沿的应力得到松弛，提高了裂纹的扩展抗 力。我们还知道奥氏体向马氏体转变的过程中体积会膨胀，这样转变区中相邻的马氏体 间会产生压应力，将使磨损表面由于激光淬火形成的热应力 （ 常呈拉应力状态 ） 减小，改 善了表面应力状态，对裂纹的萌生与扩展均有抑制作用。熔凝层与固态相变层交界处， 残留奥氏体及转变的马氏体含量最多，耐磨性也出现峰值，这是残留奥氏体转变对耐磨 性的贡献。另外，磨面的显微组织进一步细化也说明磨损过程中，组织具有硬化行为。 因此，硼合金铸铁激光淬火后耐磨性显著提高。 224 激光淬火改变柴

40、油机缸套的组织结构光硬化是利用激光来对钢、铸铁和有色金属等金属材料进行辐照，使金属材料表面 发生熔化凝固，相变和受冲击产生塑性变形而达到硬化目的表面改性过程。激光对钢和 铸铁的硬化机制除熔化凝固和相变硬化外，还有晶粒细化和位错密度增加等。激光硬化 后在金属材料的硬化区组织中具有和常规处理相同的组织结构和组成相， 如在钢和铸铁 中同样具有莱氏体、 马氏体、渗碳体（碳化物） 、铁素体和残余奥氏体系。 但激光硬化后， 由于快速加热，快速冷却的作用，致使钢和铸铁的激光硬化组织非常不均匀，它包含奥 氏体的不均匀性、珠光体、渗碳体以及奥氏体中碳含量的不均匀性。亚共析钢和过共析 钢中的不均匀性导致保留钢中的

41、先共析相， 即亚共析钢中的铁素体和过共析钢中的渗碳 体，在同样冷却速度条件下，奥氏体中碳含量的不均匀性将导致其低碳部分形成铁素体 一渗碳体组织，其高碳部分都可生成马氏体组织。同时，激光硬化过程中韵极大冷却速 度使金属材料的组织中具有大量缺陷，因而加强了加工硬化，缓慢了再结晶过程，并且 继承了奥氏体相中的缺陷，从而细化了亚结构，提高了位错密度，晶格中的应力也增加 了。这样获得了马氏体和奥氏体晶粒度比常规处理的要细得多。同时，晶格中发生的这 些变化不仅在铁合金中发生， 由于有较大的温度梯度， 在有色金属和纯金属中也会发生。由于激光加热受温度梯度的影响，使金属材料从表面至内部的温度由高至低各不相11

42、孟小伟：激光淬火对气缸套寿命的影响同，合金铸铁经激光处理后，其显微组织发生了极大的变化。激光处理前其显微组织为 细片状珠光体基体上分布着中、细片状石墨，此外，还有少量的磷共晶和碳化物，激光 处理后，硬化层由熔化区和相变区组成 （ 硬化层为平顶月牙形的白亮区 ） ，硬化层下部为 基体组织。熔化区：当激光照射材料表面时，此层金属迅速加热被熔化，原始组织中的石墨和 磷共晶全部溶解。由于液态下原子扩散很快，碳浓度比较均匀。迅速凝固后为极细小莱 氏体组织，结晶方向大致与温度梯度方向相同。 ，对于合金铸铁材料这种莱氏体是渗碳 体和片状马氏体的混合物，而不是一般白口铁中的渗碳体和珠光体的混合物。相变区：由于

43、该区受熔化区的热影响，加热速度极快，因此存在极大的过热度，导 致奥氏体形核率极高，由于加热速度快，在相变点以上温度停留的时间极短，使奥氏体 来不及长大与均匀化，最终形成不均匀的细晶组织，在随后的快速冷却过程中，形成了 细针状马氏体 +石墨懈共晶。但在接近熔化区部位，由于温度接近铸铁的熔点，原始组 织中的石墨大部分溶入周围基体中，使碳含量急剧上升，出现明显的高磷针状马氏体和 大量残余奥氏体，该区的这种高碳马氏体对提高材料表面硬度和耐磨性是有重要作用 的。同时在快速加热、高速冷却过程中，激光淬火还造成金属材料位错密度急剧增加的 现象，从而进一步提高硬度和耐磨性。结论气缸套是船舶柴油机的核心部件之一，在节约能源和提倡环保的今天，发达国家 都气缸套内壁以不同角度如改进材质、表面强化、提高加工精度、降低表面粗糙度等方 面进行了各种各样的处理。本文从产品 16V240ZJ 柴油机气缸套的技术要求出发，重点研究了柴油机缸套的激 光强化技术，探讨了工艺参数对强化层硬度和深度的影响，并对强化层的组织和强化机12山东交通学院毕业设计（论文）理进行了分析。通过以上系统的研究，得到如下结论：1建立了合金铸铁缸套激光淬火温度场的数学模型，通过数值模拟分析确定出激 光