激光表面熔凝处理

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1、激光淬火技术的应用秦可涵2011年 4 月【摘要】激光淬火， 也称激光热处理、激光硬化， 即利用聚焦后的激光束快速加热金属材料 表面， 使其发生相变，形成马氏体淬硬层的一种高新技术，分为激光相变硬化、激光熔凝硬 化和激光冲击硬化三种工艺方法。【关键词】适合材质，淬火硬度，淬火深度 【正文】激光淬火技术及应用激光淬火技术，是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材 料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的过程。激光淬火的功率密度高，冷却速 度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。与感应淬火、火焰淬火、 渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层均匀，硬度高（一般比感应淬火高 1-3HRC ），工 件

2、变形小，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化，不需要象感应淬火那 样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈， 对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火 等化学热处理时炉膛尺寸的限制， 因此在很多工业领域中正逐步取代感应淬火和化学 热处理等传统工艺。尤其重要的是激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，因此特别 适合高精度要求的零件表面处理。激光淬硬层的深度依照零件成分、尺寸与形状以及 激光工艺参数的不同，一般在 0.32.0mm 范围之间。对大型齿轮的齿面、大型轴类零 件的轴颈进行淬火，表面粗糙度基本不变，不需要后续机械加工就可以满足实际工况 的需求。激光熔凝淬火技术是利用激光束将基材表面加热到熔化

3、温度以上, 由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的工艺过程。 获得的熔凝淬火组织 非常致密，沿深度方向的组织依次为熔化-凝固层、相变硬化层、热影响区和基材。激光熔凝层比激光淬火层的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。该技术的不足 之处在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破坏，一般需要后续机械加工才能恢复。 为了降低激光熔凝处理后零件表面的粗糙度，减少后续加工量，华中科技大学配制了 专门的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度降低熔凝层的表面粗糙度。激光熔凝技术的应用【摘要】： 激光表面熔凝处理是一项全新的材料表面改性技术，越来越受到了人们的广泛 关注。 由于铸造铝硅合金具有铸造性能好、热

4、膨胀系数小、热稳定性高等特点，它在工业上 得到了广泛应用。共晶 ZL108 合金是目前国内广泛使用的活塞材料。【关键词】： 激光表面熔凝处理 工艺参数 微观组织 显微硬度 疲劳裂纹扩展 【正文 】过共晶铝硅合金因具有更为优越的耐磨性和高硬度而受到重视， 正在成为一种制造 发动机活塞的新的理想材料。 本文作者通过对共晶和 Al-20 Si 过共晶铝硅铸造合金进行激 光表面熔凝处理， 研究了该表面改性技术对这两种合金的表层组织及疲劳裂纹扩展行为的影 响。主要进行了以下几个方面的研究工作。 选取输出功率、扫描速度和离焦量作为激光表 面熔凝处理的工艺参数， 通过采用不同的工艺参数对共晶 ZL108 合

5、金和 Al-20 Si 过共晶铝 硅合金进行激光表面熔凝处理， 探讨了三个因素对两种合金显微组织的影响规律。 结果表明， 在输出功率和离焦量一定的情况下，对于 ZL108 合金，当扫描速度不断增大时，熔池的深 度先是慢慢增加，而后减小；对于AI-20 % Si过共晶合金，随扫描速度的增加，熔池的深度逐渐变小。保持扫描速度和离焦量不变，熔池的深度随激光功率的增大呈现出增加的趋势。 在相同的输出功率和扫描速度条件下，随着离焦量的增加，熔凝层的深度逐渐减小。通过对激光表面熔凝处理后合金熔凝层组织的观察分析， 发现熔凝层主要由三个具有不同组织特 征的区域组成，由表及里分别为：表层熔凝区、过渡区、和基体

6、区。无论哪种合金，在表层 熔凝区内，粗大的块状初晶硅被消除，同时共晶硅和a (Al)也得到明显细化；在过渡区，枝晶的生长方向基本上垂直于熔凝层与基体的交界面，有十分明显的方向性，而且a (Al)枝晶的一次臂很长，二次臂很短。对于AI-20 % Si过共晶合金，部分熔化的初晶硅对a (Al)枝晶的生长具有阻碍作用。 在熔凝过程中， 液态金属中存在的过饱和气体使得熔凝层的亚表面产 生了少量气孔。 对熔凝层的硬度进行测量分析，结果表明，工艺参数对熔凝层的硬度有一 定影响，随扫描速度的增加，样品的硬度逐渐变小。在扫描速度和离焦量不变时，硬度值随着功率的增加呈现减小的趋势。在相同的输出功率和扫描速度条件

7、下，随着离焦量的增加，硬度值的提高也呈现减小的趋势。 熔凝层组织的细化和过饱和固溶度的增大等因素导致了硬 度的提高。 对比研究了激光表面熔凝处理前后两种合金的疲劳裂纹扩展行为，结果显示， 无论应力比 R 为 0.1 还是 0.5，在相同的名义应力强度因子范围作用下，经激光表面熔凝处 理的合金样品， 其疲劳裂纹扩展速率明显低于未经处理的样品， 而且随着疲劳裂纹扩展速率 的加快，二者的差别减小，最终趋于一致。脆性硅相的细化、 快速凝固时造成的应力场和过 饱和度增加引起的晶格畸变等因素可能是合金疲劳裂纹扩展性能提高的原因。 对激光表面 熔凝处理前后两种合金的断裂韧性进行了测试， 结果显示， 激光表面

8、熔凝处理前后两种合金 的断裂韧性基本上保持不变，激光表面熔凝处理对合金断裂韧性的影响较小。激光毛化技术的应用【摘要】 由于激光毛化技术的特殊性，其对 轧辊 、冷轧生产、冷轧成品均产生其他毛化方 法无法替代的积极的影响。【关键词】激光毛化【正文】 (1) 改善深冲性能激光毛化板由于有较低的摩擦系数和既有良好的润滑能力又易于 收集磨粒的理想微坑， 因而具有优良的冲压性能。 在相同成型条件下， 具有相同表面粗糙度 的薄板中， 激光毛化板有最好的冲压流动性。 分析认为： 激光毛化板面微坑沟槽中晶粒的位 错密度很高，原滑移线不能开动，促使其他晶粒开始滑移，正是板面微坑(塑性变形区 )对滑移的这种阻塞和弥

9、散作用， 延缓了微裂纹的萌生和发展， 从而使板材的延伸率提高。 对同种 材料的喷丸毛化板和激光毛化板的力学性能测试表明，激光毛化板的屈服强度降低了67% ,拉伸强度提高了 47%，总延伸率提高了 610% ,激光毛化板更有利于冲压成形。对SPCC比较(北京吉普车厂测试)，激光毛化钢板屈服强度下降2030 MPa,抗拉强度提高2lMPa，延伸率提高10 %以上；近年来，新一代的干电池外壳逐渐改用薄板冲压而成。这种壳生产率高、使用效果好, 但冲压难度大,对钢板性能的要求苛刻。采用激光毛化技术 开发出电池壳专用激光毛面带钢, 其冲压效果良好。 鞍山钢铁公司 08F 激光毛化精密带钢 (厚 0. 24

10、mm)在电池生产中，产品深径比达到了4.8。(2) 提高涂装性能和鲜映度由于激光毛化加工的精确造形作用,激光毛化板表面粗糙度均匀、 很少波度,更利于均匀附着涂覆材料,因此其漆面光亮度明显高于喷丸毛化板。 激光毛化的轧辊表面可保留较大的平坦光亮部份(最大可达 60% ),使轧制出的钢板的板面平坦度高,提高了带钢表面的光洁度和涂漆后的鲜映度。在相同粗糙度和相同涂漆工艺的情况下, 激光毛化板的映像清晰度一般要比喷丸毛化板高35个百分点。天津冷轧薄板厂激光毛化板涂镀性能：磷化膜厚差减小 50%,均匀性好,附着力强；电泳底漆膜厚度提高40%,偏差下降 50%；面漆光亮度 D0I 值提高 24个点值。(3

11、) 改善抗摩擦性能用低碳钢板进行的平面拉拔摩擦试验结果表明：无论是在润滑还是在干摩擦条件下, 激光毛面钢板的摩擦系数均低于同材质喷丸毛面钢板。干摩擦时, 喷丸毛面板的摩擦系数随拉拔速度提高而增加, 激光毛面板在同样条件下的摩擦系数则略呈下降趋 势。在润滑条件下, 两种板的摩擦系数均随拉拔速度升高而降低, 但激光板的下降趋势更显 著。这些表明激光板的表面形貌有更好的动态润滑能力。 在相同轮廓高度, 激光毛面板比喷 丸毛面板有更大的承载截面积。 这表明, 激光毛面板表面凸包比较墩厚圆滑, 冲压时不易被 擦伤产生磨粒，即激光毛面板有更(4) 新板型的开发。激光毛化钢板表面粗糙度均匀、 排列规则、形貌

12、可以预控、重复性好、 粗糙度调节范围 大。可以根据用户需要做特殊设计，开发新品种，生产出各种汽车用板、家电用板、轻工用板、防伪板、印花板、造币板、异面织构板、特制花纹板、激光乌泽板等。激光合金化技术的应用【摘要】激光表面合金化是利用高能密度的激光束快速加热熔化特性，使基材表层和 添加的合金元素熔化混合，从而形成以原基材为基的新的表面合金层。【关键词】激光加热，金属表面合金化，化学成分、组织和性能【正文】 激光表面会自化， 是激光束与材料表面互相作用， 使材料表面发生物理冶金和化学 变化，达到表面强化的方法。 该技术的特点是： 一能在材料表面进行各种合金元素的合金化， 改善材料表面的性能；二能在

13、零件需要强化部部位进行局部处理。 所以对节能、节材， 提高 产品零件的使用寿命具有重大的意义。 近一二十年来，许多国家和地区投入了大量的人力 与物力进行了此项目的研究。在基材方面，除研究了多种黑色金属外，还研究了 Al 合金、 Ti合金、Cu合金、Ni基合金等。添加的合金元素有Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B等。研究重点有如下四个方面。1）工艺研究。包括工艺方法、合金元素和工艺参数（激光光斑形状与尺寸、功率、扫描速 度）的选配等研究工作。2）理论分析。激光表面合金化的传热、传热数学模型计算。3）合会层的组织与性能研究。重点侧重于耐磨性循研究。有的也进行了耐腐蚀及抗氧化的 研究。4）应

14、用研究。如在排气阀门、阀座、高速钢刀具及汽车活塞等零件上的应用。 2激光表面合金化的强化机制1. 合金层硬度以 WC/Co 为添加粉末合金化后，主要获得 M6C 型碳化物，硬度约为 1300HV ，由于碳化 物量很流，呈细网格分布，基体又为马氏体组织，所以表面硬度达1000HV 以上。Cr3C2 合金化以后， 组织特征为基体上分布分布着网状碳化物， 析出的碳化物为 M7C3 型， 这种碳化物硬度高达 2100HV ，由于合金碳化物在基体中分布较稀。故表层硬度也只有 1000HV 左右。在 WC/Co 中加入 Ni 粉以后，合金层中碳化物类型并不发生变化，但基体中出现奥氏体。Ni 的加入量越多，

15、奥氏体量越高。硬度也随着下降。激光表面合金化，可以根据合金化成 分构控制，得到高硬度的合金层。2. 激光表商合金化的磨损性能 静载滑动磨损时，在单束斑扫描条件下，以 WC/Co 合金化时的耐磨性比 45 钢（淬火态） ， 提高 17 倍以上，比 Cr3C2/Ni-Cr 提高 12 倍。宽带扫描时，用 WC/Co 合金化后，耐磨性提 高 28 倍。在冲击磨损条件下，合金化后材料的耐磨性也有很大的提高。 WC/Co 合金层的耐磨性相当 于 45 钢（淬火态）的 6 倍。在 C/Co 中加入 Ti20 （质量分数，下同）和 TiC30 后，耐磨 性也分别提高 3 仿与 5 倍。激光表面合金化的强化机

16、制， 是相变硬化、 固溶强化和碳化物强化的综合强化结果。 WC/Co 合金化后基体为马氏体， M6C 型碳化物的硬度为 1300HV 左右，在磨损时，将首先选择性 磨损马氏体基体， 碳化物渐渐露出磨面， 由于碳化物网的支撑作用， 所以合金化展表现出极 高的耐磨性。在Cr3C2/Ni-Cr的合金化层中，基材含有较多奥氏体；硬度较低（600800HV ）。在磨损时，基体磨损很快，但一显露出网状碳化物后，因其碳化物 M7C3 硬度很高（ 2100HV ）， 就起了很好的支撑作用。呈现了较好的耐磨性。激光表面合金化的强化， 应是相变硬化、 固溶强化和碳化物第二相强化的综合效果。 而合金 层能获得超出基

17、体材料的硬度及大幅度提高耐磨性， 主要是碳化物第二相强化的结果， 所以 在以耐磨性为目的的合金化研究中、碳化物第二相强化是最主要的强化机制。3激光表面合金化的应用北京机床研究所张魁武等人，用复合合金粉末激光合金化处理的45 钢基无心磨床托板，在生产车间使用，比原来 CrWMn 钢淬火的托板寿命提高 34 倍。重庆大学、 北京工业大学等单位采用激光表面合金化工艺， 用于电地冲棒、 无缝钢管穿孔顶 头及泥浆泵叶轮等零件的处理， 都取得了很好的效果。 北京机电研究所曾对拖拉机换向拨叉、 螺母攻丝机料道、轴承扩孔模、 冲材模、 电厂排粉机叶片及铝活塞等零件上的应用研究，都 取得了很好的效果。拨叉，料道使用寿命提高 10 倍以上。冲材模、排粉机叶片使用寿命提 高 2 3 倍。激光表面合金化用于铝活塞环槽强化， 经装车试验，运行 14.2 万 km 以后拆检 结果，头道环槽的侧隙仅为 0.11mm ，如果减去 0.04 0.05mm 的原始侧隙，则环槽最大磨 损量仅有 0.07mm 。所以激光表面合金化用于铝合金的强化是十分有效的。