球墨铸铁表面激光重熔工艺试验-毕业论文

球墨铸铁表面激光重熔工艺试验1引言 自20世纪中叶起,人们发明了球墨铸铁这一综合性能接近于钢的高强度铸铁材料。从此，由于球墨铸铁所具有着良好的综合力学性能、简单的生产工艺、优良耐磨性能、成本低廉等优点，同时由于其强度和塑性又接近常规钢材,因而在国民经济的各行各业中有着广泛的应用,已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件，并已迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料，而且其应用范围还在日趋扩大。所谓“以铁代钢”，主要就是指球墨铸铁。 为了改善工件性能，同时又能节省昂贵材料的使用，在工件表面制备覆层成为一种非常常用的方式。目前，堆焊、热喷涂和等离子喷焊等制备覆层工艺在工业中都得到了较多的应用。与上述表面强化技术相比，激光重熔也有许多的优点，激光重熔可以在普通金属材料表面获得高硬度、高耐磨性和高温性能的改性层;同时可保持心部较好的韧性。激光表面重熔方法具有功率密度高工件变形小、工艺简单,耐蚀性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。特别是激光重熔的凝固界面的温度梯度可高103km , 凝固速度高达每秒数米, 可以获得超细组织和结构 ,因此激光重熔技术近年来在材料表面改性技术方面得到广泛应用。 本文就是主要研究球墨铸铁表面激光重熔工艺。 关键词：激光熔覆，球墨铸铁，激光重熔 2球墨铸铁2.1 球墨铸铁的诞生 球墨铸铁诞生于上世纪中叶，从当年有记载的历史资料可确定：从发现到制取，再到工业化生产， 基本上集中在德国亚琛工业大学铸造研究所、英国铸铁研究协会、和美国国际镍公司三个单位进行。人们对英国人莫罗 （H Morrogh ）发明铸态球墨铸铁或许有印象，但对其他两个单位在此领域所做的工作恐怕就知之甚少，甚至毫无所知了。2006 年“第八届国际铸铁科学与工艺学术会议”上， 长期从事球铁研究的美国威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程学院教授 C R Loper Jr 发表了题为 “球墨铸铁生产技术状况”的主旨报告，以80%的篇幅叙述了球墨铸铁的发现过程。文章引用了大量原始资料， 复印了当时的现场记录作为旁证， 十分具体地说明了英国铸铁研究协会以及美国国际镍公司有关球墨铸铁发明的工作过程，对历史的是非真伪、纵横经纬也叙述得极其清楚， 令人有如亲临其境、 身处现场。 1900年，F Wst将Al、Na、Mg用于对铸铁铁液作净化处理用的化学活性较强的元素， 其中Mg 排在首位。 1902 年， A ledbeur 在液态铁中加入少量Mg， 使铁成为可轧制的金属材料 4 。1908年，希腊某化工厂用 Fe-Mg 以及 Mg-Fe-Si 合金对铸铁进行脱氧处理，可明显改进铸件质量， 提高性能的均一性。 1920年，德国人 Pistor、Beiel stein 和 Beck发明了成分为： w （Si ）10%40%、 w （Mn ）020%、w （Fe ）010%、 其余为 Mg 的中间合金， 对钢铁的脱氧净化效果明显，获得了美国专利（专利号：1461643 ）。Mg 使铸铁的质量更均匀， 抗拉强度提高， 他们建议中小铸造车间可用 Mg、 Al、 Fe 或Ni自行配制中间合金， 只要加入 w （Mg ）0.05%0.01%就足以得到较好的效果。专利的附件中列出了实例，向流态 SiFe 中加入 Mg 或 Mg-Al、Mg-Ni 即可。 19221931 年， 密烘公司的创始人 E Meehan先生在此期间曾获得四项制取球状石墨的美国专利， 建议向铁液添加 Ca、 Mg、 Ba、 Li、 Te （单独添加或者与 Cr、 Ni、 Ti 以化合物方式添加）， 但均未获成功。 后来改为自己公司1941年创造的专利，用碲（Te）作激冷元素， 加 Si-Ca 进行孕育处理，得到了球状石墨。但此工作没有继续进行。1933 年，德国亚堔工业大学铸造研究所所长 Piwowarsk 提出用铅 （Pb ）与 Ca、 Sr、 Ba、 Li、 Mg元素之一分别组合添加， 降低铁液共晶温度 （等同于加大过热 ），从而增加凝固时的过冷度， 促使石墨向球状转变。由于没有解决处理包的结构问题， 危险性大， 没能坚持试验而中断。 19301934 年， Piwowarsk 积极开展了包内冶金技术的研究与应用，例如： 包内脱氧去硫、包内合金化、包内处理等，以便提高包内加 Mg球化处理的操作技能， 改进处理方法。 1933 年， Piwowarsky 的高风温 （300700 ）冲天炉获专利权。高风温热风冲天炉熔炼出的铁液出炉温度高、 原始 w （S ） 量低， 利于球化处理。1939 年， C Adey 用 Mg 成功生产了球墨铸铁， 在德国获专利授权。【球墨铸铁诞生与发展的历史真相】2.2球墨铸铁的发展铸铁是首先被工业大批量使用的金属材料。虽然它在众多领域处于后来居上的地位，例如钢、非铁铸造合金、复合材料、塑料等所代替，但由于铸铁材料本身铸造性能好、节能、易回收等特点，以及高强度灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、等温淬火球墨铸铁等技术发展，至今仍处于铸造合金产量最高的地位。 在当今社会，铸铁产量虽然正逐渐缩减，但是在铸铁件这个大家庭中球墨铸铁却拥有越来越大的产量。2.3球墨铸铁热处理 众所周知：热处理是一项改进金属材料品质的方法，借助热处理可以改变或影响铸铁的组织及性质， 同时还可获得更高的强度、 硬度和耐磨性等。 铸铁热处理的种类繁多，但基本上可分成两大类：第一类是组织构造不会由热处理而发生变化或者也不应该发生改变的，第二类则是基本的组织结构发生变化者。第一种热处理主要是用于消除内应力， 热处理后组织、 强度及其它力学性质等没有因热处理而发生明显变化。第二种热处理能使基体组织发生明显的变化，这种热处理大致分为五类：退火： 其目的主要在于分解碳化物， 降低铸铁的硬度，提高加工性能；正火： 其目的主要用于改进铸铁组织、 获得均匀分布的力学性能；淬火： 其目的主要是为了获得比较高的硬度和表面耐磨性；表面硬化处理： 其目的主要是获得表面硬化层， 同时得到较高的表面耐磨性；析出硬化处理： 其目的主要是为获得更高强度。 铸铁种类繁多， 有灰口铸铁、 白口铸铁、 蠕墨铸铁、 球墨铸铁等等， 它们的组织结构也各不相同。一般根据凝固过程中的析出物共晶石墨或共晶碳化物来分类: 基体内主要含片状石墨者称之为灰铸铁， 主要含碳化物者称之为白口铸铁。事实上白口铸铁由于具有很高的硬度与脆性用途较少；而灰铸铁的性质主要是由共晶石墨的形状与大小而定，这些析出的石墨无法经由热处理予以改进，因此具有非常低的强度及硬度。但若铁液添加镁及稀土金属能使石墨在凝固过程中以球状析出成为球墨铸铁， 那么情况就有所不同。由于球墨铸铁其性质与基体相同的钢接近，故通过热处理可使强度、硬度明显提高， 弹性模数、 伸长率也有不同程度的提高。但是不同的热处理对球墨铸铁的作用完全不同，在工程上用的比较多的是退火、 正火和析出硬化处理；事实上球墨铸铁同样可以通过调质、等温淬火处理以及渗氮、 渗硼和低温气体碳氮共渗来改善其力学性能。2.3.1退火处理 若要提高球墨铸铁的韧性可采用退火处理。球墨铸铁在铸造过程中比普通灰口铸铁的白口倾向大， 内应力也较大， 球墨铸铁件很难得到纯粹的铁素体或珠光体基体。 为提高球墨铸铁件的延性或韧性，可将球墨铸铁件重新加热到 900950并保温足够时间进行高温退火，再炉冷到 600出炉变冷。在此过程中基体中的渗碳体会分解出石墨，奥氏体中会析出石墨， 这些石墨集聚于原球状石墨周围， 基体则全转换为铁素体， 从而提高球墨铸铁的韧性。 若铸态组织由（铁素体珠光体） 为基体+球状石墨组成， 那么只需将球墨铸铁件重新加热到 700760的共析温度上下经保温后炉冷至 600出炉变冷， 就能将珠光体中渗碳体分解转换为铁素体及球状石墨来提高其韧性。2.3.2正火处理 若要提高球墨铸铁强度可采用正火处理。球墨铸铁正火的目的是将基体组织转换为细珠光体组织。工艺过程是将基体为铁素体及珠光体的球墨铸铁件重新加热到 850900温度， 原铁素体及珠光体转换为奥氏体， 并有部分球状石墨溶解于奥氏体， 经保温后空冷奥氏体转变为细珠光体，从而提高球墨铸铁件的强度。2.3.3淬火加低温回火处理若要提高球墨铸铁的硬度可采用淬火并低温回火的方法。当球墨铸铁用作轴承等零件时往往需要比较高的硬度,此时可将球墨铸铁件淬火并低温回火处理。具体工艺是： 将球墨铸铁件加热到 860900的温度，保温让原基体组织全部奥氏体化后再在油或熔盐中冷却实现淬火， 后经 250350加热保温回火， 原基体转换为回火马氏体及残留奥氏体组织， 原球状石墨形态不变。处理后的球墨铸铁件具有较高的硬度和一定韧性， 同时还保留了石墨的润滑性能。2.3.4调质处理若要提高球墨铸铁综合力学性能可采用调质处理。当球墨铸铁件用作为轴类件， 如柴油机的曲轴、连杆， 要求强度高同时韧性较好的综合力学性能， 此时可对球墨铸铁件进行调质处理。 具体工艺是： 将球墨铸铁件加热到 860900的温度保温让基体组织奥氏体化， 再在油或熔盐中冷却实现淬火,后经 500600的高温回火，获得回火索氏体组织 （一般尚有少量碎块状的铁素体 ），原球状石墨形态不变。处理后强度、 韧性匹配良好， 适应于轴类件的工作条件。2.3.5 等温淬火处理若要获得较高强度的球墨铸铁可采用等温淬火处理。球墨铸铁等温淬火处理目的在于让球墨铸铁件的基体组织转换为强韧的下贝氏体组织，强度极限可超过 1100MPa， 冲击韧度 32J。处理工艺是：将球墨铸铁件加热到 830870温度保温使基体奥氏体化后， 投入 280350的熔盐中保温， 让奥氏体部分转变为下贝氏体， 原球状石墨不变， 从而获得比较高强度的球墨铸铁。2.4 纳米技术在球墨铸铁件中的应用纳米技术是近些年发展起来的一种微粒尺寸在1100nm 之间的高性能材料。由于纳米材料具有良好的耐磨性及抗高温性能，因此在表面处理中已成为一种新途径。 但因受纳米材料成本之约束， 目前能运用于实际生产的主要是纳米复合涂层处理。所谓纳米复合涂层处理，是指在零件表面涂覆一层含有纳米材料的复合涂层（在纳米复合涂层中除纳米材料外还有其他相存在 ），这种复合镀层具有超强的耐磨性和自润滑性，此外还具有高热稳定性和耐腐蚀性， 并且因为涂层为多层复合， 因此涂层与基体结合力及涂层的韧性非常高，大幅提高了零件的疲劳抗力， 使零件的使用寿命大幅延长。试验证明，如果将这种纳米复合涂层涂覆在球墨铸铁件表面，能使球墨铸铁件表面具有纳米材料的优异特性及复合涂层的综合力学性能。当然，尽管纳米复合涂层技术在实验阶段已取得不少成果，但目前能够真正实现商业化的纳米复合涂层技术主要还是添加性的纳米复合涂层技术。目前添加的纳米颗粒主要有纳米氧化物、 纳米碳化物、 纳米氮化物以及纳米金属和纳米合金，具体添加那种纳米颗粒应视球墨铸铁件表面要求的力学性能而定。【球墨铸铁热处理方法之探讨_陆卫倩】2.5球墨铸铁性能 球墨铸铁与灰口铸铁相比， 具有较高的强度和韧性， 因其自身石墨球的润滑作用， 经常代替钢应用于如内燃机曲轴、 缸套、 活塞环等零件的制造。但球墨铸铁在使用过程中， 通常因经受高温的冲刷、 交变热应力、氧气侵蚀、 磨损等而导致失效。为提高球墨铸铁表面的耐磨性和耐腐蚀性， 可采用渗氮、 渗硼等工艺， 但存在处理周期长、 表面硬化层薄等缺陷。球墨铸铁中的石墨以球状颗粒均匀分布于基体中，因而对基体的削弱作用和产生应力集中的作用较小，使基体的作用得到充分地发挥，又由于含有较高含量的硅和锰，所以球墨铸铁的抗拉强度不仅高于其他铸铁，甚至高于碳素钢，尤其突出的是它的屈服强度比钢高得多。因此，国内外已经将其代替模具材料应用于拉深模中，取得了可观的经济效益。球墨铸铁的强度和抗氧化性能均比灰铸铁好，因此，近年来耐热球墨铸铁模具材料成为国内外模具行业研究的热点之一。耐热球墨铸铁的耐热机理球墨铸铁的耐热机理主要体现在两方面，一是化学成分，二是石墨形态。铸铁的抗氧化性主要取决于氧化膜中次氧化层的成分与结构，而这又由铸铁中改善抗氧化性的合金元素的含量决定。在常规合金成分一定的情况下，影响最为显著的合金元素是稀土。铸铁在氧化初期，表面及其附近的微量稀土首先迅速氧化，形成内氧化区，通过弥散硬化作用使表面强化，从而避免了合金表面卷旋氧化皮和基体起伏的发生，提高了模具基体与氧化皮之间的粘附性及氧化膜与基体间的结合强度 。另外，硅和铬能形成连续致密的氧化膜，可覆盖在材料的表面，阻碍氧进一步扩散到材料内部、与内部的元素发生氧化反应。由于石墨的存在，铸铁的氧化比钢更复杂。石墨形态不同，氧化过程也不同，对铸铁抗氧化性的影响也不同。灰铸铁以直接氧化为主，氧化通道是片状石墨，外界高温氧化气流能通过该氧化通道向基体内部渗透；球铁以间接氧化为主，氧离子从界面沿最近的途径扩散到石墨球中，石墨球逐个被氧化；而蠕铁的氧化性介于这两者之间。所以，球铁的氧化速率最小，但因其导热性较差，铸件不能快速凝固，从而降低了生产率。而蠕铁的抗氧化性次之，但好于灰铁，与灰铁钢锭模相比，球铁钢锭模使用寿命长，因而能降低炼钢成本、节约能源和原材料。鞍山钢铁公司利用稀土镁合金处理高炉铁液，浇注球铁钢锭模，并对其结构进行了改进，使钢锭模消耗从原来的 18.62kg/t 下降到6.50kg/t，钢锭模平均使用次数从原来的 54.59 次提高到137.8 次，取得了明显的经济效益。3 激光熔覆技术3.1 激光熔覆技术原理激光熔覆技术兴起于20世纪80年代，它是利用高能密度的激光束，将通过输送装置的金属粉末或事先预置于基体上的涂层熔化，在基体上形成熔池。在光束通过后，熔化金属( 包括涂层材料和部分基体材料) 快速凝固后与基体冶金结合，形成单道熔覆，并通过多道搭接，在基体上建立一定体积范围的熔覆层1。由于只在基体表面熔覆很薄的一层涂层，就能达到在低成本钢板上制成高性能表面的目的，从而代替了用贵重、稀有金属材料制作的高级合金，降低了能源和资源消耗。因为基体材料的良好的导热性能，从而产生极高的冷却速度，使熔覆层快速凝固结晶。不但产生高结合强度冶金结合，而且还获得均匀细小的显微组织，由此获得具有非常优异的力学性能和耐磨、耐蚀性能的表面2-3。激光熔覆技术成为备受研究人员青睐的课题。激光熔覆技术示意图见图1 4。1.短型光束或高斯型光束 2.气动送粉 3.测量孔 4.振动器 5.粉末漏斗箱 6. CO2体激光束高频振动 7.样品运动 8.样品 9.熔覆厚度 10.熔覆层图1 激光熔覆示意图3.2 激光熔覆技术参数激光熔覆技术主要涉及的参数类型有工艺参数、过程参数、质量参数。其中:工艺参数包括光源参数(功率、焦点尺寸、波长，脉冲，光束轮廓)、工件运动参数( 精度、速度和加速度)、基体参数(几何形状、材料属性、预热温度)、粉末参数(材料成份、几何形状、粒度、分布状态)、送料参数(送粉率、喷嘴形状)和环境参数(保护气种类、流量)等。过程参数包括能量吸收率、热传导率、粉末利用率、材料扩散、熔池温度和流动性、粉末对激光能量损失率、凝固速率等。质量参数包括宏观几何形状( 层宽、高、过度层深度)、硬度、表面粗糙度、稀释率、结合性、微观金相结构、残余应力、缺陷(裂纹、气孔)等。这些参数正是激光熔覆技术研究的控制和结果对象。3.3激光熔覆的特征由于激光熔覆是近似于绝热的骤热骤冷过程， 和其他常规表面改性技术相比，它具有无可比拟的优良特性：熔覆层具有很高的加热和冷却速度(103106/s)；同基体属于冶金结合，熔覆层致密，加热区域小；熔覆材料选择范围广泛，熔覆层的组织结构和性能易于控制；可实现局部甚至微区加工，易于实现自动化。【7】3.4激光熔覆的应用 与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。 从当前激光熔覆的应用情况来看，其主要应用于五个方面【8】： (1) 对材料表面性能的改良，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等； (2) 对产品的表面修复，有关资料表明，修复后的部件强度可达到原强度的90%以上，其修复费用少，更重要的是缩短了维修时间。 （3） 对于有些材料，关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下大大提高其使用寿命。 （4）对模具表面进行激光熔覆处理，不仅提高模具强度，还可以降低制造成本，缩短制造周期。 （5）快速原型制造。利用金属粉末的逐层烧结叠加，快速制造出模型。又称作LENS (Laser Engineered Net Shaping) 、DLF (Direct Laser Fabrication)、DMD(Direct Metal Deposition)、LC(Laser Consolidation) 等。3.5激光熔覆的前景 工业的发展必须依靠先进的科学技术作为支撑，激光熔覆技术是一种新兴的表面处理技术，有着很大的发展前景。可以说它是让工业飞速发展的基石。为拓宽激光熔覆技术的应用领域，需要在以下方面做出突破性进展：(1) 研究大功率、高寿命和小型化、可以大规模运用在生产中的激光装置。(2) 寻找出有效的解决熔覆工艺探索研究熔覆层产生残余应力和裂纹的原因及解决方法。梯度功能涂层的开发为解决裂纹问题提供了新思路。采用在基底材料和熔覆层之间设置韧性良好的中间层的方法来缓解熔覆层中的残余应力能获得无裂纹的熔覆层。5-6(3) 基础理论上研究激光熔覆层的凝固机理、结晶和相变过程，从而揭示材料微结构的形成、演化机理及其规律；研究温度对熔池的影响，熔池流的对流机制，冷凝时熔覆层内发生的组织变化过程及其规律，进而完善加工工艺参数。4激光重熔技术4.1激光表面技术激光表面工程技术由于具有功率密度高、 激光束的可控性好 、 易与其他表面处理技术复合、易于实现信息化和智能化以及激光器本身具有很大发展潜力等优点而发展成为“光加工”时代的标志性技术。 9-10激光表面处理技术以高能激光为热源,包括激光表面重熔( LSM) 、激光表面熔覆( LSC) 、激光表面合金化( LSA) 和激光相变硬化( LTH)等 11。 其中 ,激光表面重熔是目前应用非常广泛的一类激光表面处理技术 12。4.2激光重熔技术及工艺特点 激光重熔处理是近年来开发的材料表面处理工艺 ,是与激光熔覆、激光表面合金化、激光表面淬火等同时产生的工艺方法。激光表面重熔可以实现材料表面化学成分的调整, 进而实现材料表面显微组织和性能的调整。一般可以实现三种重熔方式:(1) 不加任何防护措施,使材料表面在空气当中进行激光加热熔化 ,同时,将一些易烧损的元素部分烧损掉,在以后的凝固过程中 ,表层产生与基体成分、 显微组织及性能完全不同的表面层。(2) 有一定的保护措施或在真空下进行激光表面重熔 ,保持重熔过程中最小元素的烧损量,表面重凝后获得与基体相同成分而显微组织 、 性能完全不同的表面层。(3) 加入一定的合金元素 ,使之在激光加热熔化过程中进入材料表面, 从而获得表层成分、组织、性能与基体完全不同的表面层 ,这种工艺常被称为激光表面合金化 。通常情况下 ,白口铸铁具有较高的硬度、耐磨性、 脆性 ,直接应用在很大范围上受到限制 ,而球墨铸铁具有足够的韧性、良好的铸造成型性 。对一些大体积 、结构复杂的球墨铸铁铸造机件而言,可通过表面重熔处理 ,使其成为白口铸铁表面层和常规显微组织球墨铸铁的复合材料,充分发挥其各自的优良性能。4.3球墨铸铁表面激光重熔 用激光表面加工的手段进行材料表面改性,诸如激光表面重熔, 合金化,涂覆,陶瓷化等等,都是通过控制近表层的化学组分和显微结构来达到的。通过对符合铁碳合金相图的稳定相铸铁组织表面进行激光快速熔凝,可以产生亚稳态的奥氏体加渗碳体结构。热影响带厚度也由于光束的高能量密度而减小到最小。这种表面的性质与其基体材料相比,无论在抗疲劳、抗腐蚀 、耐磨性等各个方面的优越性使得激光加工已在工业生产中得到了广泛的应用。合金铸铁由于它们的可铸造性能, 以及它们的良好的可加工性 , 被广泛应用于许多领域。 片状石墨的灰铸铁和球墨铸铁是它们的典型代表。在过去的十几年中, 对于铸铁表面激光重熔后的组织形貌及性能的研究已有大量的报道。例如有的文献报道了利用连续波 CO2激光器对铸铁进行表面重熔的研究。利用大功率脉冲激光器对铸铁进行表面重熔 ,以及对多道扫描产生的结构变异的机理的讨论也已见报道。指出, 采用优化试验设计的方法可以迅速有效地确定最佳工艺参数,并对型号为 QT600 的球墨铸铁样品进行了应用。 激光重熔处理过程中可能导致工件畸变与开裂,尤其对搭接激光重熔, 这种倾向更严重 , 在实际工艺操作时必须设法解决 。激光重熔处理工艺过程合理与否对重熔畸变 、 开裂倾向影响很大, 采用重熔前预热、 重熔后缓冷 、冷态搭接方式进行激光重熔处理 ,能有效地减小畸变 、开裂倾向。球墨铸铁激光重熔处理前应对材料进行预先热处