（机械设计及理论专业论文）gcr15轴承钢激光表面改性的试验研究.pdf

独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：么圭薹日期：丝竺：2 ：笸 大连理 ：大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：放盎，茎： 导师签名 秀受经，一 疆! 芏年，上互月日 大连理： 大学硕士学位论文 摘要 轴承是现代机器中广泛应用的通用部件之一，对整个系统的支承起着重要的作用， 是整个系统力的承受部件，它的寿命对整个系统的性能起着决定性的影响，有时还决定 着整个系统的安全问题。轴承机械性能的提高对整个系统机械性能的提高起着至关重要 的作用。 该文主要是针对g c r l 5 轴承钢激光表面改性的试验研究。首先，确定了激光参数和 试验方案，其中，选择无措接扫描方式，并以离焦情况下光斑的特性对无搭接扫描方式 进行补充，得到比较均匀的硬化层；变参数选取输出功率、离焦量和扫描速度，根据试 验选取一定的范围，各为五个水平；对多参数的试验方案进行分析比较，设计了三因素 五水平的正交试验设计。其次，用d m h 2 l s 型显微硬度仪测量硬度，压力选择5 0 # ， 对每组数据测量硬化层深度方向和硬化层的硬度值，并对试验结果进行了分析。然后， 用m e f 3 金相显微镜做g c r l 5 轴承钢激光表面改性后的显微组织分析，其金相组织般 可分为五层：熔化层、完全硬化层、过渡层、回火层和基体组织；并分析了激光表面改 性比一般表面改性优越性的主要原因是得到了更加细小的马氏体组织。最后，使用三电 极体系做电化学耐腐蚀性实验，采用c p 5 1 综合腐蚀测试仪和p r i n c e t o n 电解槽测出极 化曲线，通过极化曲线测试结果的分析，发现激光表面改性工件的耐腐蚀能力与未经激 光表面改性工件的耐腐蚀性能相比耐腐蚀性得到了提高，当输出功率为1 2 0 w 时提高了 1 4 7 ：输出功率为1 6 0 w 时提高了5 5 1 ，当输出功率为2 0 0 w 时提高了8 5 ，输出 功率越大，工件的硬度就越高，耐腐蚀能力也就越强。 本文的工作提出了无搭接扫描方式与激光光斑状态相结合的试验方法，改善了硬化 带上硬度不均匀的现象，解决了过去的基础研究不能应用于生产实际的情况，并对耐腐 蚀性能做了比较，为g c r l 5 轴承钢激光表面改性和应用提供了理论与试验的依据。 关键词：激光表面改性；g c r l 5 轴承钢；硬度；显微组织；耐腐蚀性 大连璎：_ = 大学鹾士学位论文 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h el a s e rs u r f a c em o d i f i c a t i o nf o r g c r l 5 b e a r i n g a b s t r a c t t h eb e a r i n gi so n eo ft h eg e n e r a lu s e dp a r t st h a te x t e n s i v ea p p l i e di nt h em o d e m m a c h i n e ，a n dm a k ei m p o r t a n tu s et os u p p o r tt h em a c h i n ep r o p e r t yo fw h o l es y s t e m i ti st h e w h o l ea c c e p t a n c ep a r t so fs y s t e m ；t h el i f es p a no ft h eb e a r i n g st a k e sd e c i s i v ei n f l u e n c eo nt h e f u n c t i o no fw h o l es y s t e m ，s o m e t i m e ss t i l ld e c i d es a f ep r o b l e mo ft h ew h o l es y s t e m t h e e x a l t a t i o no ft h eb e a r i n g sm a c h i n ep r o p e r t yi st h em o s ti m p o r t a n tt h i n gf o re n h a n c i n gt h e w h o l es y s t e mm a c h i n ep r o p e r t y 。t h et h e s i si sm a i n l yo nt h er e s e a r c ht h a tc h a n g e st h es u r f a c ep r o p e r t yo fg c r l 5b e a r i n g s s t e 醴b 审l a s e r f i r s t l y ，i tm a k e sc e r t a i nt h ep a r a m e t e r so fl a s e ra n dt h ed e s i g no fr e s e a r c h ， a m o n gt h e m ，t h en oo v e r l a p s c a rs t y l ei sc h o s ea st h ew a yf o rl a s e rs c a n ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h el i g h ts p o tu n d e rf o c n so f f s e tc o n d i t i o ni sc h o s ea sc o m p l e m a n t a r i t l e s ，t h e n g e t t i n gt h em o r ee v e nh a r d e n i n gl a y e r ；t h ee a c ho fp a r a m e t e r s ( o u t p u tp o w e r ，v a l u eo ff o c u s o f f s e ta n dv e l o c i t yo fs c a n ) d i v i d e st of i v el e v e i si ns o m eb o u n d o nt h ea n a l y s i so f c o m p a r i s o no f r e s e a r c hw a y s ，t h r e ef a c t o r s f i v eh o r i z o n t a lo r t h o g o n a le x p e r i m e n t sa r e d e s i g n e d t h e n e x ti no r d e r , m e a s u r et h ed e g r e eo fh a r d n e s sw i t ht h ed m h - 2 l s m i c r o h a r d n e s si n s t r u m a n t ，t h ep r e s s u r ec h o o s e st h e5 0 9 f m e a s u r et h ev a l u eo fh a r d n e s so n t h el a y e rd e p t hd i r e c t i o na n dh a r d e nl a y e r , a n da n a l y z e dt h er e s u l to fe x p e r i m e n t t h e n ，u s i n g t h em e f 3 一m e t a l l o g r a p h i c a lm i c r o s c o p et oa n a l y s i st h ed e t a i l so fg c r l 5b e a r i n g ss u r f a c e o r g a n i z a t i o nt h a tp r o p e r t yh a sc h a n g e db yl a s e r 甓eo r g a n i z a t i o ni sd i v i d e di n t of i v el a y e r s g e n e r a l l y ：t h em e l t e dl a y e r , t h ec o m p l e t eh a r d e nl a y e r , t h et r a n s i t i o n a ll a y e ra n dt h eb a s eb o d y o r g a n i z a t i o n a n dm a k ec o n c l u s i o nt h a tt h em a i nr e a s o no ft h es u p e r i o r i t yi st og e t h em o r e s m a l lm a r t e n s i t eo r g a n i z a t i o nb ya n a l y s i st h es u r f a c et h a tc h a n g e db yl a s e r f i n a l l y ，u s i n g t h r e ee l e c t r o d es y s t e m st od ot h ee r o d er e s i s t e de x p e r i m e n to ne l e c t r o c h e m i s t r y ，d r a wt h e o u t l i n eo fp o l a r i z a t i o n c u r v eb y u s i n gt h e c p 5 1 s y n t h e t i c a l l yt e s t i n ge r o d er e s i s t e d i n s t r u m e n ta n dp r i n c e t o ne l e c t r o l y s i ss l o t t h er e s u l ta r e ：t h ee r o d er e s i s t e dp r o p e r t yo f s u r f a c et h a tc h a n g e db yl a s e re n h a n c e1 4 7 w h e no u t p u tp o w e ri s1 2 0 w ，e n h a n c e5 5 1 w h e no u t p u tp o w e ri s1 6 0 w e n h a n c e8 5 w h e no u t p u tp o w e ri s2 0 0 w ，a n dt h em o r ed e g r e e o fh a r d n e s si n d u c et h eh i g h e ra b i l i t yo fe r o d er e s i s t e dp r o p e r t y t h em e t h o d st h a ti n t e g r a t et h es t y l eo fn oo v e r l a ps c a nw i t ht h es t a t u so fl a s e rl i g h ts p o t i su s e d ，i m p r o v i n gt h eh a r d n e s su n i f o r m i t yo nh a r db e l t m a k i n gt h ef o u n d a t i o nr e s e a r c h a p p l yt o a c t u a lp r o d u c t i o n ，a n dc o m p a r e dt h ee r o d er e s i s t e dp r o p e r t y , t h et h e o r i e st h a t 张素芳：g c r l 5 轴承钢激光表面改性的试验研究 o b t a i n e dh a s , 0 nt h et r i a la r ep r o v i d e df o rs u r f a c ep r o p e r t yc h a n g i n ga n da p p l i c a t i o no f g c r l 5b e a r i n g k e yw o r d s ：l a s e rs u r f a c em o d i f i c a t i o n ；g c r l 5b e a r i n gs t e e l ：h a r d n e s s m i c r o s t r u c t u r e ；e r o s i o nr e s i s t a n c e i v 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 轴承的失效 轴承是现代机器中广泛应用的通用部件之一，对整个系统的支承起着重要的作用， 是整个系统力的承受部件，它的寿命对整个系统的性能起着决定性的影响，有时还决定 着整个系统的安全问题。轴承机械性能的提高对整个系统机械性能的提高起着至关重要 的作用。对有些轴承来说，工作条件恶劣、高速、高温、大负荷，腐蚀等问题使轴承提 前失效。洛阳轴承研究所焦育洁和周志澜收集了来自机械工业部1 7 个单位的3 0 0 0 多台 发动机的主轴轴承修理记录和近百件轴承失效件，对数据和失效件进行了统计和分析， 得出结论：历年来绝大多数航空发动机主轴各类轴承的失效模式主要是以表面划伤、擦 伤、锈蚀、磨损、轻载打滑、偏磨、载荷轨迹下移、压坑、疲劳剥落、电流侵蚀、保持 架变形、裂纹、两级磨损( 猫眼圈) 、受热变形、尺寸胀大或缩小、振纹和保持架镀层 脱落等，其它使用场合的轴承也具有相同的失效模式i ”。特别是在水中和腐蚀性环境中 工作中的轴承，腐蚀更为严重，这就需要一种硬度高、抗磨损、抗腐蚀、高温下尺寸稳 定的材料来满足轴承工作的要求。 随着机械工业向高精度、高效率和高度自动化方向的发展，各种机器的工作转速不 断提高，目前数控机床主轴转速己从3 0 0 0 5 0 0 0 r m i n 发展到1 5 0 0 0 7 0 0 0 0 r m i n 。如美 国b o s t o n d i g t a l 公司立式加工中心的主轴转速为6 0 0 0 0 r m i n ，瑞士m i k r o n 公司的高速 数控镗、铣床，主轴转速为4 2 0 0 0 r m i n 。在一些高科技领域和某些特殊环境下工作的机 械，如航空航天、核能、化学、石油等行业，需要在高精度、高温高速、耐磨损、耐腐 蚀、真空、无磁性、无油润滑、重量轻等特殊环境下工作的轴承，现在般的轴承钢不 可能满足这些要求。高速旋转的轴承，滚动体会产生很大的离心力，离心力造成的球与 外圈滚道的压力甚至超过外载荷的作用，从而缩短了轴承的使用寿命。此外转速过高将 在球上作用一个很大的陀螺力矩，使球与套圈产生滑动，增大摩擦力矩，引起发热和套 圈与保持架的破坏。因此，对于高精度、高速高温机械来说仅仅依靠对钢轴承改进结构 和改善润滑条件己远不能满足要求，需要进步研究开发新型轴承，才能适应高科技和 工业生产发展的高速传动要求。其高精度、高速商温轴承工作表面主要失效形式是磨损 ( 磨粒磨损、接触疲劳磨损) 。精密轴承工件表面实际存在着的多层微观结构变化，必 然对其表面耐磨性能产生不同程度的影响。 张素芳：g c r l 5 轴承错激光表蕊改性的试验研究 1 2 提离轴承机械性能的方法与比较 ( 1 ) 隽了瀵足李盘承豹後攥要求，人稻一鲞皴力予繇突冬耱套搀瓣方法采提寒辘承 静使用瞧麓。在先进静设计爨论方面提出了动态设诗、优诧设计、虚搬设计等；在设诗 范畴方筒，提出了面向制造的设计、面向装配的设计等。这些设计理论与方法有效地提 高了产晶的设计质量，设计出的产品具有先进的漱术性、良好的环境协调性及合理的经 济性，在一定的范围内提高了产品的质量，延长了产品的寿命。先进的触造技术有效的 提高了产潞黪糖工质量，延长了产品骢健用寿会。缳是虫手设计和巷l 逡驰局限瞧毒些阕 嚣著不怒投纛先进鹣设诗帮懿逑攘零裁缝簿决豹。 ( 2 ) 人们不断致力予发鹈新型的基础材料米提高轴承的使用性熊，这方面也获得 了可喜的成就，研制出了一系别的特殊功能材料满足某些轴承在特殊墨况条件的使用要 求。例如：磁悬浮轴承、液体渤静压轴承、陶瓷轴承。当今所说的陶瓷轴承主要是以 s i 3 n 4 为材料做成的轴承1 2 - 4 ，爨静围际上发展应用豹离速陶瓷轴承主要魑潺合型，e b e r t 轻n i s h i h a r a 发理混会辘承豹嫒楚寿禽鬟显褰予麓溅号镶辘承戆捷蠲海螽强，c h i u 等久 认兔在润滑不良条件下，离懑混合轴承静温舞鞠撼低于钢轴承静温升 掰。但是陶瓷辘承 的加工魁一个很难的课题，用陶瓷材料做的整体轴承最后很难做成形加工，不易达到轴 承的尺寸精艘和表面粗糙度，逡就造成轴承的加工时间长，磨削效率低，加工成本高( 一 般加工费粥占总成本的6 5 9 0 1 7 ) 等阔题，遴旃就是砂轮的价格墩比较昂贵，造成 捷王成零懿撵褰。试验绐象交鞠：瘸瓷球麓承豹镧缝筑：镪镬| 球辘承戆镪馕努，餐箕振动 大，主要遥楚由予陶瓷璩涮逡加工方蠹存在豹一熬闽题，羯瓷辘承程嬲滋、润滢袭散热 不充分的情况下不能正常工作【4 j 。 ( 3 ) 轴承钢的品种开发。就是在轴承钢原脊的化学元素中添加特殊元素、增加或 减少某种元索的含量等等 8 1 。璋街承新材料的开发怒一个基础的过程，对轴承的发展起着 基础的棒趱，但是，凝材料敬开发莠不是一个德攀的攀情，从轴承移娥发震来看，薪秘 赣弱嚣笈稳震其它方法来爨麓麓承静毽霉寿鑫懿 蠢魏来看，它浆笈震嶷在太过缓矮。 ( 4 ) 随着现代科学和技术的发展，薄膜科学融成为近年来迅速发怒的学科领域之 一，是凝聚态物理学和材料科学的一个重要研究领域。在轴承表面制镰蚀能优异的表面 功能薄层，具有重要的意义1 9 】，长期以来，人们发明了多种轴承沉积薄膜的制膜技术和方 法。近几十年来，龙其是三柬( 离子柬、电子束、激光束) 沉积薄膜技术得裂了更大懿 发震，取搿了穰大戆戒栗。鲷蘩：熬 孛激毙浚积毅零l 搬、电予素蒸蒸发滚菝羧零、塞予 束注入按零川和离子束溅射沉积技术1 1 2 】等。 几乎所有的镀膜设备都很蹄贵，而且都需要真空裟黉，镀膜条件所需要的真空度都 很高，加工成本很高，而且效帮比较低，只适用与小批、单件生产。 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 机械产品的故障往往是个别零件失效造成的，而零件失效往往是由于局部表 面失效造成的，腐蚀从零件表面开始，摩擦磨损在零件表面发生，疲劳裂纹有表面向里 延伸。应用表面工程技术可将那些易损零件的易损表面的失效期延长使产品的整体性 能得到提高。轴承是典型的表面工作零件，轴承表面有细微的磨损、疲劳、腐蚀等失效 出现，就可使整套的轴承失效，可以说轴承的失效大部分都是从表面开始的，通过表面 工程技术可以改善轴承的工作表面的状态，提高表面耐磨性或耐腐蚀、抗疲劳、抗氧化、 防辐射性能，提高轴承的寿命；改善表面的传热性、隔热性、导电性、绝缘性、导磁性、 电磁屏蔽性、粘着性、不粘性、吸油性、干摩擦性和摩擦系数( 提高或降低) 来增加轴承 的使用性能。轴承工作表面的强化技术多年来直为人们所年用，例如： ( 1 ) 渗碳氮处理。高温下碳氮共渗工艺为9 0 0 强渗和9 2 0 c 扩散【1 3 1 。这种方法在 不同的表面改性和回火状态下，沿共渗层就有疲劳裂纹的产生，这样就不可避免地减少 了轴承的寿命，引起轴承提前失效，为客户造成了时间和金钱的浪费。 ( 2 ) 化学镀和电镀。这两种方法不可避免的会在轴承上附加所不必耍的元素，有 时镀液还会腐蚀工件，镀液稳定性差，操作困难，合格率低，镀层质量不稳定，极易出 现麻点等疵病，这些缺陷导致镀层易剥落，耐蚀性能下降，轴承疲劳极限下降，其精度 也只能是满足一般要求，模件阴极要根据工件需要设计加工成专用的形状，电解废液不 易妥善处理，对环境造成很大的危害等很多缺点。这些方法也为轴承性能的提高，为轴 承工业的发展做出了很大的贡献，但是他们的缺点也是不容忽视的，所以至今还在不断 发展和完善。 ( 3 ) 激光表面改性。7 0 年代以后，随着大功率激光器件的研究，特别是大功率c 0 2 激光技术的迅速发展，出现了一个崭新的激光加工领域一材料的激光表面改性。由于它 不值改变了零件的外形尺寸，而且还可改变材料的内在性能，所以被称为激光加工的第 二代应用。用激光强化材料，可能会改变机械零件的某些设计原则，并可能给产品制造 工艺带来根本性的变化【1 4 1 。利用这种强化方法可以改变零件各部分的性能，故可以用比 较便宜的结构材料制造零件，经过激光表面改性后，得到具有非常高的硬度、强度、耐 磨性、耐蚀性、好的表面粗糙度和长使用寿命的轴承零部件。例如：洛阳轴承研究所的 王伯栋在c 0 2 激光器上做的轴承钢的激光表面改性1 1 5 j ；天津理工学院材料科学与工程系 的王志奇，刘长瑛等做g c r l 5 钢激光表面改性表面硬化层残余奥氏体测定及研究【1 6 1 。 张素芳：g c r l 5 轴承钢激光表面改性的试验研究 1 3 激光表面改- 陛的优点 虽然激光表面改性在轴承领域研究的并不是很多，但是为轴承的发展又提供了一条 新的通道，在轴承领域具有很大的发展空间。激光表面改性不论是在表面改性效果方面、 工艺操作方砸、劳动环境方面都具有很大的优势。 1 3 1 在表面改性效果方面 ( 1 ) 激光是小面积扫描式加热，工件变形很小。 ( 2 ) 可以在工件精加工后进行表面改性，处理后仅需极小量的磨削加工即可，可 使具有优异性能的处理表露得到充分保存。 ( 3 ) 容易实现任意形状的表面，不受工件形状的限制，例如轴承的齿轮在工作中 两齿面在相交线处产生滑移挤压，齿面接触出承受脉冲接触应力，而在齿根则受局期弯 曲应力，因此其主要失效形式为齿面疲劳点蚀和齿根疲劳折断。所以当今用户都要求齿 根和齿面都必须表面改性处理，来提高齿轮的承载能力，延长使用寿命。但是传统的齿 轮硬化工艺如感应表面改性和火焰表面改性都存在些缺陷，处理后的表面变形大而且 不易获得沿齿廓均匀分布的硬化层，而且还要受到齿轮模数的限制，有些模数的齿根不 能表面改性处理。激光表面改性就不受这个限制，可以处理任意表面。 ( 4 ) 因激光加热冷却极快，故热影响区极小。 ( 5 ) 处理速度快，效率高。 ( 6 ) 由于激光为无接触加热，工件不会受到污染。 ( 7 ) 硬化层深度和硬化面积可准确测定和控制，生产上重复性好，可保证产品的 高质量和生产的稳定性，既适合单件大批量生产，也适合多品种小批量生产。 ( 8 ) 加热时间短，温度升高仅限于工件表面附近，也就是只加热表面而不会提高 材料的整体温度。 1 3 2 工艺操作方面 ( 1 ) 操作简单，可进行数控或计算机精密控制，处理结果重复性好 ( 2 ) 表面改性时不需喷水，或采用其它冷却措施。 ( 3 ) 表面改性可在大气中进行，也可在真空或其它特殊气氛中进行处理。如果需 要在特殊气氛中进行，仅需要将工件至于带透明窗的密封罩内即可，激光可透过透明窗 加热工件。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 3 劳动环境方面 激光表面改性过程中，不产生有害气体或物质，噪声很低，不辐射x 光，热辐射也 极少，不会造成公害。对激光的防护也较容易，可大大改善表面改性的劳动条件。并且 它完全是在大气的环境下实现的，不需要其它昂贵的附着实验设备就能达到实验的目 的，很符合当代很多学者提出的“回归自然大气状态下研究”的思想。 1 4 激光表面改性的应用和研究现状 1 9 6 5 年k o k o p e 发现了4 5 钢激光打孔后可获得极高硬度的马氏体1 1 7 1 ，1 9 7 1 年美国 通用汽车公司首次成功进行了激光表面改性实验，到1 9 7 4 年该公司已经将激光表面改 性工艺用于实际生产【1 8 】，自此诞生了激光表面改性技术。自此以后，激光表面改性技术 成为了一种新兴材料表面改性技术，尤其是进入2 0 世纪8 0 年代以后，大功率工业激光 器和辅助设备的制造技术日益提高，激光表面技术逐渐成熟，使得这种技术的工业应用 和深入研究曰益活跃和广泛，激光表面改性技术是得到了越来越广泛的应用、其中工业 应用是占有比例最大的种。激光表面改性技术的应用涉及交通运输、纺织机械、重型 机械和精密机械的制造等：处理的零部件种类包括汽车、摩托车和轮船等的发动机气缸 体( 套) 内壁、曲轴、凸轮轴。转向器壳体、齿轮、机床导轨、油管螺纹、刀具刃口和 轴承等。 1 4 1 激光表面改性在国外的应用及研究现状 在国外，1 9 7 4 年美国通用汽车公司采用激光表面改性技术处理汽车转向器内腔( n - q - 锻铸铁) ，并且与2 0 世纪8 0 年代建成1 7 条激光表面相变处理生产线，日处理3 3 0 0 0 件， 耐磨性较原工艺提高近1 0 倍1 1 8 l ；意大利菲亚特公司采用h p l - 1 0 型激光器处理发动机 气缸孔内壁，取消了钢套，降低了油耗，节省了成本；德国奥格斯堡一纽伦堡机械制造 公司1 9 8 4 年就建立激光表面改性生产线，对大型发动机钢套进行激光表面改性，大大 提高钢套耐磨性、除此以外，日本丰田公司、美国的福特公司等也相继将激光表面改性 技术应用到汽车制造业中1 1 9 - 删。 1 4 2 激光表面改性在国内的应用及研究现状 激光技术在我国虽然起步较晚，但发展态势迅猛，国内目前将激光表面改性技术应 用与各行各业的单位业不少。( 1 ) 西安内燃机配件厂在“七五”、“八五”期间与华 中理工大学合作建成6 条钢套表面改性生产线，采用轨迹为螺旋线，耐磨性比各种合金 铸铁钢套及中频表面改性钢套提高4 2 ，与之相配活塞环耐磨性提高3 0 以上l l9 l ；由 于经济效应良好，目前该厂以已经拥有1 2 条年生产能力可达6 0 万支的激光表面改性生 张素芳：g c r l 5 轴承钢激光表面改性的试验研究 产线。( 2 ) 北京内燃机基体与大恒公司等单位合作创建年处理约为万台发动机钢体的 c 0 2 激光表面改性生产线，提高了生产效率1 1 。( 3 ) 青岛中发激光技术有限公司采用 激光网格工艺加工后的发动机钢体、曲轴等零件的表面，寿命提高3 5 倍。( 4 ) 合肥 工业大学在硅基片材料上做了激光表面改性的实验研究，消除或减少半导体器件基片材 料的杂质和微缺附2 1 1 。( 5 ) 1 9 9 4 年柳州市汽车发动机厂做了柴油机推杆的磨损与激光 表面改性研究【2 2 1 。( 6 ) 洛阳轴承研究所1 9 9 4 年做了轴承钢的激光表面改性【1 5 l 。( 7 ) 上海交通大学材料科学与工程学院1 9 9 8 年研究了计算机模拟与表面改性智能化i 飙。( 8 ) 天津纺织工学院激光应用研究室1 9 9 8 年研究了y a g 激光表面改性研究l 卅。( 9 ) 天津 理工工学院2 0 0 3 年做了轴承钢表面改性的表面硬化层残余奥氏体测定及研列矧。( 1 0 ) 浙江工业大学2 0 0 3 年研究了基于二维传热数值分析模型的激光处理专家系统陶。( 1 1 ) 江西省科学院应用物理研究所2 0 0 4 年进行了h 1 3 钢激光表面改性组织与性能的研究 2 7 1 。全国各地几乎都有不f 可规模的激光加工中心，为各行各业机器零件进行激光表面改 性研究和应用。 在激光表面改性的研究中，国内外的学者最初集中在探讨激光表面改性铁基材料改 变和改善材料性能的机理，他们对激光表面改性低碳钢、中碳钢、高碳钢、舍金钢、铸 铁等都做了大薰的研究【2 蚰引。 近两年随着激光表面改性技术实际应用的日趋广泛，从面向生产实际的角度，研究 人员又做了大量探索工艺参数的实验和理论研究工作。一方面通过实验，探求生产条件 下工艺参数的选取，并得到相当多能指导生产实践的有价值的工艺参数【删。另方面通 过建立符合要求的温度场，对其进行数值求解甚至动态仿真，利用温度场的数值计算结 果估算出硬化层深度，或者反推算激光表面改性的工艺参数，其结果也可以指导生产实 践l a a - a ”。后一种方法只要通过少量验证实验，证明数值计算结果在激光表面改性过程中 的适用性就行，大量的工艺参数筛选工作由计算机进行，大大节省了人力、物力和时间， 因此近两年伴随着计算机技术的高速发展，对激光表面改性过程的数值计算和动态仿真 也成为国内外一个研究热点【3 2 。3 5 l 。 随着激光表面改性技术的不断推广应用，工业化生产对设备可靠性和稳定性的要求 越来越高。鉴于此，研究人员开展了对激光器光腔结构、光学元件、冷却技术、表面吸 收涂层种类、喷涂技术、复杂零件表面改性加工用数控机床的研究以及为了满足大规模 工业化生产，对激光设备的各个零部件标准化、规模化设计等的研究，不断地促进激光 表面改性设备的发展【强3 7 1 。 大连理工大学硕士学位论文 1 。5 激光表蕊改性的巍斓和发器越势 激光是一门高新技术，应用领域很广。激光表面澈性的关键技术有三点：高功率的 激光器；与计舞机配套的多彝由度加工设餐；适用与不阗应用场合的激光表露改髅工艺。 经过我国辩技人员几十年鹣努力，这三方匿都已经取褥了缀快的发袋，为激光袭蕊改缝 技术的推广创造了条件。避几十年来，我国激光产业增长速度很快，高于国际激光产业 发展的速度，也高于全国工业增长的速度，可见其前景是非常远大的。 餐是激毙表覆改眭按零戆应蔼在我辫羯不善速，圭鬟是大翻对激炎技寒豹寂建还存 在不同程度豹神秘化和偏见；激光表面改性应用推广激传不够，缺泛实践；一些试验成 聚不能应用于生产实际；大面积改性时硬化层不均匀绒具有回火现敷等问题。因此应尽 快把激光技术的科磷成果，特别是激光袭藤改性技术麟肉经济、嚣囱市场、霹向全社会， 为王盈企盈臌务，不鼗推广，扩大荬嶷糯。为了这弱运一叠鹃，建交专监豹激汽寝蘧改 徽生产线固然露要，然而建立多功能的激光加工中心，为更多的中小企业服务，熙不可 少。在美国、欧洲、日本就商这种加工中心8 0 0 多家，我国不少城市近几年也建立了相 炎骰的激光热王中心，照务鸯各行各效，起蓟了缀好麴示菠终羯，瞧氆造了哥黢戆经济 效益和社会效益，丽时还黉试验研究络采与实际生产结合起来，把研究结果应髑捌实际 生产中。所以，激光表面敬性可以解决众属表面的很多问题，只是工艺要不断的摸索、 探讨、实验。激光表面改性中心可以完成这些工作，势以最快的速发发展其应用。例如： 褒不瑟发震豹汽车、拖拉橇修理行整串，激光表瑟竣壤已经取褥 鬻好熬应焉效聚。近 几年来，激光液面改性技术开始应用在轴承行业，也取得了不错的效果，越来越多的人 员开始研究激光表面改性程轴承行业的威用。激光表蕊改性技术的发展和应用必将加速 浚莺豹激光产救毯连程。 1 6 本试验的目的和激光表面改性需要解决的问题 1 ，6 1 本试骏的目的 本试验豹嚣静是为了掇离轴承豹使惩往箍，遵过提高轴承锈弱撬壤性戆来掇裔其使 用性能，主要是提高轴承铜的硬度、耐腐蚀性和金栩组织进行检测。 所使用的轴承钢为轴承行业最常用的材料g c r l 5 ，具体成分见液1 1 。 表1 1g c r l 5 轴承钢的纯攀成分 t a b 1 1t h ec o m p o n e n to fg c r l 5b e a r i n g ( w t ) 化学成分 c c rm s i ps 含量 l 国31 4 5 0 ，3 4o 。2 60 奄1 30 0 1 5 张素芳：g c r l 5 轴承钢激光表面改性的试验研究 1 6 2 激光表面改l 生需要解决的问题 1 激光表面改性中，当太面积扫描时，由于扫描方式的不同存在硬度不均或回火现 象，需要得到硬度值比均匀和没有回火现象的硬度层。 2 当今激光表面改性所做的试验研究中，所得出的激光参数由于试验条件和状态的 不同，所得到的试验结果很少应用与实际生产中，本试验需要得到在一定范围内都能提 高轴承钢机械性能的激光参数。 火连理工大学硕士学位论文 2 激光表面改性技术 2 1 激光表面改性的原理 激光表面改性是利用高能量激光照射工件时对工件表面快速的加热，利用光能转变 为热能，进行表面处理的独特加工方法。该工艺的特点是能够有选择地处理局部表面， 可以在不改变材料整体性能的情况下在局部表面得到所需要的性能。它是激光加工领域 中的重要组成部分。激光表面改性用高能量激光束为热源加热工件，使工件表面在高功 率密度( 达到1 0 3 1 0 4 w e r a 2 ) 激光的照射下扫描，工件表面吸收激光照射的能量，光 能转变为热能，表面迅速( 作用时间仅在1 0 1 0 - 1 s 之内) 被加热到相变温度以上、 熔化温度以下，此时工件温度仍处于室温。当光束移开或光束的能量减少时，能量又迅 速以1 0 7 1 0 s t 3 s 盼冷却速度向金属内部传导，使加热部分迅速冷却，这个过程进行的 非常快，以至于金属内部保持冷态，起冷却剂作用，从而获得表面改性效果，实现不需 要冷却介质就可以实现相变硬化，进行所谓激光自冷表面改性。但是当激光束照射至q 材 料表面的时候，如果材料表面局部区域温度超过材料的熔化温度，则在该区域将会被熔 化而成为液体，相应的熔化区域被称为熔池。在激光材料表面改性过程中，激光熔池形 成与否主要取决于激光的强度和照射的时间【3 m 。 由此可见，激光表面改性是最简单的表面改性，即用激光对着表面改性部位扫遍 即可完成。尽管如此，激光表面改性也要遵循与普通表面改性同样的规律，即最大的加 热温度大于钢的相变临界温度( t 一 a 1 ) ，冷却速度大于钢的表面改性临界冷却速度( v 冷 v 临) ，只不过激光对金属的加热和冷却都是以很高的速度进行的，因此它具有超 快加热的相变特征，从而使激光表面改性具有独特的优点，这一点非常重要。 2 2 激光表面改性设备 目前用于工业生产的激光器主要是高功率y a g 固体激光器和c 0 2 激光器。y a g 激 光器以钇铝石榴石单晶为基础材料，掺入适量的三价稀土离子n d 3 + ，构成掺钕钇石榴 石晶体( n d 3 + ：y a g ) 。根据n d ：y a g 晶体的形状不同，除了棒状外，今年来发展了 片装及管状y a g 固体激光器，其中棒状y a g 激光器国内外应用普遍【3 9 1 。自1 9 9 3 年我 国第一台5 0 0 w 的y a g ( y t t r i u ma l u m i n i u mg a r n e t 钇铝石榴石) 固体激光加工机用于 汽车发动机气缸表面改性以来【4 0 4 n ，我国激光器表面改性行业增加了新的成员。由于 y a g 激光的波长较短( 1 0 6um ) ，它是c 0 2 激光波长( 1 0 6um ) 的1 1 0 。波长短就容易被 金属吸收，表面改性效果好。5 0 0 w 的y a g 激光表面改性效果可相当于1 k w 的c 0 2 激 光表面改性效果。y a g 激光加工机设备结构简单，设备成本低，运行可靠，容易操作， 张索蒡：g c r l 5 轴承钢激光表面改性的试验研究 运行成本亦低。该枫自鉴定以来，3 年时间在国内已发展近2 0 台，丽且还在邈遮鬏展， 处理发动机汽缸2 万台以上，经济效益嗣社会效益擞藩。y a g 激光表面改性属于“小 斑点快扫描”工作方式，其扫描宽度一般为1 0 1 5 r a m ，扫描速度谯2 0 4 0 r a m i n ，使 麓功率为3 5 0 5 0 0 w ；纛c 0 2 激毙，箕凌率为8 0 0 1 2 0 0 w ，稿籀巍度为3 4 m m ， 鼍 描速度为0 8 1 2 m r a i n1 4 “。 2 。3 激光对众瘸材料的热炸用 2 3 1 热作用进程 激光表耐改性主要用予加工固体金属材料尤其是铁基材料，因此这里只讨论激光与 麟体垒属材料襁互作用的过程。固体金麟是由金属离予点簿和公有饿电子云组成。当红 耱激走辐慧溺髂金藩榜辩袋覆薅，出于溅子戆塞较鬣，主要与金瘸牵蠢峦毫予发塞菲弹 性碰撞，引禳自由电子的强迫振动；当入射激光为频率较高的可见光和紫外线时，较大 能量的入射光子不仅会引越自由电子的强迫振动，丽鼠会使得束缚电子强追振动。由于 迄今为止激光袭嚣菠性主要是曩长波长戆c 0 2 激必或y a g 激光，爨戳餐设入射炎予是 尚金属中自出电子相互俸翔。自由电子发生强追振动精，组成物放的粒子将成为震荡电 耦极子而辐射出次电磁波，次波与入射波之间，以及备次波之间相干叠加，从而形成 窥的反射波；瞰投射波，这就是激光辐照淼属枣孝辩表露反射光和投射光形成的物璎原因。 囊予金褒串羟瓣毫予豹密浚缀丈，送入愈藩肉豹授辩必在金藩表嚣辩近缓薄豹嚣凄蠹棱 电子吸收，吸收了光能处于高能级状态的电子将通过与其它电子相互碰撞进行熊置传 递，最终使吸收的光能以热能的形式不断转移。 上蠹是徽鼹上夯绍激光每金属专孝辩褒嚣糨互佟髑，、金孱表露墩牧毙藐著转像为热戆 的过程。麸宏鼹上诱，激必与毒孝料掴苴律用过程孛爨缀遵守能薰守德法翼| j ，帮 = 射+ 收+ 过 ( 2 1 ) 护pf 或1 = 二：鏊缒+ 兰墼鳖+ 翅酸= 震一+ r e ae b 式中，鳓为入射至材料表面的激光熊量；嚣t * 为被材料表两反射的能量f 占m 为被 楷辩表露吸收的麓璧；e 过必激光束透：i 璧搴| 料后的能爨；r 、a 、t 分剩表示光豹反射辜、 吸收率和投射攀。对予电警率一眈较大靛金属材辩露蠢，光能一般不能穿透糖料，西。 嚣于零；而且如果不经过任何处理的情况下，金属表顾反射率接近1 ，吸收率几乎为零 i ”j 。为了提磁金属表面的光能吸收率，巍激光表面敬憔之自进行预处理，如磷他、涂 壤狡瑟等。妻搂啜收光藐豹耪辩深凄霹辍逶过下式求缮； 大连理工大学硕士学位论文 = l o e 一“ ( 2 3 ) 式中，二为入射到材料表面( x - - o ) 的激光强度；a 为材料的吸收系数。一般情况 下， 材料的吸收系数与激光强度无关，只取决于材料的种类和入射光波长 4 5 1 口。竺垒( 2 4 ) 式中， 为激光波长；n 2 为材料复数折射率以= ，l l + 扔2 的虚部。根据( 2 3 ) 可以发现 激光强度随着入射深度的增加以几何级数减弱。对于从波长为0 2 5um 的紫外光波长为 1 0 6 pm 的红外光的测量结果表明：光在大多数金属内的穿透深度为0 11 1m 量级，吸 收系数约为1 0 5 1 0 6 啪一；并且表层吸收光能，将光能转化为热能的过程大约为1 0 - 1 1 1 0 1 0 s 时间间隔内完成【2 鲫。上述激光与材料直接作用的深度和从辐射转化为表层材料 热能的时间，与最终硬化深度和激光表面改性持续时间相比，这一过程极为短促，所以 在理论研究激光表面改性时，一般将金属表面的吸收层直接视为一个表面热源，由于表 层材料与基体材料之间有温度差，热量通过热传导的方式传递给基体材料。当激光束移 走以后，被加热材料继续通过热传导、对流和辐射等方式，消耗热能，从而使得材料的 温度下降。 2 3 2 影晌金属表面对光吸收率的因素 当激光垂直入射平板金属时，金属对激光的反射率r 为 尺墨! 也= 坠：竺i ( 2 5 ) ( h + 1 ) 2 + ，l i 金属材料为不透明材料，因此其表面吸收率为【4 6 1 a = i 一胆_ _ ( 2 6 ) “+ 1 ) 2 + n ； 其中 n 1 昌，1 2 = ( 2 7 ) 因此，固体金属对光的吸收与入射光波长、材料特性、温度、材料表面状况都有关。 将( 2 7 ) 代入( 2 6 ) ，经过简单整理后很容易就可以看出，吸收率a 随入射波长的增 加而降低，波长越长，吸收率越小；同理，金属的电导率越大，吸收率越低，其他条件 都相同时，不同金属表面的吸收率不同。 雁 张索芳：g c r l 5 轴承钢激光表面改性的试验研究 另步 材料的电导率受濑度的影响较大，从丽根攒式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) ，金藕袭瑶 对激光的吸收率随温度也发生变化，入射光所处的光波段不同，它们之间的关系也不 同，但是强翦激光表西改髓所使用激光多海c o z 激光鄢y a g 激光，因此吸收率随温度 秀离露增大。在室溢彝雪，蔽毅率较小，巍溢度蠢褰爨羧选熔轰薅，汲霾辜这4 0 5 0 1 2 0 , 4 - r j 。 金属表面状况对入射光吸收率有熏犬影响： ( 1 ) 磷像。磷毽是遴逡凭学或毫彼学反应在王绍裹瑟形成磷羧薤键学转纯貘魏蓬 攫，所形成的磷酸蘸纯学转纯膜称之为磷佬骥，这些磷纯膜的组成包括磷酸锰、磷酸锌、 磷酸铁等。对金属进行磷化的目的是给簇体金属提供保护，在一定稷度上防止被辐射； 用予涂漆打底，提离漆膜殿底附着力与防腐蚀能力；磁金属冷加工正芑中起减麟作用等 1 8 。在激瓷表嚣竣萑过程审，影痰瓣骥纯骥戆嚣熬蔻撵囊金震表弱懿瑟萋疆牧搴，莓遮 8 0 t 4 舛。 铁的磷化处理工序为：将磷酸盐囊己成一定浓度的溶液，在一定漱度下将工件鬣于其 中浸泡一定的融闻嚣，在量传表蟊就生娥一定厚度黪磷纯膜，磷纯攫的粒度胃獠阿维， 糙度的稽细霹通过控麓溶液静浓度、滠度稻浸逛露鬻寐达到。其王麓簿萃，遥焉予大孰 娥生产的场台。但是磷化处理也会带来一些缺陷：磷化后的工件激光处理后，在液面会 出现微裂纹，磷化表面缀激光处理后工件表面粗糙度增加，r a 增加0 。9 7 2 5 5 壮m f 钏， 静显对予菜登王箨