（机械电子工程专业论文）齿轮的激光淬火研究及与渗碳淬火齿轮的对比.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 材料表面激光加工是一个瞬态、非平衡、不均热过程，所形成的温度场及相应的温 度梯度场对加工质量产生重要影响。激光光束与材料的相互作用产生复杂的热交换是材 料表面激光加工热过程的实质问题。其中激光光束模式和光斑形状以及光束对材料的作 用方式是影响温度场的关键因素。光斑按形成方式可分为静态光束光斑和动态光束光 斑，动态光束光斑是聚焦光束扫描叠加形成的光斑，其产生的温度场较静态光斑更复杂。 在以往的研究中人们采用以与动态光斑具有相同的平均功率密度的静态光斑温度场表 示动态光斑的温度场，忽略了动态光斑作用点处的高能密度和对光斑处每一点加热、冷 却循环作用的过程的特殊性。激光转镜以扫描方式将激光束聚焦扫描成线状光斑。 本文首先研究了4 0 c r n i m o a 钢激光相变硬化基础工艺，结果表明，随着光斑扫描速 度的提高，硬化层深度降低，表面硬度存在一个极大值；随着激光功率的升高，硬化层深度 增加，表面硬度也存在一个极大值：激光淬火硬化层依其组织特征，分为完全淬硬区、过 渡区及高温回火区 通过采用齿轮激光热处理关键技术，获得了沿齿廓均匀分布的理想的硬化层。 4 0 c r n i m o a 钢激光淬火齿轮和2 0 c r 2 n i 4 a 钢渗碳淬火齿轮接触疲劳强度试验表明：激 光淬火齿轮可以代替渗碳淬火齿轮。同时对激光淬火齿轮和渗碳淬火齿轮淬硬层组织和 应力进行了深入的分析。 关键词：齿轮；激光淬火；渗碳淬火i 接触疲劳强度；应力 r e s e a r c ho fl a s e r - h a r d e n e dg e a ra n dc o m p a r i s o nw i t hc a r b u r i z e d g e a r a b s t r a c t l a s e rp r o c e s s i n go nm a t e r i a ls u r f a c ei sat r a n s i e n t , u n - b a l a n c e d ，d i s p r o p o r t i o n e d c o m p l e xp h y s i c a lc h e m i s t r yp r o c e s s ，w h i c hc r e a t e st e m p e r a t u r ef i e l da n dc o r r e s p o n d i n g t e m p e r a t u r eg r a d sf i e l d t h a th a v es i g n i f i c a n te f f e c to np r o c e s s i n gq u a l i t y t h ee s s e n t i a l p r o b l e mo ft h eh e a tp r o g r e s so fl a s e rp r o c e s s i n go nm a t e r i a ls u r f a c ei st h ec o m p l e xh e a t t r a n s f e rc r e a t e dd u r i n gt h e m a t e d a l 1 a s e rb e a mi n t e r a c t i o n m o d eo fl a s e rb e a m ，s h a p eo f f a c u l aa n df o r mo ft h ea f f e c to fl a s e rb e a mt ot h em a t e r i a la r ek e yf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h e t e m p e r a t u r ef i e l d f a c u l ac a nb ed i v i d e di n f os t a t i cs t a t eb e a mf a c u l aa n dd y n a m i cs t a t eb e a m f a c u l aa c c o r d i n gt ot h ew a yo f f o r m a t i o n f o c u s e db e a ms c a n n i n gs u p e r p o s i n gf o r m sd y n a m i c s t a t eb e a mf a c u l a , w h i c hc r e a t e st h em o r ec o m p l e xt e m p e r a t u r ef i e l dt h a ns t a t i cs t a t eb e a m f a c u l ad o e s i nt h es t u d yb e f o r e ，t e m p e r a t u r ef i e l do f s t a t i cs t a t eb e a mf a c u l at h a th a st h es a m e a v e r a g ep o w e rw i t hd y n a m i cs t a t ef a c u l aw a su s e dt om a n i f e s ta sd y n a m i cs t a t ef a c u l a t e m p e r a t u r e 丘e 垴n e g l e c t i n gt h ep a r t i c u l a r i t yo ft h eh i g he n e r g yd e n s i t ya tt h ea c t i o ns p o to f t h ed y n a l n i cs t a t ef a c u l aa n dt h ec y c l ep r o c e s so f h e a t i n ga n d c o o l i n go f e v e r y b i to f t h ef a c u l a l a s e rr o t a t i n g - m i r r o rs c a n st h ef o c u s e dl a s e rb e a mi n t ol i n e a t i o nf a c u l a t b i sw o r kt a k e s f a c t d as c a n n e db yl a s e rr o t a t i n gm i r r o ra s 疆e x a m p l e t h eb a s i ct e c h n o l o g i o fl a s e r - h a r d e n e d4 0 c r n i m e aw e r es t u d i e df i r s t l y t h er e s u l t s s h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo f t h es c a n n i n gs p e e do f t h el a s e rb e a m , t h ed e p t ho f t h eh a r d e n e d c a s ed e c r e a s ea n dt h es u r f a c eh a r d n e s sh a sa 础u l nv a l u e , w i t ht h ei n c r e a s eo fl a s e r p o w e r , t h ed e p t ho ft h eh a r d e n e dc a s ei n c r e a s ea n dt h es u r f a c eh a r d n e s sh a sam a x i m u m v a l u e 。a c c o r d i n gt ot h em i c r os t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i e ，t h el a s e rh a r d e n e d1 a y e rc a nb e e n d i v i d e di n t ot h r e ez o n e s ：c o m p l e t e l yh a r d e n e dz o n e , t r a n s i t i o nz o n ea n dt e m p e r e dz o n e u s i n gs o m ek e yt e c h n o l o g i e s ，l a s e r - h a r d e n e dg e a r sw e r eo b t a i n e d , a n dau n i f o r m h a r d e n e dc a s eh a sb e e na c h i e r e d t h ee o n t a c tf a t i g u es t r e n g t hc o m p a r i s o no fl a s e r - h a r d e n e d g e a ra n dc a r b u r i z e dg e a rw e r ei n v e s t i g a t e d 弧ec o n t a c tf a t i g u ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t l a s e r - h a r d e n e dg e a rc a nr e p l a c ec a r b u r i z e dg e a ri nv i e wo fc o m a c tf a t i g u es t r e n g t h t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dt h et w og e a r sa r ea l s oa n a l y z e di nt h i sp a d 既 k e yw o r d s ：g e a r ：l a s e r - h a r d e n i n g ；c a r b u r i z i n g ；c o n t a c tf a t i g u es t r e n g t h ：s t r e s s 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：扬绻经日期：磁幽 国 大连理工大学专业学位硕士学位论文 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：物丝雏 导师签名：毡 q 年垒月日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 随着现代科学技术的发展，对机械零件的性能的要求越来越高了。金属零件的内在 性能和质量，除材料成份特征外，主要是在热加工过程中形成的，热处理则是热加工过 程的最后一道工序。热处理是将固态金属( 包括纯金属和合金) 在一定的介质中，通过特 定的加热、保温和冷却方法，使之获得需要的组织，从而获得工程技术上所需性能的工 艺过程的总称，对决定机械性能和质量有着举足轻重的作用。因此，发展先进的热处理 技术己成为时代的要求。激光热处理作为一种涉及光学、材料力学、机械等多学科的先 进的高新技术，一直都备受瞩目。美国通用公司于1 9 7 1 年首次用一台2 5 0 w c 0 2 激光器 成功的进行了激光热处理试验，三十多年以来利用大功率激光器实现材料表面激光热处 理己在实践中得以证实，激光热处理技术以及特有优越性在许多工业部门得以广泛的应 用，国内外学者对该项技术进行了大量的理论和应用研究，其中激光热处理温度场由于 对显微组织、性能和残余应力等起着决定性作用，成为重要研究内容。 1 1 论激光表面淬火的机理和特点 激光表面淬火是快速局部淬火工艺的一种高新技术。这种方法只要用于强化零件的 表层，可以提高金属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 强度高的特点。 激光扫描时，激光与金属材料相互作用可根据激光辐照作用的强度和持续时间分为 四个阶段：1 、把激光辐照引向材料；2 、吸收激光能量并把光能传给材料：3 、光能转变为 热能加热材料达到快速加热；4 、材料在激光辐照后的相变或熔化或冲击产生晶格畸变及 位错，最终达到硬化效果。这些过程的进展特点取决于激光功率密度、持续时间( 扫描 速度) 、被加工材料的物理性能( 如材料对所有激光波长的吸收系数、导热系数、比热) 、 温度场分布以及材料的相交温度、熔化温度等。金属中存在大量的自由电子，该自由电 子受到光频电磁波的强迫振动而产生次波。这些次波形成了强烈的反射波和较弱的透射 波其中的透射波部分又在很薄的金属表面被吸收，因而激光在金属表面有较高的反射 比。特别对光子能量较低的红外光而言，光频电磁波只能对金属中的自由电子起作用。 对光子能量较高的可见光或紫外光而言，由于金属中的束缚电子发生作用，束缚电子的 作用将使金属的反射能力降低、透射能力加强，并增强了金属对激光的吸收。由于金属 中自由电子的密度较大，因而透射光波在金属表面附近很薄的表层内被吸收。对于波长 为0 2 5 u r n 的紫外波到波长为1 0 缸小的红外波段的测量结果表明：光波在各种金属中的 穿透深度达到l o n m 的数量级，吸收系数约为1 0 5 _ 1 0 6 g i d 2 。由于电子平均自由时间极短 齿轮的激光淬火研究及与渗碳淬火齿轮的对比 ( 1 0 l s s ) ，这种热传递与热平衡的建立非常迅速，理论上讲金属表面在激光作用下可在几 微秒甚至更短的时间内达到相变温度，甚至熔化温度【l 】。 激光表面淬火与普通淬火工艺相比具有独特的优越性： ( 1 ) 硬化层组织细化，其硬度比常规淬火提高1 5 一2 0 ，铸铁材料激光淬火后其耐 磨性可提高3 4 倍。 ( 2 ) 低成本材料可通过激光表面淬火来代替渗碳、气相沉积等复杂工艺、简化工艺， 降低成本，可对工件局部表面进行加热淬火。 ( 3 ) 激光淬火后工彳孛变形小，几乎无氧化脱碳现象，只要不发生熔化，对工件表面 的粗糙度没有太大的影响，可成为工件加工的最后工序 ( 4 ) 对工件的特殊部位，如槽壁、盲孔、深孔以及腔筒内壁等，只要激光光束能照 射到的部位均可进行处理；极快的加热速度( 1 0 4 1 0 6 s ) 和冷却速度( 1 0 6 1 0 8 ，s ) ，与 感应加热相比，生产率高，工艺过程易实现计算机控制，自动化程度高。 ( 5 ) 由于金属材料具有优良的导热性，可使中断加热后，加热部位迅速冷却，实现 自冷淬火，不需要油或水等淬火介质，避免了环境污染。 以上特点都是不仅常规热处理工艺望尘莫及，而且也是某些先进的热处理工艺难以 达到的，但这不意味着激光表面淬火可以全部取代其他的表面热处理技术。作为表面局 部硬化处理，激光硬化处理具有其独特的优点，可适用于其他硬化技术所不能完成或难 于实现的某些零件及其局部部位的表面硬化处理。 激光表面淬火的局限性也是很显而易见的： ( 1 ) 由于其只是表面局部硬化处理，无助于心部性能的改变； ( 2 ) 硬化面积小，硬化层深度浅，因而不适合大负载重型零件； ( 3 ) 设备费用高，经费一次性投入多等。 从目前研究和应用的情况来看，激光表面淬火的材料主要邑钢铁材料和铸铁材料， 一些有色金属如钦合金、铝合金、镁舍金、镍基高温合金也可以进行激光表面强化处理。 目前，国内外广泛用于处理汽车、机车。机床及其配件、刀具、模具、轻工、农机、军 工等许多工业部门。美国己采用激光表面淬火取代渗碳、渗氮等化学表面淬火方法来处 理飞机、导弹的重要零件。在我国，激光表面淬火在航空、航天、兵器等行业也都有一 些应用。 1 2 激光淬火的国内外研究现状 热处理是将固态金属( 包括纯金属和合金) 在一定的介质中，通过特定的加热、保温 和冷却方法，使之获得需要的组织，从而获得工程技术上所需性能的工艺过程的总称， 是零件生产中不可缺少的工序，具有悠久的历史【2 】随着科学技术的进步和生产发展的 大连理工大学硕士学位论文 需求，作为传统加工制造业的热处理正面临着新的挑战，发展先进的热处理技术己成为 时代的要求f 3 4 】。 自1 9 6 0 年美国休斯公司梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器以来，人们就开始 探索激光在材料加工领域的应用，激光加工逐步成为一个新兴的高技术产业，应用范围 十分广阔，已在机械、电子、汽车、航空航天、钢铁、造船、军工等行业获得较为广泛 的应用激光加工是以激光为热源，通过激光束与材料发生相互作用，即利用高能量密 度的激光束照射材料表面，将其加热、熔化、气化的一种无机械接触的加工方法。激光 束可以被聚集成能量密度极高的微小光点，理论上功率密度可达1 0 1 2 w c m 2 ，因而几乎 可以加工所有的金属和非金属材料，包含各种坚硬的高熔点材料。 以激光为热源的加工技术以其先进性和巨大的发展前景，受到国内外政府机关及相 关重要研究机构的广泛重视，各国纷纷制定激光技术的发展规划，建立国家级研究中心， 以及分布各地的激光加工中心和加工站。工业化发达国家的政府十分注重激光技术的发 展，如文献 5 伸介绍的美国1 9 9 8 年制定的2 1 世纪光科学与工程的发展规划哈里森光 计划( h a r n e s s i n gl i g h t - o p t i c a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n gf o rt h e2 1 s tc e n t u r y ) ，日本 2 0 0 1 年制定的光科学与工程的发展规划一光世纪限& di n s d l u t ef o rp h o t o n i c s e n g i n e e r i n g ) 及德国教研部2 0 0 2 年制定的光学技术促进计划，都是各国政府为保持国 民经济的持续发展、争夺预计为1 0 0 0 亿美元以上的激光技术市场而明确制定的国家规 划。h g o l n a b i l 7 1 等人对1 9 9 0 - 2 0 0 3 年问全球范围在激光技术方面的研究论文和专利情况 进行的统计分析结果，基本反映了激光技术在各国的发展状况。从研究论文的数量来看， 所占比例超过5 的国家依次为美国、日本、德国、中国，其中美国最高，为2 4 1 ， 而从专利数量来看，日本以6 9 7 的比例高居榜首，排在第二的美国为1 5 ，其次德国 为5 4 ，美国、日本、德国三个国家的激光产业的发展基本代表了当今世界激光产业 发展的水平。我国也从“六五”计划开始相关部委就设立重点攻关项目予以资助，从国家 自然科学基金、8 6 3 计划项目资助到各省市科学基金等，政府从财力与物力等方面加大 对激光加工技术研究的投入力度，加以扶持，使激光加工技术的各研究领域得到稳步的 发展，北京、上海、武汉等地已形成了中国激光研究、应用的三足鼎立之势。目前常用 的激光加工方法主要有激光切割、标记、焊接、雕刻、打孔和表面处理等。当前技术上 最成熟和应用最多的仍是激光切割，而在激光加工的研究开发领域，表面处理、焊接、 微细加工则是热点i ”。曹葆青【1 2 】等人从中美1 9 9 6 。1 1 - - 2 0 0 2 1 0 1 之间激光加工业的 专利对比分析来看，美国激光焊接、切割、标记、打孔的专利数较多；中国专利中最为活 跃的依次为激光焊接、切割、标记、激光热处理、打孔等，其中激光热处理从专利数量 齿轮的激光淬火研究及与渗碳淬火齿轮的对比 和所占比例来看都超过美国，但各项专利总数与其它领域专利数目都大大低于美国专 利，反映出我国激光加工研究应用的整体水平与国际水平的差距。 激光材料表面处理在不同文献中所指的内容常有出入，主要包括激光相变硬化 也称为激光淬火、激光熔覆f l s c ) 、激光熔凝( l s m ) 、激光合金化( 皿s a ) 以及激光冲击硬 化( l s 硒等。激光表面处理是通过激光对材料表面进行加热、熔化或冲击后产生相互作 用，使材料表面的成分、组织与性能发生所希望的变化，改善金属零件表面的机械与力 学综合性能，从而达到提高零件的表面强度、耐磨性和耐腐蚀性，延长零件的使用寿命 的目的。徐恒均等人【1 3 】分析了国内外激光表面处理的发展状况，认为许多研究人员在应 用研究方面做了大量的工作，也取得一些应用成果，但该项技术仍是一项远没有成熟的 技术。随着工业的进一步发展，人们对零件表面性能的要求越来越高。与常规表面处理 技术相比较，激光表面技术除可获得高性能的金属表层外，还具有常规方法难以达到的 优点，使得近年来各种激光表面处理方法不断得到快速发展，成为当今材料表面处理的 重要发展方向之一【1 4 ，”】，m h e i t k e m p e r 等人【1 6 】对高镍工具钢进行激光表面处理研究， 认为硬化层内的组织和残余压应力特点对耐磨性的提高作用明显。杨绍令等人【l7 】介绍的 激光表面处理技术在冶金企业备品备件修理修复中的应用情况为，采用激光淬火、激光 熔凝、激光熔覆等技术对备品备件进行修理修复，大幅度提高了备件的使用性能和寿命， 并获得良好的经济效益，济钢股份有限公司利用激光加工处理技术修理备件，每年可创 效益5 0 0 万元以上利用激光淬火技术处理的烧结机车轮、带式冷却机托辊等工件，耐 磨性平均提高了3 5 激光表面技术的推广应用，所带来的经济效益将十分可观，在应 用中有巨大的潜力。但是，由于激光表面处理的过程十分复杂，激光与金属材料相互作 用的机理还不完全清楚，不同材料之间又有很大差异，从目前的状况来看，激光表面处 理技术离推广应用还有很大差距，针对应用过程中的一些关键技术问题开展研究，无疑 对促进激光表面处理的应用具有重要的意义。 1 3 与计算机结合的有限元数值模拟 近似解析法仅适用于半无限大平板样品，对于复杂形状尺寸样品则难以或不能得到 近似解析解，显示出其局限性，采用数值解法进行计算机模拟是解决这一问题很好的方 法。目前，所采用的数值计算主要包括有限元法和有限差分法。早期模拟普遍采用有限 差分法对所建立的温度场模型进行了数值模拟计算。由于有限差分法的离散计算中，对 于复杂形状的求解区域划分网格后，区域边界变成了阶梯状，因此近年来主要采用有限 单元法对激光表面淬火进行了数值模拟计算。梁红玉【1 8 】等采用有限单元法对所建立的二 维模型进行了计算机模拟分析，但未对热物性参数和相变潜热加以考虑，也未对模拟结 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 果进行实验验证。管一宏【1 9 】等从相变理论和热弹塑性理论出发，建立了考虑相变和变热 物性参数的三维模型，并采取有限元法进行了求解，将其模拟结果与不考虑相交潜热、 常热物性参数情况时的结果进行了比较，结果表明所采用的模型与实际情况吻合较好。 朱祖昌【2 0 】等应用有限差分方法研制了相变硬化激光表面淬火非稳定温度场软件，揭示的 激光处理全过程符合实际处理情况。刘晓魁田】根据有限单元法的基本原理，推导出所 建激光相变硬化模型的有限单元方程，进而研制开发出了激光相变硬化有限元模拟分析 软件，实验结果表明该软件是可靠实用的。虽然国内外许多学者提出模型来模拟激光加 热过程，但已建立的模型均存在一定程度的简化，相当多的工作还存在一些局限性，造 成模拟条件和实际不相符的结果，增大了模拟结果的误差。主要表现在： ( 1 ) 研究较多的是激光扫描加热准稳定温度场，没有对非稳态的情况加以考虑； ( 2 ) 只单一考虑材料吸收率，并与温度无关； ( 3 ) 假设材料热物性参数与温度无关； ( 4 ) 忽略材料相变潜热； ( 5 ) 难以确定激光加工最佳工艺参数； ( 6 ) 难以实际测定激光加热的温度场，从而与模拟结果加以验证； ( 7 ) 对钡激光加热相变点只是提出假设； ( 8 ) 缺乏在模拟计算的基础上对激光加热过程和工艺的进一步研究。 但是，如果要完全考虑所有温度一组织一应力相互耦合的因素，不仅其耦合机理尚 不完全清楚，而且所要建立的数学模型非常复杂，计算机求解十分困难。总之，由于激 光表面淬火过程中影响因素的复杂性，目前对激光表面淬火的研究工作还存在着一定的 局限性，对激光表面淬火计算机模拟的模型建立，数值计算方法还有待于进一步发展、 改进和提高。 1 4 本文的主要研究内容 激光淬火齿轮能否代替渗碳淬火齿轮主要取决于两者接触疲劳强度的对比。因为在 正常使用条件下，齿轮的主要失效形式是首先发生在节圆附近的接触疲劳点蚀 2 2 - 2 4 1 。英 国劳埃德( l l o y d ) n 协会对船用汽轮机减速器齿轮事故的统计分析表明，点蚀是出现的 最多的形式，约占失效总数的5 5 2 5 1 。因此，开展激光淬火齿轮和渗碳淬火齿轮接触疲 劳强度的对比研究，是激光淬火齿轮代替渗碳淬火齿轮的关键。 因此，本文的主要研究内容是： ( 1 ) 4 0 c r n i m o a 钢激光相变硬化基础工艺研究： ( 2 ) 齿轮激光相变硬化技术研究； 齿轮的激光淬火研究及与渗碳淬火齿轮的对比 验。 ( 3 ) 4 0 c r n i m o a 激光淬火齿轮和2 0 c r 2 n i 4 a 渗碳淬火齿轮的接触疲劳强度对比试 ( 4 ) 激光淬火齿轮和渗碳淬火齿轮淬硬层组织和应力分析。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 激光淬火硬化层研究 在激光淬火的研究与应用中，硬化层深度是激光热处理的一项综合性能指标，也是 衡量激光淬火质量的主要因素。就应用来说，硬化层深度是一个十分重要的参数，其研 究也倍受人们的关注齿轮激光淬火能否满足强度要求，达到提高疲劳寿命的目的，与 其硬化层性能与层深直接相关。硬化层的形成要受到激光功率、扫描速度、光束分布、 光斑大小、材料表面对激光的吸收率等诸多因素的影响，从根本上说是材料表面吸收激 光能量后迅速升温，并随即在工件内进行热传导的结果。材料表面对激光的吸收率并不 是定值，而是随温度不同而变化的，国内外专家围绕激光淬火工艺与应用、硬化层组织 特性、激光淬火温度场模拟、硬化层形状控制、硬化层形貌及层深预测等方面开展了广 泛的研究，但表面吸收率一般都根据经验取为定值，与实际情况出入较大。 2 1 激光淬火硬化层形成机理与特性 激光淬火是通过扫描的方式，实现激光对金属材料的相互作用。材料表面吸收激光 能量后迅速升温，使表面温度迅速达到相变温度以上熔点以下，并随即通过基体材料的 快速导热而冷却，以达到材料表面相变硬化的目的，激光淬火扫描示意图如图2 1 所示。 分析激光淬火硬化层的形成机理，必须要了解激光淬火的传热过程。 图2 1 激光扫描示意图 f i g 2 1ad i a g r a mo f l a s e rs 锄i i l g 2 1 1 激光淬火过程的传热分析 激光表面淬火过程中不同程度上存在热传导、热对流、热辐射三种传热方式，要对 这个复杂过程进行模拟，则必须对其传热过程有个系统的了解，综合考虑各种传热方式 对激光淬火的影响。 ( 1 ) 熟传导 齿轮的激光淬火研究及与渗碳淬火齿轮的对比 热传导是由于物质内不同能级的粒子之间相互作用，而导致从高能级粒子向低能级 粒子的能量传输。温度是物质热运动激烈程度的衡量，只要物体内部温度分布不均匀， 即存在温度梯度，则不同地点微观粒子的动能就不会相等，在粒子运动过程中，通过相 互碰撞，能量高的粒子将能量传给了能量低的粒子，热传导就是物体内部温度场不均匀 分布的必然结果。激光淬火过程中，工件表面吸收激光能量后迅速升温，高温表面向基 体的热传导是激光淬火最主要的传热方式，也是激光淬火相交硬化的关键所在。为了确 定物体内部的温度分布，遵循导热基本定律一傅里叶定律，假设时刻t 物体内部的温度 分布为t ( x ，y 弓t ) 则温度分布应满足基本的导热微分方程： 丢b 訇+ 昙( 乃訇+ 昙( 勉訇圯= 丢b ，力 c 2 其中：以，a ，五一材料导热系数( w ( m ) ) ： p 一材料密度( k g m 3 ) ： 够一比热容( j ( k g ”； 口广内热源( w m 3 ) 假设工件材料为各向同性，在如图2 1 所示的激光表面淬火过程中，若初始时刻( 忙o ) 材料的温度为t o ，在一束功率为p 以速度v 沿x 方向扫描的激光作用下。则其热传导 方程可以写为如下形式： 昙b 訇4 - g 引t v 卯：、+ 昙( 允訇= 昙 g 力 式中物体内部的温度场t ( ) 与坐标位置、时间t 、激光功率p 、扫描速度v 以及材 料特性均有关。由于一旦材料表面发生熔融现象，则代表此激光表面淬火己失败，所以， 以上温度场的热传导方程中的表面温度应不高于材料熔点温度。 ( 2 ) 热对流 热对流是指流体即气体或液体中温度不同的各部分相互混合的宏观运动引起热量 传递的现象。流体温度分布不均匀时，也将本能地产生导热。因此，热对流总和流体的 导热同时发生。在工程上最具实际意义的是相对运动着的流体与所接触的固体壁面之间 的热量交换过程，一般叫做对流换热，流体与固体壁面之间总是温度较高的一方把热量 传给了温度较低的一方。在流动方向上流体温度与固体表面温度一般都是变化的，不同 地点上的换热系数值也常常随之而异，这种局部地点上的换热系数值为局部换热系数， 在理论分析及深入的研究中经常要用到。但对一般的热工计算来说，最感兴趣的是某一 大连理工大学硕士学位论文 给定表面上的平均换热系数一般地说，对同一流体，强制对流的换热系数高于自然对 流时的值，有相变即沸腾或凝结时的换热系数大于无相变时的值。 激光淬火过程中，由于加工区域的高温表面向基体的快速导热，使工件各表面温度 也迅速升高。工件表面直接接触周围空气( 一般认为环境温度为2 0 o ) ，而其表面温度远高 于环境温度，因此，激光淬火过程中必然会发生对流抉热。 对流换热的传熟按热平衡的牛顿冷却公式来计算： g = 口i 矗一乃) ( 2 3 ) 式中：军一热流密度( w m 2 ) ； 删流换热系数w ( m 2 ) ； n r 壁面温度( ) ； 乃一流体温度( ) 。 激光淬火中的对流换热可以作为热传导的边界条件处理。对流换热系数的大小与换 热过程中的许多因素有关。它不仅取决于流体的物理性质、换热表面的形状与布置，而 且还同流速有密切关系。 ( 3 ) 热辐射 热辐射是指物质对外发射波长0 1 1 0 0 毫米的热射线在空间传递能量的现象。波长 从单色紫色的o 3 8 毫米到单色红色的o 7 6 毫米那部分热射线是人眼能分辨的可见射线， 即通常所说的可见光；波长超过0 7 6 毫米的射线是红外线，而波长短于0 3 8 毫米的则是 紫外线。辐射场的能量称为辐射能，辐射能是靠电磁波或光子传递的。物体会因为各种 原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的过程称为热辐射。一般物体的辐射能 力同温度有关，同一温度下不同物体的辐射能力也大不一样。辐射的传热方程即斯蒂芬 一波尔兹曼定律如下： q = f 盯f( 2 4 ) 式中：g 辐射热流密度( w m 2 ) , 6 - - 黑度系数，值小于1 且与物体的种类及表面状态有关； 。嘶蒂芬一波尔兹曼常数w ( m 2 k 4 ) 纷物体表面绝对温度( k ) ； 金属材料的斯蒂芬一波尔兹曼常数一般取为5 6 7x1 0 - 8w ( m 2 k4 ) ，只有当材 料表面绝对温度较高时，辐射作用较为明显。对于激光淬火而言，由于加工区域相对工 件整体来说非常小，与空气接触的边界表面温度不会很高，热辐射与热传导和对流换热 齿轮的激光淬火研究及与渗碳淬火齿轮的对比 的传热能力相比，可以忽略。分析激光淬火实际传热问题，不仅需要弄清楚有哪些基本 传热方式在起作用，还应该弄清传热过程属于稳定还是不稳定满足流入系统的热量等 于流出的热量的热分析称为稳态热分析；随时间变动的热现象就是不稳定传热，也称作瞬 态导热。瞬态导热时流入或流出的热传递速率等于系统内能的变化。根据以上分析，可 以确定激光淬火热传导是复杂的三维瞬态导热问题，热传导方程的求解过程中，热对流 作可为边界条件考虑，对于激光淬火而言，由于加工区域相对工件整体来说非常小，与 空气接触的边界表面温度不会很高2 1 2 激光淬火的加热与冷却过程 激光淬火扫描过程中，激光与金属材料的相互作用可分为材料表面吸收激光能量的 加热过程和高温材料表面向基体快速导热的自淬冷却过程，并以相变温度a c l 作为硬化 层的界定值，因此加热与冷却过程是激光淬火相变硬化的关键，其区别子常规淬火的明 显特点是具有极快的加热与冷却速度。正是这些特性，使得激光淬火可以更显著地提高 零件表面的硬度、抗疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性和高温性能等，同时激光淬火的局部 加热的特点，还具有变形小、使用方便、对需要强化的表面区域可精确控制等一系列特 点，使之成为表面强化技术的重要组成部分。 a 常爨淬又b 激光淬火 图2 2 加热方向与冷却方向示意图 f i g 2 2ad i a g r a mo f h e a t i n g 锄dc o o l i n gd i r e 嘶 激光淬火的加热过程，可以认为是移动的激光热源对材料表面瞬时热冲击引起表面 温升的过程。假设激光光斑为功率密度均匀分布的矩形光斑，材料表面上某点的加热结 束于光斑扫过之后，此时材料表面该点达到最高温度。从加热的过程来看，激光淬火加 热方向与常规淬火一样，是从表面指向材料基体里面，如图2 2 所示；但激光淬火时材料 表面加热区域内每点的加热的持续时间非常短，一般都小于1 秒。对于功率密度均匀分 布的矩形光斑，则等于扫描方向的光斑宽度除以扫描速度。激光扫描材料表面后，在材 料表面形成了一个局部加热层。由于加热速度极快，使得该加热层的温度分布为表面温 大连理工大学硕士学位论文 度最高，由表及里存在一个明显的温度下降梯度。材料表面在光斑扫描结束的瞬间，激 光淬火的自淬冷却过程随即开始。加热层急剧冷却的过程，相当于将一个高温的金属材 料加热层置于一个导热系数很大的固体冷却介质即基体中，所以冷却速度极快，一般可 达l o 匕1 0 6 c s 。加热层里层的温度相对表面虽然较低，但它直接接触基体这一固体冷却 介质，因而其冷却速度最快：加热层表面虽然温度最高，但冷却速度最慢，使得沿深度方 向的冷却速度为由表及里呈上升的梯度，从而形成了由里向外的冷却方向，即与常规淬 火的冷却方向相反，如图2 2 所示。 2 1 3 激光淬火的硬化屡特性 激光淬火快速加热和急速冷却的特点形成了独特的硬化层组织特性和硬度特点。由 于加热和冷却速度极快，使得超细晶奥氏体来不及长大，激光相变强化后的马氏体组织 成为极细的板条马氏体和挛晶马氏体，从而获得超细的晶粒度和相变组织【硐图2 3 a ) 、 b ) 分别为4 5 钢样块激光淬火硬化层与基体的显微组织图，激光淬火硬化层显微组织比 基体组织明显细化。也正是由于快速加热和冷却的原因，激光强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，一般激光淬火硬化层硬度可比常规淬火提高1 5 2 0 。 i )协 图2 34 5 钢激光淬火硬化层显微组织、基体组织图( x1 0 0 0 ) f i g 2 3m i c r oa n db a s i co r g a n i z e ds y s t e mi nt h eh a r d e n e dc a s eo f i e r - h a r d e n e di r o n 激光淬火硬化层沿层深方向呈现出无明显下降梯度分布。这也与其加热与冷却过程 直接相关，图2 4 为激光淬火与常规淬火的温度分布、冷却速度和硬化层硬度分布对比 图。由于激光淬火加热时产生的表面温升由表及里呈下降的趋势，但温度较低的里层直 接与为冷却介质的基体接触，使得冷却速度由表及里里上升的梯度分布。其加热与冷却 过程综合作用的结果，使得硬化层硬度沿深度方向无明显下降梯度分布的特点。而金属 零件的常规淬火，加热方向是由表及里，冷却时要借助外界的冷却介质进行冷却，所以 冷却方向也是由表及里，即表面的冷却速度最快，由表及里冷却速度逐渐降低，由此形 成的硬化层的硬度值，由表及里呈现一个较明显的硬度值下降梯度的分布状态。 齿轮的激光淬火研究及与渗碳淬火齿轮的对比 激光淬火相交硬化。在表面可获得较高残余压应力，这是由于激光淬火“局部”处 理的特性决定的。由于激光热处理的加热是“局部”加热，加热和冷却的时间极短而速 度又极快，在开始加热时，激光作用区的金属将发生强烈的体积膨胀，而膨胀量和强度 取决于加热速度和加热温度，金属材料局部体积增加，受到了加热区周围低温区的强烈 制约，于是加热区就产生了压应力。加热温度越高，压应力就越大。当激光结束作用的 初瞬间，加热层内存在较大的温度梯度，表面温度最高，靠近基体的薄层处温度较低。 激光淬火无需外界冷却介质，并不是没有冷却介质，金属材料基体本身就是冷却介质。 冷却淬火时，相当于将一局部加热高温层，置于导热系数很大的金属材料内进行冷却淬 火。因此，靠近基体的加热层薄层，虽然温度较低，但冷却的速度却更快更强烈。在冷 却的同时，材料发生组织变化，伴随这种变化，材料的单位体积也要发生变化，结果导 致材料体积增加而引起压应力增加，且这种组织转变的方向与热传导方向相反，即由里 层指向材料表面。因此材料的组织转变发生的体积增大，引起压应力从里层向表面扩展， 结果在硬化层内形成具有应力值较高的残余压应力的硬化层。 图2 4 温度分布、冷却速度及硬度分布示意图 f i g 2 4t h ed i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r e ，h a r d n e s sa n dc o o l i n gs p e e d 大连理工大学硕士学位论文 2 24 0 c r nlm o a 钢激光相变硬化基础工艺研究 2 2 1 试验目的 为了掌握4 0 c r n i m o a 钢激光热处理工艺参数( 激光输出功率、扫描速度) 与硬化 层深度及表面硬度的关系，为正确、合理地选择齿轮激光热处理工艺参数奠定基础。 2 2 2 试验方法与设备 试验材料为4 0 c r n i m o a 钢，调质硬度为h r c 3 6 - 4 3 ，试样尺寸为3 5 m m x 2 5 m m 2 5 m m 。为提高激光的吸收率，对试样进行黑化预处理：磷化处理，磷化处理后表面 里灰黑色。采用c g j - 9 3 型5 k w 五轴四联动c 0 2 激光处理系统和j i c i - 6 型宽带扫描转镜。 所采用的激光热处理工艺参数见表2 1 。 表2 14 0 c r n i m o a 钢激光热处理工艺参数 t a b 2 1t h e t e c h n i c a l p a r a m e t e r o f l a s e r h e a t i n g l r e a t m e n t o i l 4 0 c r n i m o a 利用m h 一6 型小负荷维氏硬度计确定层深( 以h r c 5 0 作为有效硬化层深的判据) ， 载荷1 0 0 9 。采用l i d 1 8 7 5 型布洛维硬度计测量硬化层表面硬度，载荷1 5 0 k g ，每个试 验点是三次测量值的平均值。 2 2 3 试验结果与分析 ( 1 ) 扫描速度与硬化层深度和硬度的关系 由图2 5 可以看到，在激光输出功率和光斑尺寸一定的情况下，随着扫描速度的提 高，4 0 c r n i m o a 钢硬化层深度呈下降的趋势，二者之间的关系经拟合【2 7 】可以表示为： 齿轮的激光淬火研究及与渗碳淬火齿轮的对比 h = o 0 0 8 3 v 2 一o 1 0 2 v + 6 3 5 式中：呐描速度，r a m r a i n ； h 硬化层深度，1 1 1 1 1 1 。 善 艇 曲 簟 蹈 4 05 06 07 08 d9 01 0 0 1 1 01 2 01 3 0 1 4 01 5 01 6 0 扫描速度。n m n ( 2 5 ) 图2 5 激光输出功率和光斑尺寸一定的条件下，扫描速度与层深的关系 f i g 2 5t h er e l a t i o n s h i pb 吲m ，e e ns c a n n i n gs p e e da n dc a s ed e p t hu n d e rt h ec o n s t a n tl a s e ro u t p u t p o w e ra n dl i g h t - s p o ts i z e 这是因为扫描速度是工件与激光束相对运动速度扫描速度反映了金属表面被加热 的时间扫描速度提高加热时间减少，金属表面吸收的能量降低，金属表层下处于相 变温度a c l 以上的区域减小，从而导致硬化层深度降低。 5 06 07 0 8 0 9 01 0 01 1 01 2 01 3 01 4 01 5 0 扫描速度，m m i n 图2 6 激光输出功率和光斑尺寸一定的条件下。扫描速度与表面硬度的关系 f i g 2 6t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns c a n n i n gs p e e da n d 研疵eh a r d n e s su n d e rt h ec o n s t a n tl a s e ro u t p u t p o w e ra n dl i g h t - 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