（材料加工工程专业论文）塑料模具钢的激光相变硬化模拟研究.pdfVIP

摘要 摘要 本文作者采用y a g 固体激光器对718 、7 3 8 两种塑料模具钢进行了表面相 变强化处理，应用a n s y s 有限元分析软件，对两种塑料模具钢在激光照射条 件下产生的温度场、由温度场产生的应力场进行了瞬态分析。计算得到了瞬 态加载条件下产生的温度分布和应力分布。结果表明当激光参数恒定时，表 面移动热源在工件内部沿移动方向所产生的热影响不随位置的变化而变化。 激光处理过程中有热量由表及里的滞后传递现象。表面最高温度的中心偏于 束斑的后侧，前侧的温度梯度相对较低，而后侧的温度梯度则变陡。温度场 的分布是从非稳态到稳态，再到非稳态的；激光扫描时光斑内部出现压应力， 沿扫描方向应力最为突出；在光斑外部，随着距离增加，压应力不断减小， 拉应力不断增加； 利用激光相变硬化工艺，在7 1 8 和7 3 8 钢表面获得了硬化层，考察了激 光不同扫描速度对硬化层硬度、厚度和宽度的影响。结果表明在激光功率和 光斑直径保持恒定的情况下，硬度随着扫描速度的提高先增加，到达一个最 大值后再逐渐减少；表面硬度平均高达7 0 0 h v ，为基体硬度的1 5 倍。硬化 层厚度约为0 3 0 5 m m ，宽度在0 3 0 5 m m 之间。 对激光相变处理后两种钢的硬化层进行了滑动磨损试验。在本试验的条 件下，经激光相变处理过试样硬化层的滑动摩擦系数明显比未处理过样品的 摩擦系数要小的多，显著的提高了材料的耐磨性；硬化层的滑动摩擦系数较 小，硬化层的耐磨性较好；研究了不同扫描速度对7 18 钢的抗磨损性能的影 响。在激光功率和光斑直径保持恒定的情况下，磨损失重随着扫描速度的提 高先增加后减少。用扫描电子显微镜观测了硬化层表面形貌，观察发现t 硬 化层磨痕均为典型的平行犁沟状，表明硬化层的磨损机理为磨粒磨损。 关键词：激光；相变硬化；温度场；应力场；模拟；磨损 广东工业大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h ea u t h o rh a sm a d es o m ea n a l o g u ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nl a s e r t r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g t r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n go n718 、7 38p l a s t i cm o u l d s t e e l ss u r f a c ew i t hy a gl a s e rw a si n v e s t i g a t e d ，a n a l y z e dt h et e m p e r a t u r ef i e l d c o u r s e db yl a s e rr a d i a t eo n718 、7 38p l a s t i cm o u l ds t e e l sw i t ht h es o f t w a r eo f f i n i t ee l e m e n t 、a n a l y z e dt h et r a n s i e n ts t r e s sf i e l dc o u r s e db yt e m p e r a t u r ef i e l do f 7 18 7 3 8s t e e l su n d e rl a s e rl i b e l i n g 。o b t a i n e dt h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ea n ds t r e s s d i s t r i b u t i o n ，w h e nt h es t e e li su n d e rl o a d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tw h e nt h e l a s e rp o w e ra n df a c u l ad i a m e t e ra r ei n v a r i a b l e n e s s ，h e a ta f f e c t i n gi n s i d et h e w o r k p i e c ep r o d u c e db ys u r f a c em o v i n gt h e r m a ls o u r c ea l o n gm o v i n gd i r e c t i o n d o e s n tc h a n g ea st h ep o s i t i o nc h a n g i n g t h et h e r m a lh y s t e r e s i sp h e n o m e n o n f r o mi n s i d et oo u t s i d ee x i s t e dw h i l el a s e rp r o c e s s i n g c e n t e ro ft h eh i g h e s t t e m p e r a t u r ei sb e h i n dt h ef a c u l a t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti nf r o n to ft h ef a c u l a i sl o w e r ，b u tb e h i n dt h ef a c u l at e m p e r a t u r eg r a d i e n tb e c o m ec l i f f e d t e m p e r a t u r e f i e l dd i s t r i b u t i o ni sf r o mu n s t e a d ys t a t et oq u a s i s t a b l es t a t e ；c o m p r e s s i n gs t r e s s d e v e l o p e di n s i d et h ef a c u l aw h e ns c a n n i n g a n dt h es t r e s si so v e r h a n g i n ga l o n g s c a n n i n gd i r e c t i o n ；o u t s i d e t h ef a c u l a ，c o m p r e s s i n gs t r e s si s r e d u c i n ga n d t e n s i o ns t r e s si si n c r e a s i n gc o n t i n u o u s l ya st h ed i s t a n c ei n c r e a s i n g t h i st e s td os o m er e s e a r c h e so nh o wd ot h ed i f f e r e n ts c a ns p e e da f f e c tt h e d e p t ha n dw i d t ho ft h eh a r d e n e dl a y e r ，h a r d n e s s ，a n dr e s i s t w e a rp e r f o r m a n c e ， t h eh a r d e n e dl a y e ri so b t a i n e db yt h et e c h n o l o g yc a l l e dl a s e rt r a n s f o r m a t i o n h a r d e n i n g t h er e s u l t si n d i c a t et h a tw h e nt h el a s e rp o w e ra n df a c u l ad i a m e t e ra r e i n v a r i a b l e n e s s ，w i t ht h ei n c r e m e n to fs c a ns p e e d ，t h eh a r d n e s si n c r e a s e sa tt h e f i r s tm o m e n ta n dt h e nd e c r e a s e ；t h eh a r d n e s so ft h el a y e rr e a c h e s7 0 0 h va b o v e ， a n di s1 5t i m e st h a nt h eb a s em e t a l s t h eh a r d n e s s l a y e r s a r ea b o u t 0 3 m m 0 5 m mt h i c k n e s s a n do 3 m m 一0 5 m mw i d t h t h es l i d i n ga b r a s i o np r o p e r t i e so ft h el a y e rw e r et e s t e d t h er e s u l ts h o w s i i a b s t r a c t t h el a y e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sm u c hs m a l l e rt h a nt h a to ft h es a m p l ew i t h o u t h a r d e n i n g t h er e s i s tw e a rp e r f o r m a n c ei sf i n e ，t h el a y e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n ti s s m a l l ；t h i st e s ta l s od os o m er e s e a r c h e so nr e s i s tw e a rp e r f o r m a n c e 。t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tw h e nt h el a s e rp o w e ra n df a c u l ad i a m e t e ra r ei n v a r i a b l e n e s s ，a st h e i n c r e m e n to fs c a ns p e e d ，w e a r i n gw e i g h tl o s si n c r e a s e sa tt h ef i r s tm o m e n ta n d t h e nd e c r e a s e t h es u r f a c em o r p h o l o g yo ft h el a y e rw e r eo b s e r v e db ys c a n e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) t h ea b r a s i o nm o r p h o l o g ys h o w st h a ta b r a s i o n m e c h a n i s mi sm o s t l yg r a i na b r a s i o n k e yw o r d s ：l a s e r ；t r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；s t r e s sf i e l d ； a n a l o g u e ；w e a r i i i 独创性声明 独创性l 声明 秉着学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个 人在导师的指导下进行的研究工作及取得的成果。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过的研究成 果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得 的，论文的成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切责任，特此声明。 7 3 论文作者签字： 指导教师签字： 三嬲 i 侈衅 瑚年月，日 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早珀下匕 当前，模具工业已经成为全国的一个重要行业。据广东省模具协会的统 计，广东省模具厂点已达6 0 0 0 多个，年产模具5 0 - 6 0 万套，年产值约8 0 亿 元人民币，进口成套模具价值占全国进口量的4 0 。大型塑料模具主要为汽 车和家电等行业服务，汽车的高速发展对塑料模具提出了很大的需求，制造 保险杠、仪表盘、油箱、方向盘等的大型塑料模具，从目前的生产能力来看， 满足率只有5 0 左右，彩电、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器的产销量2 0 0 4 年比上年增加了15 2 5 ，也比“十五”规划高出许多，为这些家电配套的大 型塑料模具需要增加2 0 左右。为了满足大型塑料模具的市场需求，许多模 具生产企业正在加大投入，以尽快提高生产能力和技术水平。因此加强大型 塑料模具的表面强化技术研究具有重大的经济价值1 1 】。 随着塑料工业的发展，塑料制品日益趋向大型化、精密化，如诜衣机内 桶、全塑汽车覆盖件等，所使用的模具的尺寸都在1 m 以上，如此大型的模具 不仅在制造方面有特殊之处，而且对模具的选材和热处理方式也提出了特殊 的要求。众所周知心3 ，塑料模具的工作条件有如下特殊性：1 ) 受到熔融塑料 流动的摩擦和冲刷而产生磨损，特别是在含有矿物填料或玻璃纤维填料的塑 料成型时磨损更为突出；2 ) 在一定的温度条件下工作，而且温度呈周期性变 化，模具可能产生龟裂；3 ) 在成型聚氯乙烯、氟塑料等物料时，由于受到分 解出的腐蚀气体的侵蚀，会在模具的型腔表面发生腐蚀损坏。由于上述的特 殊工作条件，塑料模具在使用过程中会产生磨损、腐蚀、变形及开裂等损坏， 从而影响到塑料制品的形状、尺寸精度和表面质量，若模具早期失效，将给 企业造成很大的经济损失 3 1 。因此，必须根据模具的具体工作条件，选择合 适的模具材料和有效的表面强化方法。 塑料模具的失效大多起源于表面n 1 ，因此提高模具的表面强度、耐磨性、 耐蚀性是提高模具寿命的重要途径，通过改变模具表层组织、成分或沉积硬 广东工业大学硕七学位论文 质镀层，可有效的提高模具的耐磨性、耐蚀性。塑料模具表面强化方法主要 有：表面加热淬火、电镀、化学镀、气相沉积、三束改性和形变强化等，然 而，这些方法中多数由于受设备限制难于应用于尺寸在l m 以上的大型塑料 模具。 近年来，国内外先后引进、开发了不少塑料模具用钢，为了避免模具热 处理变形，大多数采用预硬钢拍1 ，如美国的p 2 0 钢，瑞典的a s s a b 钢，预硬 硬度为3 0 - 4 5 h r c ，由于国内切削水平的限制，对硬度较高的预硬型模具的加 工尚有一定的困难，所以国内又发展了不少易切削塑料模具钢，如单硫系的 s m l 、s m 2 ，硫钙复合系的5 n i s c a 等，但是这些通用性的钢种，对大型或超大 型塑料模具，其淬透性尚无法满足，导致国产大型塑料模具的表面硬度不高， 使用寿命仅为发达国家的1 5 。激光相变硬化是通过具有足够功率密度的激 光束，快速加热模具表面，使其达到相变温度以上，并在激光停止照射后通 过内部金属迅速传热使表层金属急剧冷却，从而达到淬火的目的。激光对工 件的加热速度和冷却速度比常规热处理方法要高得多，如加热速度可达 1 0 4 - 109 s ，冷却速度达到10 4 10 5 s ，因此，最终得到的组织结构比常规 热处理方法得到的组织要细小，位错密度提高，固溶含碳量增多，从而实现 材料的表面强化1 6 j 。 然而目前在实践中仍依靠大量规划性实验和经验来获得最佳的激光处理 参数，导致了大量人力物力的浪费。由于激光处理加热体积小、温度变化快， 用实验方法难于直接测定处理过程的温度分布、冷却速率及组织分布、瞬时 应力应变分布 7 1 。用实验方法来验证工艺的合理性又难于对过程的机理有一 个清晰的了解。用数学物理方法建立模型来表达激光相变过程的热传递、相 变、力学过程，应用数值计算方法借助于高速的计算机对此进行计算求解， 对影响过程的诸因素做出了定量的分析，以优化工艺参数，得到优质零件， 具有重要的理论意义和实际价值。 1 2 塑料模具钢的应用现状及传统处理方法 模具生产技术水平的高低，己成为衡量一个国家产品制造水平高低的重 要标志，因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能 2 第一章绪论 力。随着我国加入w t 0 ，我国模具工业的发展将面临新的机遇和挑战。我国 的模具工业的发展，日益受到人们的重视和关注。“模具是工业生产的基础 工艺装备”也已经取得了共识。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、 家电和通信等产品中，6 0 - - 8 0 的零部件都要依靠模具成形( 型) 。用模具生 产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其 它加工制造方法所不能比拟的呻3 。模具又是“效益放大器”，用模具生产的 最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。目前全世界模具 年产值约为6 0 0 亿美元，日、美等工业发达国家的模具工业产值已超过机床 工立k 。 1 2 1 我国模具钢生产与发展现状 近几年，我国模具工业一直以每年l5 左右的增长速度发展，在世界模 具产值中，比例显著提高，模具钢的用量也在显著增加。 模具制造的首要问题是模具材料，建国以来我国模具钢生产技术发展较 快，从无到有，从仿制到自己开发，目前我国模具钢的产量已跃居世界前列 哼1 。经过几次钢种整顿的标准修证在g b t 12 9 9 2 0 0 0 合金工具钢标准中 包含了3 7 个钢种，基本上形成了我国特色的模具钢系列。据冶金工业联合会 调研，我国模具钢按照使用状态主要分为：塑料模具钢，约占6 0 ；冲压模 具钢，约占2 0 ；压铸模具钢，约占6 8 。随着我国模具工业的持续发展， 对于高档模具用钢进口量不断攀升。模具用钢进口主要来自同本、德国、瑞 典、奥地利、韩国等国家，进口总量约在6 万吨左右。 虽然近几年我国模具钢制造水平取得了长足的进步，但我国合金模具钢 与美、日、法及瑞士等国际先进水平相比还存在一定的差距，在品种、质量、 尺寸规格及性能等方面都难以满足市场需求，导致我国每年大批的中高档模 具必须从国外进口0 1 。进口模具钢的规格主要是大尺寸的锻制模块( 厚 2 5 0 8 0 0 m m ) x ( 宽6 0 0 - 1 2 0 0 m m ) 及大尺寸的模具扁钢( 厚3 0 一3 0 0 m m ) ( 宽 4 0 0 15 0 0 m m ) ，这在国内目前只有少数钢厂能生产3 。进口材料中：热作模 具钢约占2 0 ( 2 万t 年左右) ，主要是h l3 ( 日本牌号s k d 6 1 ) ；冷作模具钢 约占2 0 ( 2 万t 年左右) ，主要是d 2 ( 日本牌号s k d l1 ) ；塑料模具钢约占 广东t 业大学顾士学位论文 6 0 ( 6 万t 年左右) ，主要是p 2 0 及其改进型7 3 8 。进口模具钢的价格很贵， 一般为国产钢的3 - 5 倍，可以认为，对于进口模具钢材，大部分产品我国有 能力进行研究开发，关键问题在于加强模具钢的基础研究和生产工艺的攻关， 提高国产模具钢的质量和性能水平。 1 2 2 国外模具钢的发展 随着模具制造业的不断发展，对模具钢从冶金质量、数量、性能上要求 不断提高，在国外出现高合金、高质、优化、低级材料强化及扩充材料领域 等趋向，模具材料由低级向高级发展，发展的趋向是碳素工具钢一低合金工 具钢一高合金工具钢，相继出现一系列新型模具材料，模具标准钢号的合金 化程度也同趋提高n 纠。 国外相继开发的新型热作模具钢包括；( 1 ) 离淬透性特大型锻压模具钢， 如国际标准i s o 中的4 0 n i c r m o v 7 ，法国n f 标准中的4 0 n c d l6 等；( 2 ) 高 热强性模具钢，如美国h 10 a ，日本日立金属公司的y h d 3 ，以及特殊钢公司 的5 m n l5 n i 5 c r 8 m 0 2 v 2 钢等；( 3 ) 高温热作模具钢，如美国t 2 m 、t 2 c ，日 本的n i m o w a l 等。 为了满足冷作模具的特殊要求，各国发展的新型冷作模具钢有：( 1 ) 高 韧性、高耐磨性模具钢，如美国钒合金钢公司的v a s c o d i e ( 8 c r 8 m 0 2 v s i ) 钥 ， 日本大同特殊钢公司的d c 5 3 钢等；( 2 ) 低合金空淬微变形钢，如美国a s t m 标准钢号a 14 、a 16 ，r 本的g 0 4 和a c d 3 7 等；( 3 ) 火焰淬火模具钢，如 日本爱知s x 5 、s x l0 5 v ，日本日立h m d l 、h m d 5 等钢；( 4 ) 粉末冶金冷作 模具钢，如美国c p m l 0 v ，德国3 2 0 c r v m 0 1 3 5 等。 国外新型塑料模具钢的发展趋势主要有以下几个方面：( 1 ) 易切削、抛 光性好的塑料模具钢，如美国的4 12 、m 3 0 0 ，日本的y a g ，英国的e a b ， 瑞典的s t a v a x 13 等；( 2 ) 预硬化型塑料模具钢，如美国p 2 0 、4 4 5 ，同本 的p d s ，德国m o v t r e x a ( 2 3 12 ) 等；( 3 ) 整体淬硬型塑料模具钢，如美国 a 2 、d 3 和h 13 等；( 4 ) 耐腐蚀塑料模具钢，如国标i s o 中的110 c r m o l7 ， 瑞典a s s a b 公司的4 c r l3 等；( 5 ) 无磁塑料模具钢，如日本大同特殊钢公 司的n a k 3 0 1 等。 4 第一章绪论 1 2 3 国内外模具钢应用及发展之比较 八十年代以来，我国模具工业进入了快速发展时期，这极大地促进了模 具钢生产、应用技术的进步，通过引进先进的设备和技术，已能生产高质量 的模具钢，国产模具钢的品种和质量有了较大的发展和提高。但是，从总体 水平而言，我国模具钢还比较落后，尤其是用于制造高档次模具的钢材，仍 然在使用进口钢，与国际先进水平相比，主要有以下差距： 1 ) 模具钢品种、规格不全，低档次较多，高档次较少。高质量、高性能 模具钢的品种少。从品种方面，尚未形成塑料、玻璃、建材、陶瓷等专用的 模具钢系列。钢材中扁钢、模块、精料制品比例比较低，钢材的利用率较国 外低i 0 左右。为满足制造大型、精密、复杂、高寿命模具的需要，国外发 展预硬化钢；而国产钢基本上停留在退火阶段，或热轧状态供货，并且供货 周期较长，这是我国家电行业大量进口模具钢的主要原因。 2 ) 模具钢的专业化生产程度较低。钢材的质量、性能稳定性较差，外观 质量较差。中国模具钢分散在几十个企业生产，大部分生产厂家的生产工艺 装备不配套，特别是后部工序，深加工设备落后，从而制约国产模具钢质量 的提高和性能的提高。 3 ) 模具钢供销渠道有待畅通。模具制造多为单件或小批量生产，并所需 钢材的品种多、规格多、数量少、需求供货及时的行业特点，与冶金厂的批 量生产有矛盾。国外通过钢材商店可随时解决零售问题。国内近几年来也出 现了部分代理商、钢材商店等中间销售环节，但在模具钢销售的服务意识和 水平与国外先进水平还有一定差距，影响了国产模具钢的推广和应用。例如 b o h le r - u d d e h u m 的全球1 0 万用户中，大多是工程师指导用户使用n 引。 i 2 4 传统加工方法技术及缺陷 1 ) 表面淬火表面淬火是传统的表面强化技术。对工件表面急热、急冷， 使表层一定厚度内( 0 2 15 m m ) 发生相变硬化，而心部仍保持很高韧性。感 应加热淬火、火焰加热淬火、电阻表面加热淬火等，但无法应用于大型模具。 2 ) 电镀硬铬它在近于室温的条件下进行，几乎不影响母材性能，也不 广东工业大学硕士学位论义 必担心变形。镀层具有摩擦系数较低、可重复使用、能达到10 0 0 h v 左右的高 硬度等优点。但镀层的均镀性较差，镀层孔隙较大，耐蚀性不高，镀层结合 强度也不够高，部分将会被化学镀取代。 3 ) 化学镀n i - p 在无电源的条件下，用化学方法使基体表面获得n i - p 合金镀层。它以次弧磷酸盐为还原剂，当在化学镀n i - p 镀液中加入一定量的 直径为0 5 - 5 u m 的高分子材料聚四氟乙烯( p t f e ) 微粒，使其与n i 、p 共同 沉积在镀件表面，则形成n i _ p p t f e 多元复合镀层。化学镀由于镀液不稳定， 以及镀槽尺寸限制等原因，目前还不能应用于大型模具的表面处理。 4 ) 化学热处理钢的渗氮是在较低的温度( 4 5 0 - 6 0 0 ) 下进行的。有气 体渗氮、液体渗氮与离子渗氮等。工件经渗氮后，表面不仅可获得高的表面 硬度、高的耐磨性，还具有高的耐蚀性与热馒性。由于处理温度低，变形很 小，因此也适用于精度要求高的塑料模具。对于含有a l 、v 、t i 等元素的合 金钢，渗氮后可获得很高的表面硬度- ( h v 9 0 0 1l0 0 ) ，而对于普通碳钢，氮 化的硬度不太高( 约h v 5 0 0 ) 。同样由于炉膛尺寸限制原因，目前还不能应 用于大型模具的表面处理。渗硼及以渗硼为基的复合渗可使工件表面具有高 的硬度( h v l4 0 0 2 0 0 0 ) 和耐磨性、良好的抗蚀性、热硬性及抗氧化性。但由 于渗硼温度高，且基体硬度和强度的提高仍需经淬火、回火得到，因此可能 造成较大变形，尺寸和形状难以控制，不适用于塑料模具。 5 ) p v d 主要有真空蒸镀、真空溅射镀、离子镀等。较之c v d ，p v d 的绕 镀性差，对于小孔、凹槽，膜层较薄或沉积不上，因此不适合某些多凹槽与 孔、形状复杂的塑料模具。另外p v d 设备成本高，膜基结合强度较c v d 的差。 此外，由于炉膛尺寸限制，目前还不能应用于大型模具的表面处理。 6 ) c v d 将工件置于有氢气保护的炉内，加热到高温( 8 0 0 以上) ，向 炉内通如反应气体，使之在炉内热解，化合成新的化合物沉积在工件表面。 由于处理温度高，基体硬度低，处理后还需进行淬火，会产生较大变形，因 此不适合于高精度模具。 综上所述，以上常用的模具表面强化方法，由于受设备炉膛体积或其它 因素的限制难于应用在尺寸在1 m 以上的大型或超大型模具3 。 6 第一章绪论 1 3 激光相变硬化的原理及优点 1 3 1 激光淬火的热循环过程 当激光束快速扫描金属材料表面时，材料表面极薄的一层瞬间吸收一部 分光能，激光辐照区表层温度以极快的速度升到奥氏体化温度以上、熔点以 下，使仍处于冷态的基体与被加热薄层之间的温度梯度高达1 0 3 1 0 4 c m 。 当激光作用停止后，由于作为良导体的金属基体的热传导作用，激光作用区 温度迅速下降，进行自冷淬火，从而实现工件的表面淬火。 激光相变硬化过程中金属材料只有温升没有熔化，其中有两个温度值特 别重要：一是材料的熔点，材料表面的最高温度必须低于材料的熔点；二是材 料的奥氏体转变临界温度。激光加热过程中的最高温度只能处于上述两个温 度之间材料才能发生相变硬化【15 1 。表面温度和温度梯度是制定激光强化工艺 方案和工艺参数的根据，而激光作用下金属内部发生的变化是通过激咣直接 作用在金属表面薄层来实现的。较高的温度梯度引起了热扩散效应( 即材料中 的原子迁移现象) ，导致激光作用下金属内部在一定深度内产生几个不同组织 结构的区域，其深度和硬度以及其它性能也随温度梯度分布的变化而各不相 同。 和传统热处理相比，激光相变硬化的加热速度和冷却速度均极高，因此 具有独特的热循环，无论是温升时的奥氏体转变还是冷却时的马氏体转变均 显著不同于传统热处理过程。激光淬火效果与材料热影响区所经历的热循环 有关，因此可通过控制和调整激光功率及功率密度分布、扫描速度等参数来 改变热循环，从而达到符合设计要求的理想的淬火效果。 1 3 2 激光淬火区的组织结构 激光辐照过程中，激光作用区表面至内部各层的温度均有所不同。因此， 激光淬火后材料表层存在三层组织结构。第一层为相变硬化层。由于高功率 激光辐照，材料表面温度最高，升温最快，作用时间最长，组织转变是在极 大的过热度和过冷度的非平衡状态下进行的。原有的珠光体类组织通过切变 模式转变为奥氏体组织，随后各种合金元素存在扩散和迁移现象。但与常规 7 广东工业大学硕七学位论文 热处理相比，扩散时间远远不足。因此，奥氏体中的合金元素分布很不均匀 使其各部分的马氏体转变温度有很大的差异，冷却后形成高碳马氏体、低碳 马氏体和残余奥氏体【1 6 】。同时，晶粒的形核率大大提高，致使硬化层组织非 常细小均匀，位错密度较高，呈微细隐针状。该层表层组织结构为奥氏体急 冷后形成的高碳马氏体和残留奥氏体，次层组织为加热时的奥氏体和未熔相 急冷后形成的马氏体和铁素体( 即亚共析钢) 或马氏体和碳化物( 即过共析钢) 。 第二层为过渡层。该层处于强化层边沿，呈白亮色的窄带，又叫热影响区。 这主要是由于其加热温度在a c l a c 3 之间，温度梯度相对较小，作用时间较 短，原子的扩散和迁移更不明显，铁素体向奥氏体转变和碳化物的溶解都不 充分，即相变不充分，晶粒较粗大，未达到完全奥氏体化。故过渡层组织结 构为马氏体和未转变的原始组织，残留有弥散分布的颗粒状碳化物。第三层 为基体层。该层温度较低，未达到相变温度，原子几乎没有进行扩散和迁移， 在激光强化过程中组织未发生变化，保持原有的组织结构，仍为回火屈氏体。 1 3 3 激光淬火提高材料性能的机理 理论研究和实验结果表明：经激光淬火后的材料获得了超高的硬度其中 晶粒的显著细化、内部位错的大量增殖、高碳马氏体的形成、残余奥氏体的 强化、表面较大残余应力的存在等是材料获得强化区高硬度和其它力学性能 得到提高的主要原因。 激光相变硬化过程是在高度受扼的形态下进行的，所获得的马氏体实质 上是一种形变马氏体，比常规淬火所得的马氏体具有更高的缺陷密度，晶粒 更加细化，同时由于冷却速度极快，碳原子来不及扩散，使得马氏体含碳量 极高。而且残余奥氏体也获得了极高的位错密度，从而大大提高材料硬度。 材料经激光淬火后的硬度比常规淬火提高15 2 0 ，相应地材料的耐磨性也 得到提高。 激光超快速加热过程中，金属材料的过热度很大，造成相变驱动力很大， 奥氏体相变在过热度很大的高温区以很短的时间完成，其相变晶核的临界半 径极小，奥氏体的成核率极高，其形核数日剧增，结果必然获得超细晶粒( 3 5 u r n ) 。超细化的奥氏体在马氏体相变时必然转变成超细化的马氏体组织， 第一章绪论 使得过渡层中的马氏体组织和碳化物颗粒也得到细化。断裂韧度理论指出： 晶粒细化不仅可以提高金属材料的强度，而且可以改善其韧性。因此激光淬 火能使材料的韧性得到较大改善，即材料获得较高的抗塑性变形能力。 此外，由于热能的快速传递，激光加热层内产生极高的温度梯度，同时 存在着各相比容和线膨胀系数的差异，使得材料表层经历了强烈的应力作用。 在该热应力作用下，金属材料内部形成了大量胞状结构的位错和高缠结状的 位错，从而产生较高的位错密度( 1 0 9 c m 2 10 1 1 c m 2 ) ，促使材料强度得到显著 提高。而且激光淬火后材料表面存在残余压应力，由此提高了材料的抗疲劳 强度 1 7 1 。 1 3 4 相变及其标准的确定 根据热处理原理，钢铁的淬火过程可以简单地分为加热和冷却两个过程。 在加热过程中，当温度大于a 。时；发生珠光体向奥氏体的转变，同时伴随着 碳元素在奥氏体中的扩散。在冷却过程中，当冷速大于马氏体生成所需要的 临界冷却速度v c 并且冷却至马氏体相变开始温度m s 点以下时，奥氏体将转 化为马氏体，完成材料的淬火过程8 1 。因此实现相变硬化最主要的两个条件， 一是加热温度t 必须大于a 以保证奥氏体的生成。二是冷却速度必须高于 临界冷却速度9 1 。 在激光相变硬化过程中，第二个条件在多数情况下是可以得到满足的， 由于激光热处理具有加热速度快、过热度大，造成相变驱动力大等特点，对 共析钢而言，奥氏体晶核不仅在铁素体一碳化物界面上形成，而且也可能在铁 素体的亚晶界上直接形成奥氏体晶核，使奥氏体形核率和长大速度极高，基 体组织在极短的时间完成奥氏体化过程( 据文献心们报道，对于g c r l 5 钢，激 光功率1 2 0 0 1 8 0 0 w ，扫描速度3 0 6 0 m m s ，光斑线尺寸5 - 1 0 m m 时，奥氏体化 时间仅为9 5x1 0 - 31 5 1 0 2 s ) ，可以近似认为奥氏体化过程是瞬时完成的。 因此。作者以t a m 作为判断硬化区和非硬化区界面的标记，即从金相上观 察到的淬火马氏体组织和基体组织之间的分界线即是最高温度值为a 。的等 温线。 9 广东t 业大学硕士学位论文 1 3 5 激光相变硬化优点 激光相变硬化与普通淬火工艺相比具有独特的优越性：其一硬化层组织 细化，其硬度比常规淬火提高1 5 - 2 0 ，铸铁材料激光淬火后其耐磨性可提 高3 4 倍。第二低成本材料可通过激光相变硬化来代替渗碳、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，且硬化层 可精确控制。第三激光淬火后工件变形小、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。 第四对工件的特殊部位，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。另外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，实现白冷淬火，不需要油或水等淬火介质，避免了环境污 染2 1 | 。 1 4 激光相变硬化的模拟研究 1 4 1 温度场研究的国内外发展概况 激光表面改性的数值模拟技术，始于7 0 年代末8 0 年代初，此后，随着 理论研究的深入和计算机技术的提高，发展很快，由于激光表面处理技术与 传统的热处理相比它具有许多鲜明的优点【22 1 ，激光技术在材料表面改性中的 应用比较广泛。但由于它是个多参数问题，如激光功率密度、光斑形状和大 小、扫描速度等，给试验者、操作者带来困难，要建立变量间的联系，要做 大量规范性实验，这对财力和人力都是一种浪费。所以，建立数学模型，描 述其物理过程，通过求解数学方程来预测过程的参数成为一种可行的方法， 并可以通过做少量实验来验证模型的局限性2 3 。 热传导在所有激光表面处理中起了重要作用，在激光相变硬化过程中， 这是唯一重要的现象。开始，国外的一些学者建立了一、二维的解析模型， 这些模型简化了假设、边界条件和解的方法，而且有一定的适用范围。由于 c a r s l a w 和j a c g e r 2 4 】对针对不同情况对热传导方程进行了求解。所以，为建 l o 第一章绪论 立解析模型创造了条件。首先g r e g s o n 2 5 建立了半无限大平板物体的一维瞬 态模型，适用于工件厚度大于2 ( 4 k t p c p ) 的情况，其中k 是材料的导热系 数，t 为激光辐照时间，p 和c p 分别为材料的比重和比热，则工件厚度对热 流的影响可以忽略不计。c l i n e 和a n t h o n y 2 6 1 建立了半无限大平板的三维模 型，虽然这些解析模型对激光相变硬化的数值模拟起到了一定的作用，但由 于解析模型都是在以下的假设条件下建立的：( 1 ) 热源集中于固定的一点、 一线或一面；( 2 ) 材料不发生相变；( 3 ) 材料具有常热物性；( 4 ) 材料的几 何尺寸为无限大；( 5 ) 。理想的边界条件等。所以和实际的情况有很大的误差。 8 0 年代初，数值方法去除了适用于解析方法的限制条件，逐步建立了接 近于实际工况的模型。s i n d o k o u 和d k s u n 口7 j 建立了平板和柱体激光相 变硬化过程的三维热流模型，这两个模型均将热物性参数定位常数，从室温 到高温用同一平均值。此外，由m a z u m d e r 和s t e e n 2 8 j 修正，这个模型考虑了 随温度改变的热物性参数、热源的空间分布、辐射和对流热损失及相变潜热。 而且假设工件是有限厚度、有限宽度的、沿扫描方向为无限长，即为准稳态， 忽略首尾效应。c o u r t n e y 和s t e e n 应用这个模型，预测了热影响区的深度和 热循环的时间。 国内的激光相变硬化过程温度场数值模拟较国外的晚一些，始于8 0 年代 中后期，激光作用下材料温度场的计算，从开始便有两种方法：一种是解析 法，这种方法的优点是计算简便，缺点是不利于考虑边界条件和相变潜热以 及材料物性参数随温度的变化等因素对温度场的影响；另一种方法是数值计 算法，它具有物理意义明确，易于考虑边界条件等因素影响的优点，但程序 相对较复杂。章靖国【2 9 】等用一维和三维传热模型对激光表面溶化过程中工艺 参数进行了计算；王友年1 3 0 等采用积分变换法求解了激光束辐照下涂层和基 体材料中的热传导方程；杨洗陈【3 1 】等研究了激光热处理光斑形状对宽带硬化 性能的影响，采用热源函数法求解，把光斑看作是无数点热源组成的面热源； 李俊昌【32 】等对非熔凝处理的稳态温度场快速计算以及快速确定铁基材料表 面相变硬化带尺寸。这些计算都做了大量的假设：( 1 ) 入射光束为理想分布； ( 2 ) 材料的热物性不随温度变化并忽略相变潜热；( 3 ) 忽略表面上由于对流 和辐射引起的热损失；( 4 ) 工件尺寸为无限大，且是稳态温度场的计算，对 广东t 业大学硕七学位论文 经过以上的计算模型，一般都有一定的适用范围。 关于激光表面处理热过程的数值计算问题，近年来国内的学者们作了大 量工作，提出了许多温度场计算的模型；张立文、赵志国等曾提出了激光相 变硬化过程场的二维数值模型。王荣山用三维模型和此二维模型作了比较， 提出在高速扫描的情况下，二维模型和三维模型的模拟结果一致，但在低速 扫描得情况下，三维模型更接近实验值。这主要是二维模型忽略了沿扫描方 向得传热对温度场的影响。 章靖国针对g r e e n w a l d 一维半无限大空间模型的缺点，提出了运动 g a u s s i a n 热源三维模型对自淬火快速凝固的热过程进行了计算机模拟，郭景 杰等【33 】计算了激光表面熔凝处理过程中温度分布和变化，对溶化深度和相变 总深度进行了预测；徐庆鸿等3 4 】建立了激光熔覆三维温度场数值模拟。以上 三个模型，都未考虑激光熔池的对流问题和可能在材料内部形成的 “k e y h o l e ”o 1 4 2 应力场研究的国内外发展概况 对于决定处理结果力学性能的瞬时应力，残余应力分布的研究，有的对 残余应力进行了实验研究【35 1 ，如日本的t a k a y o s h ii s h i g u r o 等，有的应用现 成软件进行了模拟计算，但结果分析比较模糊。t a k a y o s h ii s h i g u r o 等对经激 光处理的高强钢材料的次层产生裂纹的原因进行了分析。他们用x 一射线衍 射仪测量了从表面到一定深度的残余应力，而且用s e m 和t e m 分析了裂纹 的微观结构。推断出裂纹产生的一个重要原因是因为次层的拉伸应力太大所 致。法国的m d e b u i g n e 等【36 j 建立了由激光固态相变硬化引起的热和力学现 象的三维数值模拟。他们用非线性有限单元软件计算了激光处理过程和处理 后的内应力和工件的变形。 激光表面相变硬化和传统的热处理数值模拟在基本原理上有些相似【3 7 1 ， 传统热处理的研究者们对温度场、组织分布、应力场进行了建模和计算，部 分的考虑了它们之间的耦合关系，也取得了一定的成果。所以在模型的建立 上和求解过程都有一些借鉴作用州。 激光相变硬化过程中的瞬时应力，残余应力一直是国内许多激光表面改 1 2 第一章绪论 性研究者极为关注的问题之一”9 1 。因为钢铁材料在激光相变硬化过程中，表 面产生的残余应力的分布状态及其大小对材料的使用性能有很大的影响；残 余拉应力加剧了材料内部的应力集中，促进裂纹的萌生或加速已存在裂纹的 扩展，造成材料的早期破坏；而残余压应力松弛材料的内部的应力集中，可 以提高构件的抗疲劳性能。 国内的材料激光表面改性研究者对激光处理过程的残余应力进行了大量 的实验和理论解析的研究。刘宇等【4 0 】对钢和铸铁中激光相变硬化引起的残余 应力现象进行了研究。结果表明，激光相变硬化层中的残余压应力是普遍存 在的现象。激光能量密度对残余应力的大小有很大的影响，且对具有不同原 始组织的材料，影响也不同，且推导了激光相变硬化层的残余应力公式，并 对实验结果进行了分析讨论。杨永宁等【4 l 】也对激光热处理的表面残余应力进 行了研究，指出4 c r l 3 不锈钢经脉冲铷玻璃激光淬火后，在没有溶化的表面 为压应力，其压力值在10 4 0 k g f m m 3 之间，而溶化了的表面则为拉应力。 陈传忠等【4 2 】利用x 射线衍射法对w 1 8 c r 4 v 高速钢激光相变硬化层的残余应 力进行了测定和分析。实验结果表明，相变强化层表面的残余应力为压应力， 外部为拉应力。其大小和分布状态随工艺参数的变化而改变。以上的研究都 是基于实验和粗略定量的研究，对其机理和作用过程不是十分清晰【43 | 。所以， 近来出现用有限单元法对激光相变硬化过程的弹塑性力学行为进行的研究。 张立文等建立了二维平板数学模型，计算结果和实验值符合很好。 1 4 3 数值模拟的各计算方法和比较 激光相变硬化过程是一个十分复杂的过程，既涉及到激光热源，又涉及 到各种热物性参数随温度的变化、工件表面的辐射传热和对流传热及相变潜 热等多方面的因素。在数学模拟中，人们