（材料加工工程专业论文）弯管机辊轴表面硬化处理机理及磨损性能研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 在建筑、火电安装、仓库，码头等施工现场，弯管机被广泛使用。在弯管过 程中辊轴和模头( 弯胎) 表面不能有过分的损伤，否则将影响管道的使用性能。 辊轴和模头的磨损主要是与钢管之间的滑动摩擦引起的，而引起磨损的主要因素 是弯管压力、辊轴和模头与工件之间的硬度差、辊轴和模头与工件之间的摩擦系 数等。辊轴和模头表面的磨损直接影响弯管质量和加工成本。 本文针对弯管机辊轴及模头严重磨损的实际问题，采用激光技术和等离子弧 淬火技术对辊轴及模头材料4 0 c r 合金钢表面进行了高能量密度表面改性试验研 究，并论述了激光各工艺参数( 激光功率、扫描速度和光斑尺寸等) 对其相变组织、 深度和硬度的影响。用不同处理方式的4 0 c r 合金钢与钢管常用材料冷轧q 2 3 5 钢 组成摩擦副，在干摩擦和油润滑状态下进行了磨损试验研究。通过干摩擦和油润 滑状态下的磨损试验研究，比较了两种高能量密度表面改性处理的材料性能，为 辊轴及模头的合理使用及加工提供了依据。本文研究的成果主要有： ( 1 ) 采用c 0 2 激光器和等离子弧淬火对4 0 c r 钢进行表面相变硬化试验。研究结 果表明，4 0 c r 表面产生硬化的机理主要是材料表面瞬间产生高温，冷却速度快， 表面金相组织由原来的珠光体转变成马氏体。 ( 2 ) 对4 0 c r 进行激光硬化和等离子弧淬火后，与冷轧q 2 3 5 钢配副进行了干摩 擦和润滑油润滑磨损试验研究。通过干摩擦与油润滑条件下的平均磨损速率对比 可以看到，在油润滑条件下，激光处理4 0 c r 耐磨性可以提高约2 3 倍。等离子加 工4 0 c r 耐磨性可以提高约1 3 倍。加入润滑油后，大大减少了磨损量，有利于提 高弯管质量。 ( 3 ) 对4 0 c r 表面分别进行了常规处理，等离子弧淬火和激光处理，通过对比试 验研究，结果表明，两种高能量密度处理表面硬度大于常规处理表面，通过高能 量密度处理可以提高合金钢表面耐磨性，提高辊轴及模头的使用寿命。 关键词：弯管机辊轴，激光硬化，等离子弧表面淬火，磨损试验 弯管机辊轴表面硬化处理机理及磨损性能研究 1 1 l es t u d y 彻m c c 置l a l l i s mo f t i 屺s u r 蠡l c et r e 舳e m 趾di t sw e 盯f o rb e n d e r sr o s h 硪 a b s n 岵t i i it l l ec o i l 鲫r u c t i o ns i t c so fb u i l d i n g ，p o w e rp l a mi n g t a l l a t i o n ，s t o r e h o u a n dd o c i 【，t l l e 锄e 俗a r eu d 埘d e l y 1 l lt h ep r o c e s so ft l l b eb e i 】l d 妯g ，t h er o us k l f t 卸dt i l cm o d e lh c a d ( b e i l dap a d d i n 曲吼f k es h o t l l dn o tb c 百v e nl o 韶e x c e s s i v e l y ，o 吐l 删i s et t l ep i p e i p e r f o m m c ew o l 】1 db ee 任娥c d 1 kw e a ro f t h em l ls h 啦锄dt h cm o d c ll ，e a da m a i n l y c a i i s e db yt h cs l i d i n g 衔c 右b t 栅哪nt l l ep i p e s ，龃dt h em a i nf a c t o r sa 糟t l l eb 即d i i l gp 他船u r e ， l eh 却d n e s sd i 丘宅r c n c ea n dt b e 衔c t i o nc o e 硒c i e n tb e t w e e nt l l er o l ls l l a f t 觚dm em o d l e lh e a d 研t l lt 1 1 er o l l e rp a r t s 1 1 尬q 阻l i t yo f p i p eb e n d i n ga n di t sm a l l u f a c 岫g c o s tw o i l l db ee 仃b 曲耐 d i r 喇l y b y t t 犯鲫r f ；k e w e 盯o f 恤r o l ls h a f t 柚d t h c m o d e l h e a d a i m e da t t h e 越 t i l a ip r o b l 锄o f 掣a 、，e w e a r t o t i l er o l ls h 趣姐d t l l e m o d e l h 龆d ，t l l i s 咿r i n 仃0 d u c e st l l ep e 面n r 姗c ec h 狮g i n gt e s t 觚d 咖d yt 0t h eh i 曲e n e r g yd c n s i 够s 吲eo fi t s m a t e r i a lo f 4 0 c ra l l o y 蛐lb yu s i l l gl a s c ra n dp l a s ma q u e n c h i n gt e c h i l i q u e s ，m l dd i s c u s t h ei n n u e n c eo f t h ed i 仃毫r e ml a s c r st e c h l o l o g i c a l 弹瞄m e t e r s ( s u c h 勰l a ro u t p l 止s c 疵n g v e l o c i t ya n dt 1 1 ef 砬u l as i z e ，e t c ) t 0i t st r a m f o 咖a t i 蚰o r g a | i i 枷o i l ，d 印t l l 锄dk 帕n e s s a n d a l s o 廿圮伍c t i 彻a n dw e 盯e x p 甜m e n t so f m a t ec o u p l eo f 4 0 c rt o o ls t e e l 粕dc 0 0 lm l l i i l g ( 驺3 5 s t e e i ，n a t e db yd i 岱：陀mm e t l l o d s ，l l a v eb nd o 呻d e rd r y 衔c t i o n 趾dn u i dl u b r i c a t i n g c o n d i t i o 鸺c o m p a 咒dn l et w om 砷耐a l s p e r f o 皿a n c e so f t h eh i g he n c r g yd e n s i t ys u r f h c c sb y p e d b 咖飙c cc h a n g i n gt e s t si i lt l l i sw a y ，t l l eb 鹊i sf 醣m o r cp r o p e rl i s i l l g 趾dp r o c e s s i n g 幽e r o l ls h a f t 趾dn l o d e lh e a dh a v e b e e nf o 吼d t h em a i l ls t l l d y 阳s u l t so f m i sp a p e ra r ea sb e l l o w ： ( 1 ) t h n s f o m l 撕h a r d e n i n ge x p 舐m e n t s0 f4 0 c rt 0 0 ls t l 仃e 积db yc 0 2l a s e r 雏d p l a 锄aa r cq u c n c h i i l ga r ec a 盯i c da u t t h es t i l d yr c 蚰l ts h o w s t h a tm e4 0 c rt ls t e e i ss u r f 犯e h a r d 船s sm e c h a i l i s mh 鲫b e 胁l e db yt i i em 越e f i a l s 汕t 缸ei i l ：沏m 勰e o 啪h i g h _ t e m p e r a n 眦 粕df 掇c 0 0 1 i n gs p e e d ，s oi 伍s l l r f k em e t a l l o g r a p h yo r g a i l i z a t i n a n s f o 咖e d 衄髓t h e o r i 舀船lp e 盯i i t ei m om a l i t e ( 2 ) f r i c t i o n 锄dw e a re x p e r i m e t so fm a t cc o 叩l eo f4 0 c rt o o ls t c e l 、斩mc o o lr o l l i n gq 2 3 5 s t e e l 仃c a t e db yi a s e r 锄dp l a 蛐aa r cq u e n c h i n gl l a v eb e e i ld o n e 啪d e fd r y 衔c t i 锄df l u i d l 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i l c r e a s e di i lt h i sw a y ，s om a t ，m e s 盯、，i c el i f eo f 廿屺r o l l s 蛐a n di t sm o d e lb e a dc o u l db em i s e d 曲s o l t i t e l y k e y w o r d s ：b e n d e r sr o n 粤h a n k 辩r h a r d n 鹤sp i 粕m aa 心q e 吐h i g w 翰r 饪p e m e 毗 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。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 沈阳工业大学或其他教育机构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任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：治f 刍鸥签名：峥锣均日期：。= b 口z ，2 二d 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：秀概日期：兰堕竺竺 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 随着国民经济的发展，弯管机已在许多领域得到使用。由于这种机械结构简单，造 价低廉，操作方便，广泛应用于工厂、仓库、码头、建筑、铁路、汽车以及大型火电安 装现场。在弯管过程中，辊轴及模头的磨损主要是由轧辊与被弯曲管件之间的相对滑动 引起的。决定磨损的因素主要有弯曲压力、辊轴及模头和被弯曲管件之间的硬度差、辊 轴及模头和被弯曲管件之间的摩擦系数、辊轴及模头和被弯曲管件之间的滑动速度等。 另外，辊轴及模头还受到周期性载荷作用，并伴随有氧化物的研磨和温度的波动。这些 因素导致辊轴及模头材料的一些原始组织产生裂纹，随着弯曲过程的不断进行，最终将 导致辊轴及模头的疲劳破坏。辊轴及模头表面的严重磨损还会造成钢管表面严重划伤， 使钢管强度下降，使用性能大打折扣。 1 1 本课题研究的意义 机器的运转是依赖其零件副的相对运动来实现，相对运动必然会伴随着产生摩擦和 磨损。磨损导致了材料损失和能源的消耗，影响了机器的使用寿命和可靠性。因此，提 高材料抗磨损能力是世界各国普遍重视的研究课题。对于整体综合性能较好的零件，只 要在其局部部位施以适当的表面硬化处理，提高其耐磨性和耐腐蚀性，就能显著延长其 使用寿命，避免失效情况的发生。因此，表面硬化技术也成为了2 1 世纪工业发展关键技 术之一【“。 新出现的高能密度表面技术非常引人注目。高能密度表面硬化技术就是在材料的表 面施加极高的能量，使之发生物理和化学变化，以达到实现表面硬化的目的。其特点是 工序简单，过程迅速，零件变形小，生产效率高。 高能量密度热源主要有激光、等离子弧、电子束、太阳能等。激光表面硬化是高能 密度表面硬化技术中的一种主要手段。在一些特定的情况下，它具有传统表面硬化技术 和其它高能表面硬化技术不能或不易达到的优点，这使得激光表面硬化技术在高能密度 表面硬化领域中处于十分重要的地位。目前，我国及世界其他许多国家都进行了大量的 试验和理论研究工作【2 j 。 弯管机辊轴表面硬化处理机理及磨损性能研究 等离子弧，作为仅次于激光的高能量密度热处理热源，可以实现零件或部件的选择 性表面淬火，达到使用低廉的材料，获得性能优异表面的目的。在国内外，等离子弧表 面淬火的研究已转入到实用阶段，淬火后零件的寿命明显提高【3 l 。 本文针对弯管机辊轴及模头目前存在的实际问题进行了系统的理论和试验研究。通 过激光表面硬化技术和等离子弧淬火两种高能密度表面技术对常用的辊轴及模头合金 材料进行表面改性处理，为新型弯管机的设计和提高弯管质量提供理论依据和试验数 据。 1 2 国内外高能密度表面技术研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外激光加工研究现状及发展趋势 7 0 年代以来，随着千瓦以上的大功率c 0 2 激光器的问世，激光加工技术已发 展到采用大功率c 0 2 激光器进行板材切割、深熔焊接和表面处理方面。嗍 我国自7 0 年代末成功研制出千瓦级c 0 2 激光器之后，激光热处理技术的工监 应用也取得了重要成就，从此，在不同的学科和领域中，人们始终没有中断对这 项技术的应用研究。 关于激光加工技术，虽然目前人们研究的比较多，但还没有形成完整的激光加工工 程体系，大多数还仅仅停留在试验研究和工程应用方面。目前从工程应用角度来看，主 要是利用激光对材料表面进行热处理，改善材料的表面性能。激光相变硬化是利用激光 改善材料表面性能的主要手段，通过研究激光处理对金属组织相变的影响，进而研究对 其表面形貌和物理力学性能的影响，即硬化层的深度、硬化区的硬度分布、表面残余应 力、表面耐磨性及表面粗糙度等。 1 2 2 国内外等离子弧表面淬火技术研究现状及发展趋势 美国，日本，德国等激光表面淬火技术先进的国家在等离子弧表面技术方面也处于 领先地位。r 本在九十年代初就研究了等离子弧表面淬火的条件和组织1 5 1 ，并用小口径 喷嘴进行炭钢的等离子弧淬火嘲，证明如果考虑加热方法则和激光同样可以进行局部硬 化。 沈阳工业大学硕士学位论文 在国内，崔洪芝等人【7 1 在国家自然基金的资助下对气缸套的等离子弧淬火进行了大 量的研究，研制出应用于工业生产的专用气缸套等离子弧数控淬火设备；王硕桂【3 垮人 在等离子表面淬火的淬硬保持时间于硬化层的硬度分布，单位长度能量对硬化深度的影 响，相变硬化带的预测及影响因素等进行表面淬火过程机理分析及应用展开研究，取得 了有参考价值的数学模型。 1 3 高能量密度表面热处理技术特点 高能量密度热源表面热处理，是对工件表面施加非常高的能量密度，在很短的时间 内，将工件表层加热到相变温度以上，熔融状态以下，然后靠工件自身冷却，实现表面 硬化，以提高表面耐磨性和耐腐蚀性。其特点是： ( 1 ) 能量的作用被集中在表面和一个深度不大的表面层，可在所需要的部位 对工件表面进行选择性的表面处理，故能量的利用率高，能耗小。 ( 2 ) 加热过程非常迅速。高密度的热流使工件表面在很短的时间内达到很高 的温度，并由表及里形成一个很大的温度梯度，所以一旦停止加热，便可以极快 的速度冷却，不需要外加淬火介质，而实现自冷淬火。因此表面硬度也高于常规 热处理，如4 5 钢常规热处理硬度为5 0 - 5 5 h r c ，经等离子弧淬火后，表面淬硬带 硬度达6 0 6 5 h r c ( 9 1 。 ( 3 ) 它对金属进行非接触式加热，没有机械应力作用，而且加热和冷却速度 快，热应力也小，因此处理后工件的变形较小，可减少或者省去后续处理，简化 工序，生产效率高。 ( 4 ) 无污染，生产环境清洁。 1 3 1 激光相变理论及硬化表面磨损机理 激光相变硬化技术，是利用激光束发出的热量作用于金属表面使其奥氏体化， 通过热量向材料内部迅速传导，奥氏体转变成马氏体，该过程为自身淬火。由于 冷却速度非常高，足可以生成马氏体。对于形状不规则的零件，应用激光处理也 可以获得均匀的硬化层。 弯管机辊轴表面硬化处理机理及磨损性能研究 激光相交硬化这个术语是在高能密度热处理技术问世以后才出现的名词，主 要是为了和熔化凝固处理加以区别。激光相变硬化的主要特征是所有过程均 在固态下进行，表面没有融化和烧伤。在这个基础上，以一定的激光功率即可获 得最大层深及较高的生产效率。 k 一k y o o n ，w 一b k i m ，s 一j n a 采用有限元法对激光加工表面产生的的热变 形进行了分析。基于二维有限元模型，对硬化区的温度分布进行计算，同时使用 该模型对硬化区的变形和残余应力进行了分析。j c i o n 采用计算机软件包对激光 相变硬化进行了系统研究。通过对热流和相变的分析，确定相变区的深度和最大 的硬度l l o 1 。 重庆大学1 9 8 1 年开始用激光对钢表面进行硬化处理，用光学金相、扫描和透 射电镜、x 光衍射仪、俄歇分析仪及电子探针对g c r l 5 钢经激光淬火后引起高硬 度( 1 0 6 4 h v ) 的原因作了系统的研究，提出了g c r l 5 钢激光相变硬化机理是以马氏 体相变硬化为主，马氏体很细，尺寸为o 1 9 6 m 1 8 m ，马氏体位错密度很高， 达2 3 x l o “条c m 3 ，马氏体的含碳量高达9 0 ，残留的奥氏体显著硬化，其位错密 度高达3 6 x l o l 2 条c m 3 ，晶粒超细化和碳化物细化及弥散分布。山东工业大学对 w 1 8 c r 4 v 高速钢经激光相变硬化的硬化机理和组织性能作了研究【1 2 】，研究结果发 现，激光相变区的晶粒由原来的8 级提高到1 2 级，残留奥氏体量较常规淬火有明 显减少，只有约1 0 1 5 ，相变区的马氏体为针状马氏体和板条状马氏体的混合 组织。激光快速加热时间极短，因此存在碳化物的不完全溶解以及碳和合金元素 的不充分扩散，扩散的距离约为数百纳米数量级。1 9 9 5 年，李俊昌对激光处理金 属相变的机理进行了较为系统的研究，提出金属材料的激光相变硬化过程与激光 的热循环、材料的金相转变及外界条件有关。激光热循环的变化取决于作用光束， 作用时闻( 或光束对材料表面的扫描速度) 、被处理工件材料的导热性能以及工件 的几何形状等多种因素。使用激光束作用于材料表面，使得材料奥氏体化。由于 热传导快速冷却，表面热量迅速向芯部传递，冷却速度极快，表面层靠自激冷却 淬火，所获得的冷却速度足可以生成马氏体层，最终使奥氏体层转化成马氏体层， 提高了材料表面的耐磨性。 沈阳工业大学硕士学位论文 利用激光表面硬化技术提高材料表面的抗磨损性已经取得了显著的效果。利 用激光对铸铁表面进行硬化处理，其表面硬度可高达1 1 0 0 一1 5 0 0h v ，经过摩擦磨 损试验，硬化区表面的磨损率明显降低。对铸铁微观组织的分析发现，经过激光 处理后的表面形成了高硬度变态来氏体和高弥散的超细化马氏体，组织内部位错 密度的增加和位错运动造成的金属强度提高，大大提高了材料的耐磨性。 铸铁的磨损具有三个明显的阶段，初期的快速磨损，稳态磨损和加速的磨粒 磨损f 1 3 1 4 】。通过激光对不锈钢表面硬化磨损试验研究可以看到，经过激光处理以 后，相变硬化层的组织为马氏体+ 残余奥氏体+ c r 2 3 c 6 。硬度有了明显的提高，抵抗 粘着擦伤和塑性变形的能力也明显提高。在微动接触区的边缘部位主要是氧化磨 损，磨痕表面卣致密的氧化膜覆盖。在微动接触的中心区域，由于存在着较大的 接触应力，再加上微动过程中剪应力作用，造成了亚表层裂纹的萌生。激光处理 使不锈钢的主要微动磨损机制由原来的擦伤和严重的塑性变形转变为氧化磨损和 脱层损伤，相变硬化处理可以使不锈钢的微动磨损性能提高4 4 8 倍( 1 ”。 通过激光对合金表面的涂层进行熔覆处理，发现熔覆层中存在大量的非晶组 织，随着非晶组织含量的增加，磨损性能得到明显改善。如果非晶组织含量较高， 磨损表面则比较光洁，仅有较浅的犁沟存在；如果非晶组织含量较少，磨损表面 则出现较深的犁沟和较严重的剥落现象。在摩擦磨损过程中，熔覆层中颗粒的剥 落是造成磨损量增大的主要原因”。 1 3 2 等离子弧热处理技术的优势 等离子弧是高能量密度的压缩电弧，是和激光能量密度相当的高能量热源， 是近十年来出现的一种很有前途的新工艺，以它作为激光的替代热源已成为众多 专业人员的共识。在美，欧等激光表面淬火技术发达的国家，等离子弧表面淬火 的研究已进行了多年。据有关资料记载，美国，俄罗斯等国已经完成实验室研究 阶段，开始应用于工业生产，取得了良好的经济效益。等离子弧技术可以提高表 面硬度，抗腐蚀，抗磨蚀，降低摩擦等；应用于常规硬化方法不能处理、或者几 乎不可能处理到的表面，如：丝杠螺纹部分、齿轮和齿条的齿部、凸轮和靠模的 弯管机辊轴表面硬化处理机理及磨损性能研究 工作面以及许多零件的各种槽、沟、孔的局部硬化处理。对于表面积很大的工件 一导轨主轴、转轴、轴、杆等而言，运用等离子弧淬火来获得连续的硬化层也颇 有前途。等离子弧表面硬化技术可调参数多，经各种参数调整，可得到不同的硬 度和硬化层深度，完全可能达到或接近激光淬火的耐磨效果。 用等离子弧进行表面淬火具有与激光淬火相同的一些优点，更具有激光淬火 无法比拟的显著优点： ( 1 ) 在激光淬火前，工件需进行磷化( 即黑化) 处理，以提高光的吸收系数， 黑化质量对激光热处理的效果影响很大。等离子弧表面淬火不需进行其他工序即 可完成。 ( 2 ) 激光器的工业效率( 即电光能量转换效率) 很低，不超过1 5 ，而等离 子弧淬火设备的热效率可达8 0 以上。 ( 3 ) 激光热处理设备的价格昂贵，体积庞大，对操作人员的技术要求高，造 成安装场地要求高，生产成本高，而等离子弧淬火设备价格便宜，体积小，降低 了成本。 由于激光设备的原因，激光淬火在内孔表面等部位的淬火长度受到限制，等离 子弧淬火通过采用合适的工装，对长度较大的工件，可以实现淬火。 1 4w y q 电动液压弯管机及结构示意图 幽1 1 州q 电动液压弯管机 f 叼1 1w y qe l e c t r l cp o w e rh y d 旧u | cb e n d e r 6 沈阳工业大学硕士学位论文 l 、车轮2 、辊轴3 、上花板4 、模头5 、连杆板6 、方档块7 、柱塞8 、油缸 9 、支架l o 、电动油泵1 l 、放油螺钉1 2 ，高压油管1 3 、快速接头1 4 、下花板 图1 2 唧电动液压弯管机结构示意图 f i g 1 2 n l ed i a g 姗f b rv v y qe k c 岍cp o w e r h y d f 翟u i i cb e n d e r 1 5 本文所做的研究工作 结合国内外激光加工技术发展现状及弯管机辊轴及模头目前所存在的实际问 题，对辊轴及模头材料4 0 c r 进行激光处理和等离子弧淬火处理，并与常用钢管材 料冷轧q 2 3 5 配副进行磨损试验。通过试验，研究等离子弧淬火和激光加工两种高 能量密度处理方式对合金钢表面的硬化层深度、表面硬度的影响。采用电子扫描 电镜和x 射线衍射仪对磨损表面进行分析，进一步对辊轴及模头材料和与其配副 的冷轧q 2 3 5 钢磨损机理进行系统的研究。通过干摩擦和油润滑的磨损试验，研究 载荷、滑动距离、速度等对硬化的表面和碳素结构钢的磨损影响，比较激光硬化 处理和等离子弧淬火处理表面耐磨性。使用扫描电镜对磨损表面分析，进一步 研究各种条件下的磨损机理。 目前对于激光硬化和等离子弧淬火的4 0 c r 与碳素结构钢配副的磨损特性的研 究较少。通过试验研究，可以改变辊轴及模头以往的加工工艺，提高其使用寿命 和弯管质量，为激光加工和等离子弧淬火的进一步应用提供基础理论依据，同时 为改善辊轴及模头表面质量和碳素结构钢质量提供合理的方法。本课题的研究具 有一定的实际应用意义。本文进行了以下几方面的研究工作： 弯管机辊轴表面硬化处理机理及磨损性能研究 ( 1 ) 研究辊轴及模头材料4 0 c r 表面激光硬化和等离子弧淬火硬化机理。分 析对比两种加工方式对合金钢硬化表面力学性能的影响。 ( 2 ) 在干摩擦下，对不同处理方式的辊轴及模头材料4 0 c r 合金表面与常用 钢管材料碳素结构钢进行磨损试验，揭示出合金钢磨损机理和激光硬化等离子弧 淬火硬化对其表面耐磨性的影响。 ( 3 ) 在润滑油条件下，对激光硬化和等离子弧淬火硬化的合金表面与碳素结 构钢进行磨损试验，确定合理的润滑条件，为新型弯管机辊轴及模头的设计和改 善弯管质量提供理论依据和试验数据。 ( 4 ) 使用几种合金粉对4 0 c r 钢表面进行激光熔覆试验，探索激光对不同材 料的熔覆机理，寻找最佳熔覆效果。 ( 5 ) 对激光熔覆的4 0 c r 合金表面与碳素结构钢配副进行干摩擦和油润滑磨损试验， 通过对磨损表面的s e m 分析，探讨其磨损机理及激光熔覆参数对磨损性能的影响。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 表面硬化机理及试验条件 激光与等离子弧淬火都是使用高能量密度束扫描零件表面，在很短的时间内 将工件表层加热到相变温度以上，熔融状态下，然后靠工件的自身冷却，实现表 面硬化，以提高表面的耐磨性和耐腐蚀性。 2 1 激光及等离子弧相变硬化机理 2 1 1 激光相变硬化原理 激光热处理通常采用激光对材料表面扫描的形式，在激光的照射下，材料表 面吸收的激光光能先转换为热能，使表面温度升高，然后进行由表及里，由高温 向低温的热扩散。激光束向金属表面层的热传递过程，是通过“逆韧致辅射效应 ( i n v e r s eb r e m s s t r a h l u n ge f f e c t ) ”实现的。金属表面和其吸收的激光进行光一热转 换。当光子和金属的自由电子相碰撞时，金属导带电子的能级提高，并将其吸收 的能量转化为晶格的热震荡。由于光子能穿透金属的能力极低( 仅为1 0 4 m m 的数 量级) ，仅能使其表面的一薄层温度升高。由于导带电子的平均自由时间只有1 0 4 s 左右，因而这种热交换和热平衡的建立是非常迅速的。在理论上，激光加热过程 中，金属表面极薄层的温度可在微秒( 1 0 缶s ) 级，甚至纳秒( 1 0 母s ) 级或微微秒( 1 0 。2 s ) 级内就能达到相变或熔化温度。这样形成热层的时间远小于激光实际辐照的时间， 其厚度很明显远低于硬化层的深度，所以可以建立热传导模型来对激光处理时的 加热和冷却过程进行分析。这种分析对于激光热处理过程的理解或预先选择激光 热处理参数有所帮助。此外，必须对金属材料表面进行必要的处理，以提高激光 的吸收率，增加光能的利用率。 由于高能密度加热处理方法的发展，钢的奥氏体化时间大为缩短。过去在电 炉中加热时，时间以分来计算，采用激光加热则以秒或毫秒来计算。由于激光相 变硬化的加热速度快，因而奥氏体转变临界温度也随之升高。当加热速度超过2 0 0 s 时，珠光体转变为奥氏体的起始温度上升至8 0 0 。由于激光相变硬化的加热 速度远远高于2 0 0 s ，因此奥氏体转变临界温度可以取8 0 0 。当加热钢的奥氏 体区域时，原来组织的铁素体和渗碳体产生积聚。奥氏体颗粒通过在铁素体和渗 9 一 弯管机辊轴表面硬化处理机理及磨损性能研究 碳体边界成核和长大而形成。延长加热时间和提高加热温度都可以促使奥氏体晶 粒的长大。虽然激光加热的表面温度非常高，但由于加热及冷却速度极快，奥氏 体在没来得及长大之前就已完成了转变过程，获得了极细小而均匀的晶粒，在这 个基础上转变成的马氏体也非常细。因此，通过激光硬化得到的表面硬度高于一 般淬火工艺，而且脆性较低。 珠光体被加热到相变温度以上时，渗碳体中的碳往相邻的铁索体中扩散。对 于高碳工具钢，退火后的组织为球状珠光体，由于激光作用时间短，球状珠光体 的碳化物不能完全固溶于奥氏体。 碳化物是大多数工具钢特有的组分，它比马氏体更硬且脆。钢的碳化物含量取决于 碳和合金元素的含量以及在组织中形成的碳化物相的类型。当钢被加热至a l 点或更高 温度时，共析碳化物和二次碳化物进入到溶体中。在溶解时，这类碳化物使奥氏体与碳 和合金元素达到饱和状态，可保证钢的淬透性和淬硬性。当合金元素从奥氏体中析出细 小的碳化物时引起沉淀硬化。当激光加热温度达到奥氏体转变区时，原来组织中的碳化 物开始向奥氏体中溶解，由于激光加热和冷却速度快，一些碳化物没有来得及长大和扩 散而一同析出。碳化物的溶解及奥氏体晶粒的长大，均受到扩散过程的支配。在激光加 热过程中，因为各处温度不均匀，在不同温度下受热时问又不一样，所以生成的奥氏体 是非常不均匀的。另一方面在加热和冷却过程中，虽然处于较高温度的时间很短，但碳 化物的溶解及扩散依然在进行，因此上述的不均匀性稍微有所改变。由于奥氏体被加热 的时间很短，比较容易分解，导致淬透性降低。但激光加热后的自身冷却非常快，因此 对其淬透性的影响较小。碳化物的溶解和扩散与温度场分布有关。温度越高，碳化物溶 解越充分，冷却时析出的越多，分布也越均匀。 2 1 2 等离子弧淬火相变硬化原理 等离子弧，作为仅次于激光的、高能量密度的表面热处理热源，是等离子体通 过“机械压缩效应”、“热收缩效应”、“磁收缩效应”而形成的高能量压缩电 弧。 沈阳工业大学硕士学位论文 等离予弧是五十年代前后发展起来的一种新型热源。1 9 5 9 年美国l i n d e 公司 研制出等离子切割设备，随着6 0 年代中期等离子弧喷镀、焊接设备的相继出现， 等离子弧逐渐被广泛应用于生产。 等离子体是指由带电粒子( 自由电子、正负离子) 、中性粒子( 中性分子或原 子) 和由于碰撞产生的分子碎片组成的。在整体上呈现为近似电中性的电离的气 体物质，被称为物质的第四态，适应一般气体定律，但与一般气体有很大差别， 通常气体中的离子作杂乱无章的热运动，而等离子除热运动外，还会产生等离子 震荡，在外场中产生辐射等。当粒子的平均动能大于电离能时，在轨道上运动的 束缚态的电子就能脱离原子或分子而成为自由电子。它们在与材料表面撞击时会 将自己的能量传递给材料表面的原子或分子，产生一系列物理、化学过程。一些 ? 粒子还会注入到材料表面引起级联碰撞、散射、激发、重排、异构、缺陷、晶化 和非晶化，从而改变材料表面的强度、硬度、耐磨性或抗腐蚀性能。 等离子弧淬火热处理通常采用等离子弧枪对材料表面扫描的形式，使表面温度 升高，然后进行由表及里，由高温向低温的热扩散。可以实现零件或部件的选择 性表面淬火。使难于进行整体淬火，局部淬火或修复的零件，获得理想的硬度， 达到使用低廉的材料，获得性能优异表面的目的。 等离子弧淬火相变硬化原理与激光相似，也是通过极快的加热速度和冷却速度 使奥氏体转交临界温度升高，使马氏体细化，从而提高材料表面的硬度并且得到 较低的脆性。 2 2 试验设备 2 2 1 激光试验设备 4 0 c r 激光硬化试验采用5 k w 的c 0 2 横流式激光器。激光波长l o 6 u m ，激光 腔内混合气体是c 0 2 、n 2 和h e ，淬火时用n 2 或a r 气保护。使用两种聚焦镜，一 种是球面透射聚焦镜，一种是积分镜。球面透射聚焦镜具有良好的聚焦性能，可 以得到直径很小的聚焦光斑和较高的聚斑功率密度。但是，这种透镜往往离工作 区较近，容易受烟尘、溅射物的污染。积分镜以球面镜为基体，其上排列有等尺 弯管机辊轴表面硬化处理机理及磨损性能研究 寸的方形小镜片，并用具有一定导热性能的环氧树脂将它们粘固成一体。每块小 镜片将傍轴投射其上的平行激光的一部分反射为一束方形光束，各方形光束在基 体球面的焦点处重叠为一方形光斑，光斑尺寸等于小镜片的尺寸。尽管入射激光 柬的功率密度分布不均匀，单个反射的方形光束的功率密度分布也不均匀，但是 通过多个反射光束的叠加后形成的光斑功率密度分布趋向均匀。试验采用聚焦镜 时，光斑直径为3 m m ，激光功率选用范围1 4 0 0 w ，扫描速度选用范围2 0 m m s 。为 使试件表面更好地吸收激光能量，试验时在试件表面涂上s i 0 2 涂层，激光带搭接 为1 0 。 2 。2 2 等离子弧表面淬火设备 在等离子弧淬火工艺设备d z l 2 0 进行表面淬火试验。等离子弧淬火工艺设备 主要有：等离子弧淬火专用电源、电器控制系统、等离子弧喷枪、氩气瓶、机床 和冷却系统等6 部分组成。如图2 1 所示。 2345 图2 1 等离子弧表面淬火实验装置 1 机床，2 等离子弧喷枪。3 冷却系统，4 氧气瓶5 等离子弧淬火专用电源6 电器控制系统 f i g 2 _ 2m t e s td c v i c eo f t h ep l 私m aa r cs u m i c e q u c h j n g 1 m h i 雎t 0 d i ，2 p l 雒m aa r cs p r a yg u n ，3 c 0 0 l i n gs y s t e m ，4 a r g o na i fb a 眦e ， 5 p l 踟aa r cq u 朋c h i n gs p e c i a l p u r p l o s ep o w e rs o u f c e ，6 e l e 硎ca p p l i a n c ec o n 仃o ls y s t e m 沈阳工业大学硕士学位论文 淬火前，首先利用卡具将工件安装在车床上，并将等离子弧枪的阳极电刷连接在 车床的卡盘上，使工件在转动的同时，导通成为等离子弧的阳极。此后，将等离子弧的 阴极枪口对准工件的淬火部位，保持3 5 4 n 瑚的距离，使它与工件表面做相对运动， 并根据需要调整扫描速度和扫描螺距。调节氢气的流量至每小时0 2 o 3 m j 。 淬火时，启动冷却水泵使冷却系统成为循环冷却状态，对高电流的电源电缆和等离 子弧喷枪实施冷却。启动车床转动后，再启动等离子弧淬火专用电源，使之向等离子弧 枪提供3 0 9 0 a 的电流。此时，根据电源的陡降特性和等离子弧的伏安特性，等离子弧 枪立即就会产生大于1 4 0 0 0 k 的高热聚能等离子弧，它在瞬间就可将试件淬火部位的表 层加热到相变温度以上和熔融状态以下，然后依靠工件的自身冷却，就可以实现表面硬 化。 2 2 3 磨损试验设备 选用m p x 一2 0 0 0 盘销式摩擦磨损试验机，进行干摩擦和润滑油润滑试验。j 采用精度为o 1 m g 的t g 3 2 8 一a 分析天平测出试验前后的重量损失，进而计算出 磨损量。 2 2 4 分析测量仪器 l 、s 一3 6 0 型扫描电镜 2 、d m a x r a 型x 射线衍射仪 3 、c h x l 超显微硬度计 4 、t g 3 2 8 一a 分析天平 5 、x x s 一5 5 0 电子扫描仪 6 、h s r s 一4 5 洛氏硬度计 2 3 试验材料 试验材料为： 0 2 3 5 碳素结构钢和4 0 c r 合金钢。 4 0 c r 是常用调质钢，一般供应钢材为退火或回火，其布氏硬度 2 0 7 h b s 。4 0 c r 钢的化学成分及力学性能由表2 1 和表2 2 所示。 弯管机辊轴表面硬化处理机理及磨损性能研究 抗拉强度ob屈服强度o ， 伸长率6 ， 断面收缩率v冲击韧性 ( m p a )( m p a ) ( )( ) ( j ，m m 2 ) 屈服强度吼( m p a )抗拉强度o b ( m p a )伸长率菇( ) 3 9 0 4 5 2 4 表面分析方法 2 4 1 激光硬化及等离子弧淬火表面分析 4 0 c r 经硬化处理后，试样沿着硬化深度方向切开，然后进行金相研磨抛光，使 甩4 硝酸酒精溶液浸蚀，采用s 一3 6 0 型扫描电镜和d m a x r a 型x 射线衍射仪 对硬化区进行金相组织观察及物相分析。采用c h x l 超显微硬度汁测量硬化区 的断面显微硬度。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 4 2 磨损表面分析 采用s 一3 6 0 型扫描电镜和) 。( s - _ 5 5 0 电子扫描仪观察磨损表面形貌及其组分。 弯管机辊轴表面硬化处理机理及磨损性能研究 3 4 0 c r 合金钢表面硬化处理及磨损试验 摩擦是两个接触表面相互作用引起的滑动阻力和能量损耗，磨损现象是表面层微观 动态过程，而材料的磨损性能不仅与材料的固有性能有关，而且主要表现为摩擦学系统 的综合性能。 本章通过4 0 c r 合金钢与钢管常用钢配副的摩擦磨损试验，研究两种高能量密 度表面改性处理对材料摩擦磨损性能。同时比较高能量密度处理和常规淬火处理 表面的摩擦磨损性能。通过试验证明高能量密度处理的特性和优势。 作为弯管机中辊轴和模头的制造材料，4 0 c r 是常用的调质钢，一般供应钢材 为退火或回火，本项研究采用高能量密度表面处理方法对4 0 c r 表面进行改性处理， 提高表面硬度，同时也提高表面的耐磨性。 辊轴和模头与钢管产生摩擦磨损，导致辊轴和模头磨损严重。为了提高其耐 磨性，通常采取常规热处理的方法。4 0 c r 钢采用常规淬火时，淬火温度为9 0 0 ， 虽然淬火硬度可以达到较高值，但是由于奥氏体晶粒粗大，引起淬火马氏体片粗 大，导致钢的强度和韧性降低，容易造成工件折断和表面产生裂纹。目前，采用 激光强化处理和等离子弧淬火处理材料表面是两种新的热处理方法，通过试验可 以比较出更佳的处理参数，为辊轴和模头的强化提供新的工艺和加工方法。 激光表面硬化是提高零件表面耐磨性和增加使用寿命的一种有效方法，它可以对所 有的铸铁、中碳钢、工具钢进行表面硬化处理。在激光硬化过程中，硬度、淬硬性和相 变都取决于激光加工参数，如激光功率、光斑直径，光斑形状、扫描速度、聚焦条件、 保护气体环境以及表面涂层材料。当激光能量密度达到l0 3 口1 0 5 w ，作用时间为o 1 口o 3 s 时，钢的表面可以产生马氏体，提高材料表面的耐磨性。激光相变基本原理包括三部分， 第一是通过高功率激光交换作用，提高钢的表面温度，使其达到奥氏体相变临界点以上： 第二是与扫描速度有关的快速冷却速度：第三是在保护气体下的自身淬火。在这个过程 中，如果激光功率l ! j 2 k w ，作用时问o 1 f ：o 2 s ，则表面温度可达到7 2 5 = 1 5 0 0 ；而4 0 c r 的奥氏体相变临界温度氏1 7 7 0 口7 8 0 ，所以可以对其进行表面强化处理。在试验中我们 采用5 k w c 0 2 激光器，光斑直径3 n m ，扫描速度为1 5 m m ，s ，作用时间为o 2 s ，表面加热 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 温度可达到4 0 c r 的奥氏体相变临界温度以上。在上述条件下，经过自身淬火，材料组织 由原来的珠光体转变成高碳马氏体，增加材料表面硬度。同时，由于马氏体相变过程中 的快速凝固效应，产生大量的体积收缩，在表面产生残余压应力，这些残余应力可以提 高材料的耐磨性和耐腐蚀性。为了增加材料表面的淬透性和能量的吸收率，通常在材料 表面涂覆石墨、磷酸锌、二硫化钼、喷沙、墨汁和二氧化硅等不同的涂层。如果没有这 些涂层，只有1 0 的激光能量能够被材料吸收，导致激光功率的增加和激光处理成本的 提高。 等离子弧淬火的表面硬化原理与激光相似。淬火时车床转动后，启动等离子弧淬火 专用电源，使