（机械工程专业论文）球墨铸铁qt6003激光表面淬火组织及性能的研究.pdf

球墨铸铁q t 6 0 0 - 3 激光表面淬火组织及性能的研究 摘要 球墨铸铁材料因其优良的性能而被广泛应用。为提高球墨铸铁工件的使用寿 命，对球墨铸铁进行表面强化处理十分重要。本文研究用激光表面淬火工艺对球 墨铸铁材料进行表面强化处理，得出了一些有益的结论。 结合有限元分析软件a n s y s ，对球墨铸铁q t 6 0 0 3 激光表面淬火的温度场 进行有限元模拟，预测了相变硬化层的深度，并与在相同工艺参数下试验获得的 实际硬化层进行对比。结果表明，在选择合适的关键工艺参数的条件下，采用功 率密度均匀分布的圆形光斑激光束对球墨铸铁进行表面淬火的数值模拟结果与试 验能够较好的吻合。 采用半导体激光器对球墨铸铁q t 6 0 0 3 进行了激光表面淬火工艺试验，重点 研究了球墨铸铁q t 6 0 0 3 在不同激光表面淬火工艺参数下的微观组织、显微硬度 和硬化层深度等。试验结果表明，球墨铸铁q t 6 0 0 3 试样相变硬化层含有大量分 布较均匀的针状马氏体组织，表面硬度可达6 1 h r c ，约为基体硬度的2 3 倍。硬 化层的深度随着激光功率的增大而增大，随着扫描速度的增加而减小，随着激光 光斑直径的增大而减小。 对半导体激光表面淬火试样进行摩擦磨损试验，并和普通淬火试样进行对 比。结果发现，激光表面淬火处理试样的磨损量为普通淬火工艺处理试样磨损量 的6 1 8 。通过摩擦系数和表面磨损形貌的分析，半导体激光相变硬化层在磨 损试验中主要受到磨粒磨损，相比普通淬火工艺，有更好的耐磨性。 关键词：激光表面淬火；球墨铸铁；组织；性能 n 硕士学位论文 a b s t r a c t d u c t i l ec a s ti r o nh a sa ne x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，w h i c h i s w i d e l yu s e d i n i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h es e r v i c el i f eo ft h ew o r k p i e c e so f d u c t i l e e a s ti r o n ，i ti sn e c e s s a r yt o i n v e s t i g a t et h es u r f a c et r e a t m e n to fd u c t i l ee a s ti r o n i n t h i sp a p e r ，t h es p e c i m e n so fd u c t i l ec a s ti r o nq t 6 0 0 3w e r eh a r d e n e db yl a s e rs u r f a c e q u e n c h i n gt r e a t m e n t a n dt h er e s u l t sw e r ea n a l y z e dw h ic hc o u l dd r a ws o m eu s e f u l c o n c l u s i o n s t h et e m p e r a t u r ef i e l do fd u c t i l e e a s ti r o nq t 6 0 0 3 d u r i n g1 a s e r s u r f a c e q u e n c h i n gt r e a t m e n tw a sa n a l y z e db ya n s y s af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e t h e d e p t h so ft h eh a r d e n e dl a y e rw e r ep r e d i c t e db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r e f i e l d t h es i m u l a t er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u i t so ft h e h a r d e n e dl a y e rd e p t h s i tw a sf o u n dt h a tt h er e s u l t so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t sw e r ei ng o o da g r e e m e n tu n d e rt h es a m ep r o c e s sp a r a m e t e r so fl a s e r s u r f a c eq u e n c h i n g l a s e rs u r f a c e q u e n c h i n go fd u c t i l ec a s ti r o nq t 6 0 0 3w a si n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l l yb yu s i n g as e m i c o n d u c t o rl a s e ru n i t t h e m i c r o h a r d n e s s t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dt h ed e p t h so ft h eh a r d e n e dl a y e ro fd u c t i l ec a s ti r o nq t 6 0 0 3 u n d e rd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r em a i n l ya n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tg r e a ta m o u n t so fa c i c u l a rm a r t e n s i t e sa r eo b t a i n e di nt h eh a r d e n e dz o n e t h eh a r d n e s so ft h eh a r d e n e ds u r f a c ec o u l dr e a c hu pt o61h r c ，w h i c hi sa b o u t2 - 3 t i m e sa sh i g ha st h a to ft h em a t r i x i tw a sa l s of o u n dt h a t ，t h ed e p t h so f t h eh a r d e n e d l a y e ri nt h el a s e rs u r f a c eq u e n c h i n gt r e a t m e n ti n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fl a s e r p o w e r , d e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h es c a nr a t e ，a n dd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f t h el a s e rs p o td i a m e t e r t h ew e a rt e s tw a sc a r r i e do nt oa n a l y z et h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h es p e c i m e n s h a r d e n e db yt h es e m i c o n d u c t o rl a s e rs u r f a c eq u e n c h i n g t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t t h ew e a rl o s so ft h es p e c i m e nh a r d e n e db y t h es e m i c o n d u c t o rl a s e rs u r f a c eq u e n c h i n g i s6 一18 o ft h ea m o u n to ft h e s p e c i m e nw h i c hw a sh a r d e n e db yt r a d i t i o n a l q u e n c h i n gp r o c e s s t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em o r p h o l o g ya n df r i c t i o nc o e f f i c i e n to f t h es p e c i m e n s ，i tw a sf o u n dt h a tt h eh a r d e n e dl a y e ro b t a i n e db yt h es e m i c o n d u c t o r l a s e rs u r f a c eq u e n c h i n gc a ng e tb e t t e rw e a rr e s i s t a n c e i i i 球墨铸铁q t 6 0 0 3 激光表面淬火组织及性能的研究 k e y w o r d s ：l a s e rs u r f a c eh a r d e n i n g ；d u c t i l ec a s ti r o nq t 6 0 0 - 3 ：m i c r o s t r u c t u r e ； p r o p e r t i e s i v 硕一仁学位论文 第1 章绪论 o - - 一 1 1 月l j 吾 随着现代工业的迅猛发展，对各种零部件的表面性能有越来越高要求。表面 处理技术在满足机械零件对材料使用性能、材料和能源的节省、保证产品质量和 可靠性等方面，作用和重要地位日益凸显。近2 0 余年来，表面处理技术发展迅速， 新技术、新工艺不断涌现，是新材料、光电子、微电子等先进产业的基础技术之 一，在模具材料表面处理及表面加工领域的应用前景极为广阔。 激光表面淬火是一种利用高能激光束照射材料表面，使表层发生相变，从而 改善材料表面性能的激光加工工艺。激光表面淬火具有加热速度快、热影响区小、 工件变形小、表面硬度高等一些独特的优点，是材料表面改性的重要方法之一。 激光表面淬火硬化层可极大提高零部件的耐磨损、抗疲劳和抗氧化等性能，大幅 度提高零件的使用寿命，目前已广泛应用于机械制造、交通运输、冶金、矿山、 航空航天等部门。 激光表面淬火以其独具的特点，提供了一种较理想、实用、高效率和经济效 益显著的新工艺。激光表面淬火能够满足复杂模具表面处理的精度要求，可以显 著提高模具的使用寿命，其开发应用的前景非常广阔。因此，深入研究模具材料 激光表面淬火技术不但可以具有很好的工程应用价值，而且还有非常重要的实践 意义。 1 2 材料表面处理工艺 社会经济的发展，特别是汽车、家电、航空等工业的快速发展，都对模具提 出了更高的性能和质量要求。更恶劣的服役环境，更高的精度要求和更长的使用 寿命，同时要求具备更优良更稳定的产品生产品质。合理的进行选择模具零件材 料及其表面强化处理工艺，能够有效的提高模具使用寿命，如渗碳、渗硼、多元 共渗等化学热处理工艺。通过采用不同的表面处理技术，对模具表层的成分、组 织、性能进行有效地改性处理，从而大幅度地改善和提高模具的表面性能，如硬 度、耐磨性、耐腐蚀等性能，数倍、几十倍地提高模具使用寿命，这对于提高模 具质量，大幅度降低生产成本，提高生产效率具有重要意义【ij 。 表面强化处理按其原理可分为三种1 2 l ：1 ) 改变表面化学成分的化学处理强 化方法，如渗碳、渗氮、渗硼和多元共渗等化学热处理方法；2 ) 各种涂层的表面 涂覆处理，如电镀、热喷涂、化学气相沉积等表面涂覆方法；3 ) 不改变表面化学 球墨铸铁q t 6 0 0 - 3 激光表面淬火组织及性能的研究 成分的强化处理，如火焰淬火、激光表面淬火等表面强化处理方法。另外还有一 些机械加工处理方法，如喷丸等方法。 1 2 1 表面化学热处理 化学热处理是将工件放在具有渗入元素的活性介质中，并在一定温度和压力 下使介质中的活性物质原子渗入工件表层，改变其表层化学成分的热处理工艺。 化学热处理方法是目前在提高模具的使用寿命方面应用最多、最广的表面处理工 艺。模具经化学热处理后其寿命显著提高，模具化学热处理工艺主要包括渗碳、 渗氮、渗硼以及多元共渗等。 ( 1 ) 渗碳：使碳原子在一定加热和保温条件下，在渗碳介质中渗入模具表 层，其后经热处理得到具有较高硬度和较高耐磨性的渗碳层，且零件的心部具有 一定韧性的方法称为渗碳。渗碳可以使模具表面可以获得高的硬度、耐磨性和疲 劳强度。 ( 2 ) 渗氮：渗氮是使氮原子渗入工件表面的化学热处理方法。渗氮工艺包 括气体渗氮、离子渗氮、真空渗氮等。模具渗氮后凹模与凸模的变形小，具有比 渗碳更高的硬度，具有较好的耐磨性、疲劳强度和抗蚀性f 3 j 。 ( 3 ) 碳氮共渗：碳氮共渗是在一定温度下，同时将碳、氮原子渗入钢件表 层奥氏体体中并以渗碳为主的化学热处理工艺。根据共渗介质的不同，碳氮共渗 又可以分为固体、液体和气体三种。碳氮共渗适用于要求基体具有良好韧性，而 表面硬度高、耐磨性好的模具零件。 1 2 2 表面涂覆处理 表面覆层处理即通过一定的工艺方法在模具工作面上沉积薄层金属或合金， 以达到提高表面性能的效果，常用的有表面镀层、气相沉积、热喷涂、离子注入 等。 ( 1 ) 化学气相沉积：气相沉积技术，简称c v d 。在相当高的温度条件下， 使混合气体与基体的表面互相作用，混合气体中的某些成分进行分解，并在基体 表面上形成一种金属后化合物的固态膜层或镀层的工艺方法。气相沉积是一种发 展较为迅速，应用较为广泛的表面成膜技术，它不仅可以用来制备各种特殊力学 性能( 如超硬、高耐蚀、耐热和抗氧化等) 的薄膜涂层，而且还可以用来制备各 种功能薄膜材料和装饰薄膜涂层等。 ( 2 ) 电镀：电镀是指在直电流的作用下，电解液中的金属离子还原沉积在 零件的表面而形成一定性能的金属镀层的工艺过程。电镀硬铬、硬镍是模具表面 处理技术中的传统技术。电镀操作温度低，模具发生变形较小，模具本身的性能 几乎不受影响，镀层的摩擦系数低，显微硬度可达8 0 0 h v ，可以大大提高模具的 耐磨性【1 4 l 。 2 硕士学位论文 1 2 3 表面淬火 ( 1 ) 火焰表面淬火：火焰表面淬火是利用气体燃料燃烧的火焰将工件表层 加热至淬火温度，随后使用冷却介质进行快速冷却的工艺过程。经过火焰表面淬 火处理的工件表面能够获得较高的硬度，同时耐磨性能也得到了改善。在一般的 机械制造中，火焰表面淬火工艺已得到广泛的推广应用。 ( 2 ) 激光表面处理技术：激光表面处理是以高功率密度的激光作为热源进 行的材料表面热处理技术。也就是用激光束以一定的扫描速度照射材料表面，在 极短的时间内，激光束能量被表面吸收，使得材料表层迅速形成极高的温度而发 生相变或熔化，或覆盖甚至溶入其它的金属元素、非金属元素。当激光束移开时， 被照射的材料表面由于自身传导而迅速冷却，从而形成性能较为优异的表面硬化 层。 1 2 4 其他表面强化工艺 其他表面处理技术有如喷丸、滚压、滚轧等。其中，喷丸在提高模具的寿命 上有一定的应用。喷丸是利用高速丸流的冲击作用清理和强化基体表面的过程。 1 3 激光表面淬火 1 3 1 激光表面淬火的原理 激光表面淬火又称为激光相变硬化。激光束在一定模式下照射到材料表面 时，由于激光束具有较高能量密度，材料表面被照射部位被快速加热到相变温度 以上熔点以下，瞬时加热速度可达1 0 4 1 0 6 c s 。由于加热时间极短，材料表面以 下及非照射的区域温度较低，和激光照射区域的温差很大。激光束光斑移动后加 热停止，材料表层吸收的热量迅速向周围基体传递，使得热影响区域急剧冷却， 达到改变表面组织结构而产生相变强化的目的。 在激光表面淬火过程中，材料表面的温度为急热急冷的变化过程，产生很大 过热度和过冷度，使得相变硬化层中转变生成的微观组织晶粒细小、位错密度极 高，且在表面形成压应力，提高了材料的表面硬度、耐磨性能、抗疲劳性能、耐 腐蚀性能等性能，可以大幅度的提高工件的使用寿命。图1 1 为激光表面淬火试 验现场。 3 球墨铸铁q t 6 0 0 3 激光表面淬火组织及性能的研究 图1 1 激光表面淬火试验现场 1 3 2 激光表面淬火工艺的特点 激光表面淬火工艺与其他传统表面处理方法，如渗碳、渗氮、电镀等工艺方 法相比，具有以下一些特点： 能得到性能优异的硬化层，表面光亮，不需要再对工件表面进行精加工， 工件变形极小； 为无接触加热方式，靠自激冷却淬火，无需使用淬火介质，对工件和环境 不会造成污染； 能够实现表面薄层或选择性局部的表面淬火，能够对极小部位及深孔底 部、沟槽侧面等特殊部位进行表面强化； 使用激光进行扫描照射加热，在大气中进行，易于控制和实现自动化生产。 1 3 3 激光表面淬火工艺的影响因素 激光表面淬火是通过激光束在工件表面沿一定方向的扫描运动来实现。激光 表面淬火的扫描示意图如图1 2 所示。激光表面淬火效果的影响因素一般可分为 三类：激光器的影响因素、工件材料的影响因素、激光表面淬火工艺参数的影响 因素。激光器的影响因素主要包括光束的模式、光斑形状、光束能量密度分布、 波长、输出功率的稳定性等。工件的影响因素主要包括工件的化学成分、工件的 几何尺寸形状、表面粗糙度和基体组织结构等。工艺参数的影响因素主要为激光 光斑直径大小、激光功率、扫描速度、扫描方式等。 4 硕士学位论文 向 层 图1 2 激光表面淬火扫描示意图 不同的材料视其具体的服役条件不同，对材料表层的表面硬度、硬化层深度、 硬化带宽度的要求也各不相同。具体工艺参数的制定一般根据工艺试验经验来确 定。在选定激光表面淬火的工艺参数时，首先需要确定三个参数，即：激光功率 ( p ) 、扫描速度( v ) 和光斑直径大b ( d ) 。若为多道搭接的激光淬火扫描，则相邻硬 化带的间距也是一个较为重要的工艺参数。 ( 1 ) 激光功率p 。在激光表面淬火过程中，在扫描速度和激光光斑直径保 持不变的条件下，激光输出功率越大，工件表层所获得的硬化层深度就越深。 ( 2 ) 扫描速度v 。激光束的扫描速度直接决定激光束在材料表面上的作用 时间。在激光功率和激光光斑直径保持不变的条件下，激光的扫描速度越低，激 光束在材料表面上作用的时间就越长，材料表面的温度就越高，材料表面就越容 易熔化，所获得的硬化层深度就越大。反之，扫描速度越快，硬化层深度就越小。 ( 3 ) 激光光斑大小d 。激光光斑直径的大小对激光相变硬化带的带宽有直 接的影响。在激光功率和扫描速度保持不变的条件下，激光光斑直径越大，激光 功率密度越低，工件表层所获得的硬化层深度就越浅。反之，激光光斑直径越小， 激光功率密度越高，所获得的硬化层深度就越深。 激光功率、扫描速度和光斑直径，这三个工艺参数对激光束扫描下的工件内 部温度场分布有决定作用，从而对相变硬化层深度和宽度、硬度分布形态及组织 结构等产生重要影响。激光功率和激光光斑直径决定了激光的功率密度( 单位光 斑面积上的激光功率) 大小。激光功率密度确定后，控制激光在工件表面的扫描 速度，即可对材料表面温度和获得的硬化层深度进行控制。 激光的功率密度为e = p s ，其中s 为激光光斑的面积。 激光表面淬火的硬化层深度( h ) 与激光表面淬火主要工艺参数的关系为 何上 d 矿 5 球墨铸铁q t 6 0 0 - 3 激光表面淬火组织及性能的研究 1 3 4 激光表面淬火的材料强化机理 。 激光表面淬火工艺的强化机理与传统的淬火工艺类似，只是所花费的强化时 间比普通淬火工艺要短。激光束在一个合适的模式下照射需硬化的区域，以一定 的速度扫描零部件。被照射零部件表面的温度升高速度达1 0 4 1 0 6 c s ，使得材料 表面微观组织迅速奥氏体化。在热循环处于高峰期时，材料的微观组织结构固态 均匀扩散。随后，材料快速冷却，通过自身热传递以1 0 4 c s 的冷却速度快速冷却， 奥氏体转变为碳原子均匀分布的具有较高硬度的马氏体。激光束在基体的表面区 域产生快速热循环。快速的急热急冷转变过程，产生很大的过热度，使得奥氏体 形核数目剧增，快速冷却使得晶粒来不及长大，转变成极细的马氏体组织。另一 个激光表面淬火的优势是由于奥氏体转变为马氏体，使得材料较原先增大4 左 右，这样导致表面残余压应力的增加。图1 3 为激光表面淬火处理试样硬化层示 意图。由图中可以看出，材料表层受激光束加热的影响区域沿深度方向可以分为 三个区域：硬化区，过渡区和基体。 过渡区域 图1 3 激光表面淬火处理试样硬化层 激光表面淬火的强化材料表面性能的机理为：激光表面淬火过程中，激光扫 描区域是急热急冷的变化过程，产生极大的过热度和过冷度，在材料表层促进极 细马氏体、高位错密度、高晶格缺陷和表面压应力的形成，进而提高了材料的硬 度、耐磨性和抗疲劳性能【5 j 。 1 4 激光表面淬火的研究与发展现状 激光表面淬火作为材料表面改性的重要方法之一，通过高能量光束的快速扫 描，以及材料基体的急速冷却作用，使得表面处理层有着比常规热处理方法更好 的表面硬度与耐磨性。同时激光的作用区域较浅，基体仍然可以保持较好的韧性 与塑形。相对于其他的表面强化处理技术，激光表面淬火以其独具的优势，在模 具材料表面强化方面的应用逐渐广泛，并受到了很多学者和专家的关注。 ( 1 ) 激光表面淬火的基础研究 激光表面淬火基础研究方面比较着重于探讨激光表面淬火的基本理论和规 律，运用金属学、金属热处理和传热学等相关理论知识，对激光相交硬化的强化 6 硕士学位论文 机理、相变硬化层的组织形态及其特征、相变硬化层性能等方面进行分析。 清华大学刘文今和钟敏霖等探讨了钢和铸铁在激光表面淬硬时的物理冶金 学过程。他们认为晶粒细化以及晶体缺陷的大幅增加可以使激光表面淬火时显著 提高钢的表层硬度，并同时改善耐磨性能。提出在激光表面淬火过程中，紧密石 墨铸铁中的石墨具有“碳库”和“热库”的双重作用，对硬化层组织性能有决定性作 用【6 1 。 d o n a l d s o ne g 和b e r g m a n nh w 等人发现，铁素体基体球墨铸铁和可锻铸 铁一般较难淬火强化，但在受到激光辐照的情况下，石墨周围经常会较早出现环 状硬化相。它们有时是马氏体组织甚至出现激冷莱氏体环。这种铸铁虽然表面硬 度不高，但却具有较好的耐磨性能【7 8 l 。 j c i o n 提出激光表面淬火的表面硬度跟材料基体的含碳量存在线性关系，从 含碳量0 0 5 的3 0 0 h v - 含碳量o 5 的7 5 0 h v ；提出球墨铸铁由于基体组织中的球 状石墨溶解慢、所需加热时间长，因而表面容易产生微熔，这样使得工艺参数可 以选择的范围比较小【9 j 。 关于激光表面淬火基础研究方面的研究已经相当深入，所取得的研究成果对 激光表面淬火其它方面的研究有重要的理论指导意义。还有不足的是，目前尚未 建立一个完整的、从多方面反映激光表面淬火质量的指标体系。 ( 2 ) 激光表面淬火工艺研究 激光表面淬火工艺研究包括针对特定零部件的激光扫描路径设计、表面淬火 工艺参数与表面淬火层性能的相互关系等。激光表面淬火工艺研究是激光表面淬 火研究的重点领域之一。 。 m u n t e a n uv 等对多道激光表面淬火工艺进行了研究。发现多道扫描的路径分 布对工件表面耐磨性有一定的影响。提出在多道激光扫描时，应使激光强化面积 占工件总表面积的6 0 、硬化带分布方向与相对运动方向呈一定夹角，这有助于 改善表面润滑条件、提高耐磨性【l 们。 日本的t f u k u d a 等人对球墨铸铁的激光表面淬火进行了试验研究。他们选 择的工艺参数为：功率密度1 0 0 0 w c m 2 ，扫描速度4 0 0 m m m i n 。试验结果表明， 在激光表面淬火硬化层中珠光体转化为马氏体。由于温度上升时碳原子的扩散， 在球状石墨的周围形成了一圈马氏体，可达到8 0 0 h v - - - 9 0 0 h v 的显微硬度。另外， 他们也进行了磨损试验，结果表明，激光相变硬化层显著提高球墨铸铁的耐磨性， 而且零部件变形小【i l l 。 r o ya ，i m a n n a 发现激光相变强化后的表层硬化更高，一致性更好，表层 有大量的马氏体组织。强化后的材料表面经磨损测试后，得出激光相变强化工艺 可以提高材料的表面耐磨性【1 2 l 。 目前的文献报道中对于激光表面淬火工艺的研究多是采用了c 0 2 激光进行 7 球墨铸铁q t 6 0 0 3 激光表面淬火组织及性能的研究 试验，激光功率密度一般较高，使用的激光的扫描速度较快，硬化层深度的一般 报道值多在o 5 0 6 m m 左右。对于半导体激光器的激光表面淬火的研究报道较少， 因此对于激光表面淬火的研究仍然十分必要。 ( 3 ) 激光表面淬火的模拟和预测 随着计算机的快速发展和广泛应用，人们尝试应用计算机技术来对激光表面 淬火工艺过程进行模拟、预测。关于这方面的研究逐渐成为激光表面淬火研究中 的热点。利用计算机模拟技术，通过对工件内部温度场分布的分析，深入探讨激 光表面淬火工艺参数对硬化层影响的基本规律，并对激光表面淬火进行结果预测。 计算机模拟技术的使用，能够为制定合理的激光表面淬火工艺提供参考。激光热 处理智能化将成为当代热处理技术发展的重要方向。 h gw o o ，h s c h o 等建立了三维瞬态导热模型的温度场解析模型，并在考 虑表面对流换热的影响的基础上，通过试验分析探讨了工件表面吸收涂层( 磷化 膜) 厚度对激光束能量吸收率的影响【1 3 1 。 刘晓魁等分别针对g c r l 5 钢试样下底面自然冷却和强制冷却的两种条件下， 建立了三维有限尺度板状试样的激光表面淬火模型，并对激光表面淬火过程的三 维温度场进行分析。发现试样厚度对大厚度试样表层的温度场影响很小，对于小 厚度试样影响显著【1 4 】。 s h l e e 等在考虑工件边界热损失和相变潜热等情况下，介绍了基于有限元 和有限差分方法的激光表面淬火的数值模拟。这些研究成果对于制定激光表面淬 火最佳工艺参数、预测材料组织性能方面具有重要参考价值i l 5 1 。 目前在这方面的主要问题是：数值解析模型往往难以准确描述激光扫描边界 处的实际温度和硬化层分布，而三维数值模型则计算工作量很大、耗时长。另外， 尚未能充分考虑温度组织应力三者相互间耦合的因素。 ( 4 ) 激光表面淬火软、硬件的研究开发 积极开展新型激光加工设备的设计、研究，开发应用激光表面淬火工艺的软 件系统，提高设备性能可靠性，提升激光加工的自动化、智能化程度，这可以进 一步改善激光相变硬化层质量，对提高激光表面淬火加工效率具有重要意义。近 几年这方面的相关研究工作开展较多，也取得了一批研究成果。 j c i o n ，l m a n i s d a h l 介绍了一个基于p c 的软件用于激光表面淬火工艺过 程。该软件包含热流和相变的分析模型，能够通过主要的工艺参数( 激光束参数 和材料特性) 用来预测硬化层的深度和可能达到的最高硬度。实验数据和模型预 测之间有良好的协调性l i 6 。 陈俐，熊波，姚建华等运用s q ls e r v e r2 0 0 0 建立了一套实用的激光表面处理 工艺专家系统。该系统有效地结合了基于关系型数据库的知识系统和基于二维传 热相变的计算机数值分析模型i i 。 8 硕士学位论文 王恒，张承瑞，孙军结合数控系统典型功能，提出了一种基于u s b 的激光热 处理数控系统、适用于回转类零件的激光表面强化处理i l 引。 虞钢，虞和济等介绍了以五维框架式激光加工机器人及激光加工软件为主体 的集成化激光智能加工系统，体现了激光加工软、硬件开发研究的发展方向【1 9 】。 ( 5 ) 激光表面淬火的优化、检测控制研究 相对于激光相交硬化的其它研究领域而言，在激光表面淬火的优化、检测控 制研究方面的研究工作显得较为薄弱。k i mj d 等开发了一种用于激光热处理加 工的宽激光束光学系统，这种光学系统可以调整幅度和频率，可获得宽度较大、 硬度分布均匀的激光相变硬化带【2 0 1 。李俊昌则对改善横截面内硬化层分布均匀性 方面进行深入的研究，研制了一种适用于激光热处理的光束处理装置。该装置使 得矩形光斑内的功率密度呈“马鞍形”分布，能有效的改善横截面内硬化层分布均 匀性【2 1 1 。上海海事大学燕展等【2 2 1 提出在激光表面淬火过程中，普遍存在激光表面 淬火处理工件进、出端的硬化层分布不均匀的现象。湖南大学杨彩霞等采用c c d 实时采集表面淬火过程中红外热辐射图像数据。通过计算机图像处理技术获得激 光热处理加工过程中硬化带宽度数据。结果表明，该检测系统能够较准确地实时 检测激光表面淬火过程中硬化带宽度【2 3 1 。 总的来说，目前在激光表面淬火的优化、检测控制研究方面尚不够深入，也 缺乏系统性，优化目标往往局限于某一方面，而不是基于多目标综合的整体优化。 开展激光表面淬火过程的检测和控制对深入了解激光表面强化机理，提高激光表 面淬火质量具有较大的意义。目前，对激光表面淬火的优化、检测控制研究方面 还处于初级阶段，取得的研究成果较少。 1 5 激光表面淬火的应用现状 激光是2 0 世纪最大的科学发明之一。白1 9 6 4 年第一台c 0 2 激光器问世以来， 激光在机械工业方面的早期应用仅限于金属材料切割、钻孔、修整及焊接。直到 2 0 世纪7 0 年代初，大功率激光器的出现才为激光热处理技术的快速发展应用提 供了重要的物质基础。使用大功率激光器对材料表面进行激光表面热处理已经在 实践中得到了证实。激光热处理技术正是以其独特的优越性在许多工业部门得到 了比较广泛的应用。近几十年来，激光表面处理作为表面强化技术的一种主要手 段，从单一的相变强化发展成为包括表面合金化、激光熔覆等多种比较全面的表 面改性技术，并在机械制造工业各部门逐步得到了应用。 与传统热处理技术相比，激光表面淬火的优点使得它在汽车、模具制造等工 业领域中得到了广泛的应用。1 9 7 4 年美国通用汽车公司所属塞基诺( s a g i n a w ) 厂首先对柴油机汽缸套、换向器箱体、曲轴、活塞环等部件进行激光表面淬火热 处理加工。该公司对较易磨损的汽车转向器齿轮向内表面应用激光表面淬火工艺， 9 球墨铸铁q t 6 0 0 - 3 激光表面淬火组织及性能的研究 很好地克服了汽车转向器齿轮向内表面的磨损问题，且工件基本无变形。大众、 奔驰、菲亚特等一些著名的汽车公司也随即建立了激光热处理生产线，使用激光 束对发动机缸套、活塞等零部件进行表面强化处理，取得了显著的成效。德国 m a n b & w 公司对4 0 5 4 和l 5 8 6 4 型船用柴油机气缸套内壁进行激光表面淬火处 理；日本对4 5 钢、铬钼钢、铸铁等材料进行激光淬火工艺的应用 2 4 - 2 7 j 。 我国也在对激光表面淬火进行积极的研究和应用实践，也取得一些不错的成 效。天津渤海无线电厂应用美国8 2 0 型1 5 k w 横流c 0 2 激光器对硅钢片模具进 行激光表面淬火处理，激光表面淬火处理后的硅钢片模具的耐磨性得到了提高， 其使用寿命也提高近1 0 倍【2 引。青岛激光技工中心则采用c 0 2 激光器对柴油机气 缸孔进行激光表面淬火处理，表面强化后的气缸孔耐磨效果较好，配副性优良， 取得了显著的经济效益。中科院大恒激光工程公司、中国第一汽车制造公司在上 世纪9 0 年代对发动机缸体进行激光表面淬火。西安内燃机配件厂对缸套进行激光 表面淬火处理，表面强化后的缸套使用寿命提高了2 5 3 0 2 9 】。重庆机械研究 所研制的对滚动轴承保持架挤压孔边用的压坡模进行激光表面淬火，热处理后的 模具寿命由常规淬火、回火压制3 0 0 0 件提高到6 0 0 0 件【2 l 。五菱微型车前隔板拉 伸模在经过激光表面处理后的模具寿命显著延长p 引。 当然，激光表面淬火技术的应用成果远不止此。随着我国经济建设的发展， 尤其是制造业技术的不断发展，激光热处理技术及其装备的研究、开发将会获得 更深入的发展及工业应用。 1 6 球墨铸铁材料特点 铸铁由于具有良好的工艺性能和使用性能，被广泛的应用于机械制造、冶金、 石油化工、建筑交通运输业和国防等工业部门和农林部门。据统计，在一般的机 械设备中，铸件占机器总重量的4 5 9 0 ，而铸件成本仅占机器总成本的 2 0 2 5 。 球墨铸铁的综合性能比较好，现在己成功地用于铸造一些受力复杂，且强度、 韧性、耐磨性要求较高的零部件。球墨铸铁是将铁水经过球化处理及孕育处理而 获得的一种铸铁。球墨铸铁中的石墨呈球状，石墨的这种形态的改变，在极大的 减弱了应力集中效应的同时，还使得基体的作用得以充分的发挥。这样一来，球 墨铸铁可以像钢材一样，通过热处理和合金化等措施来进一步的提高其使用性能 3 1 - 3 6 o 球墨铸铁材料的金相组织主要是由球状石墨和金属基体两部分组成。根据成 分和冷却速度的不同，球墨铸铁在铸态下的基体可以分为铁素体、珠光体、铁素 体加珠光体三种。 球墨铸铁的牌号由“q t ”及后面的两组数字组成。其中“q t ”是“球铁”两字的 1 0 硕上学位论文 汉语拼音的第一个字母，后面的两组数字分别表示该牌号的球墨铸铁的最低抗拉 强度和最低伸长率。表1 1 为球墨铸铁单铸件试块的力学性能。 表1 1 球墨铸铁单铸件试块的力学性能1 3 7 i 1 7 本文的研究背景、内容及意义 1 7 1 课题背景 本文研究课题来源于国家科技支撑计划重点项目课题“汽车车身覆盖件模具 的激光制造装备与工艺”( 2 0 0 7 b a f 2 9 8 0 1 ) 的研究内容。课题致力于研究开发具 备高效率、高柔性、高数字化和智能化的汽车车身覆盖件模具激光表面强化装备 与工艺、激光表面修复装备与工艺。对形状复杂的模具实现数字化激光表面处理， 提高模具质量和使用寿命，并降低模具的成本。 1 7 2 研究内容 采用有限元分析软件a n s y s ，建立激光表面淬火温度场的三维数值模拟模 型，对球墨铸铁q t 6 0 0 3 进行激光表面淬火的数值模拟研究。在分析激光表面淬 火温度场分布的基础上，对硬化层深度进行预测。 对球墨铸铁q t 6 0 0 3 进行半导体激光表面淬火工艺研究，采用波长为9 2 0 n m 的半导体激光束，重点研究在大光斑，低功率密度下，激光表面淬火工艺参数( 激 光功率，扫描速度和激光光斑大小) 对球墨铸铁q t 6 0 0 3 材料的组织结构、硬度分 布和硬化层宽度的影响规律。并对硬化层深度的数值计算结果进行验证。 对半导体激光相变硬化层进行耐磨性分析，探讨球墨铸铁q t 6 0 0 3 材料的磨 损机理和特性。 1 7 3 研究意义 模具表面在使用中往往承受各种形式的复杂应力，工作条件较为恶劣。模具 球墨铸铁q t 6 0 0 3 激光表面淬火组织及性能的研究 的失效和破坏也常由模具表面开始。正确选择热处理和表面处理技术是提高模具 性能及其寿命的重要途径之一。而作为汽车覆盖件模具的常用材料，对球墨铸铁 进行激光相变硬化工艺的研究，有助于提升模具的使用寿命，研究过程具有重要 的工程应用价值。 激光表面淬火的数值模拟研究在国内外比较广泛，目前的文献报道显示，现 在的激光表面淬火模拟多是对各种钢材料的数值模拟研究，对于铸铁乃至球墨铸 铁的研究报道则较为罕见。本文采用通用有限元软件a n s y s 对球墨铸铁的激光 表面淬火过程进行数值模拟，采用能量密度均匀分布的圆形光斑对球墨铸铁 q t 6 0 0 3 材料进行激光表面淬火的数值模拟研究，得出在球墨铸铁的激光表面淬 火工艺的温度场的数值模拟结果，并采用半导体激光表面淬火的工艺结果进行验 证。 国内外当前对球墨铸铁的激光表面淬火研究主要集中在使用大功率的二氧 化碳激光器，同时采用较高的功率密度和较小的光斑直径进行研究。半导体激光 器通过光纤的柔性输送来进行工业化的应用已成为了一种发展趋势，但对于球墨 铸铁材料在波长为9 2 0 n m 半导体激光下的激光表面淬火的相关研究报道却较少 见到。本文针对汽车覆盖件的常用材料球墨铸铁，应用移动式半导体激光强化与 修复汽车模具的装备进行激光表面淬火工艺试验，并针对激光强化后模具材料表 层的显微硬度、硬化层深度和耐磨性能进行分析，研究球墨铸铁独特的激光表面 淬火组织变化规律和工艺参数范围，从而为应用新型的光纤激光对球墨铸铁激光 表面淬火工艺打下坚实的基础。 1 2 硕：e 学位论文 第2 章球墨铸铁激光表面淬火温度场有限元分析 2 1 有限元方法的概述 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 是一种用于工程物理的数值分 析方法。其基本思路为寻求用较为简单的问题去代替复杂问题，然后再进行求解。 把求解区域分解成若干个有限单元的组合，研究每个单元的特性，然后再组装单 元，通过变分原理，把问题化成线性代数方程求解。这个解只是近似解，这是因 为在求解过程中对实际问题进行了一定程度的简化。早在几个世纪之前，就已经 产生了有限元的概念并得到了应用，例如人们尝试用多边形( 有限个直线单元) 逼近圆来求得圆的周长。1 9 6 0 年，c l o u g h 正式提出有限元法( f e a ) 。有限元法 的方便性、实用性和有效性，引起了从事力学方面研究的科学家的极大兴趣。随 着计算机技术日新月异的发展，在短短数十年间有限元方法迅速从结构工程领域 扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种应用比较广泛且高效实用的工程分析 方法【3 8 - 4 1 1 。 2 2a n s y s 的热分析特点 本文选用有限元软件a n s y s 来进行激光表面淬火过程的温度场的数值模拟。 a n s y s 是一种多用途的大型通用有限元分析软件，能够对结构、流体、电场、磁 场、声场等领域的问题进行有限元求解分析。a n s y s 是由美国a n s y s 一世界上 最大的有限元分析软件公司之一开发的产品，它能与多数c a d 软件接口，实现 数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 a n s y s 热分析主要用于对一个系统或零部件的温度分布及其他热物理参数 进行数值计算。a n s y s 中的热分析模块能够较为准确的计算出温度场的变化情 况，能够对边界条件以及热物性参数进行设定。在处理动态温度场的数据时， a n s y s 能够根据需求的不同给出多种选择的处理方式。 a n s y s 有限元分析过程可以分为前处理、求解及后处理3 个阶段。a n s y s 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，采用有限元法对模型内部各节点的温度 进行计算，并导出其它热物理参数。此外，还可以对相变、有内热源、接触热阻 等问题进行分析。 2 3 传热学的理论基础 传热学主要研究物质( 系统) 内热量的传递规律。热量的传递是一种非常普 球墨铸铁q t 6 0 0 3 激光表面淬火组织及性能的研究 遍的现象。在自然界和社会生产技术中，温度差几乎到处存在着，热量的传递每 时每刻都在进行着。能源动力、化工制药、材料冶金、机械制造等生产技术部门 常常涉及到热量的传递问题。激光表面淬火运用的本质是运用传热学，因此对于 传热学的基本理论的研究有助于激光表面淬火理论研究的开展。热量的传递方式 可以分为热传导、热对流及热辐射三种【3 9 , 4 3 】。 ( 1 ) 热传导 热传导是完全相互接触的两个物体之间或者物体的不同部分之间由于温度梯 度的存在而产生的热量传递现象。 t 热传导遵循傅里叶定律： 日= 一七竺 ，式中q ”为热流密度( w m 2 ) ，k 为导 d r 热系数( w m ) ，“一表示为热量向温度降低传递的方向。 ( 2 ) 热对流 热对流是固体的表面与它周围相接触的流体之间，由于温差而引起的热量的 交换现象。热对流一般可以分为自然对流和强制对流两类。热对流可以使用牛顿 冷却方程来表述：q = 厅( 五一毛) ，其中h 为对流换热系数( 也可以称为膜传热系 数、给热系数、膜系数等) ，r s 为固体表面温度，瓦为周围流体温度。 ( 3 ) 热辐射 热辐射指物体具有温度而向周围辐射电磁波，被其他物体吸收并转变为热的 热量交换。物体所具有的温度越高，单位时间内能够辐射的热量就越多。热传导 和热对流这两种热传递方式都需要有传热介质，而热辐射不需要任何传热介质。 热辐射在真空中效率最高。 。 一般在工程中，主要考虑两个或两个以上物体之间的热辐射。系统中的每个 物体同时进行热辐射并吸收来自其他物体的热量。净热量传递可以用斯蒂芬一波 尔兹曼方程来计算：q = 8 0 4 f , ：( 彳一譬) ，式中g 为热流率，g 为辐射率( 黑度) ， 盯为斯蒂芬一波尔兹曼常数，约为5 6 7 x 1 0 8 w m 2 k 4 ，a 1 为辐射面1 的面积，正： 为由辐射面l 到辐射面2 的形状系数，正为辐射面1 的绝对温度，瓦为辐射面2 的绝对温度。由上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的。 2 4 激光表面淬火三维瞬态温度场的有限元模拟 图2 1 为激光表面淬火工艺过程示意图。本文试验所用的试样材料为球墨铸 铁q t 6 0 0 - 3 ，为长方体形状，具体尺寸为长( 1 2 0 m m ) x 宽( 6 0 m m ) x 高( 2 0 m m ) 。球墨 铸铁q t 6 0 0 3 试样平放于工作台上，在一定的功率和速度下，激光沿着一定方向 移动对球墨铸铁q t 6 0 0 3 试样进行表