硕士论文-汽车覆盖件模具材料激光表面相变硬化工艺与性能研究.pdf

。Y 9 7 6 5 5 9 分类号 U DC 密级 编号 辛束交通大、学 硕士学位论文 汽车覆盖件模具材料激光表面相变硬化工艺 与性能研究 学位申请人：杨柳青 学科专业：机械制造及其自动化 指导教师：丁阳喜教授 答黼会主咖彩粼期： 摘要 汽车覆盖件模具材料激光表面相变硬化工艺与性能研究 摘要 激光相变硬化处理是众多表面处理方法之一，可以提高材料或零件的表面硬度， 细化晶粒和组织结构，改善表面机械性能，提高耐磨性等。 本文以汽车覆盖件常用模具材料C r l 2 M o V 钢为主要研究对象，重点研究了该模 具钢在不同宽带激光淬火工艺参数下的的显微硬度、组织结构、硬化层深度、宽度及 耐磨性能等。实验结果表明：激光相变硬化层在显微组织结构上分为过热区( 显微组 织主要由粗针状马氏体、残余奥氏体和未溶碳化物组成) 、均匀相变硬化区( 主要由 过饱和隐晶马氏体、细小弥散分布的碳化物、和残余奥氏体组成) 和过渡区( 主要由 回火索氏体和碳化物颗粒组成) 。激光加热材料时，根据热传导原理，表面温度高，冷 却速度慢：内部温度较低，但冷却速度较快。这就使得碳化物溶解和溶入奥氏体中的 碳以及合金元素的扩散再分布的情况在激光加热区不同深度之间有很大差异，即奥氏 体中的含碳量分布不均匀，冷却后得到不同含碳量的马氏体，致使各区域显微硬度分 布不均匀。其中，均匀相变硬化区平均硬度最高，可达1 0 0 0 H V o l 。宽带激光淬火造 成的组织细化和大量碳含量过饱和的隐晶马氏体的形成是硬度提高的主要原因。 利用S E M 观察分析、显微硬度测定、耐磨性测试及正交试验分析等手段，研究 了激光功率、扫描速度、离焦量对相变硬化层的显微硬度、显微组织、表面耐磨性及 淬火层深度、宽度的影响。结果表明：在其它条件不变的情况下，随着激光功率密度 的增加，相变硬化层的显微硬度先增大后减小，显微硬度越大则组织越细小，材料表 面耐磨性能也就越好，而深度、宽度则是越来越大：随着扫描速度的加快，相变硬化 层的硬度也是先增大后减小，耐磨性也随硬度的增大而变得越好，但淬火层深度、宽 度则越来越小。 通过使用正交试验法，设计出合理的激光相变硬化工艺参数组合。再通过控制主 要工艺参数，调整激光功率、扫描速度、离焦量的大小，可获得显微硬度、硬化层深 度、表面耐磨性等适合实际生产要求的激光加工工艺。 关键词：C r l 2 M o V 模具钢，激光相变硬化，显微硬度，显微组织，硬化层深度、宽 度，表面耐磨性，正交试验设计 A b s t r a c t S T U D YO FT H EP R O C E S S E SA N DP E R F O R M A N C E S O N L A S E RS UR F A C ET R A N S F O R M A N T I O NH A R D E NF O R A U T O M O B I L EP A N E L SM O U L DM A T E R l A L S A B S T R A C T L a s e rt r a i l s f o r m a t i o nh a r d e n i n gI So n eo fan u m b e ro fs u r f a c et r e a t m e a t s I tc a l l s t r e n g t h e nt h es u r f a c eh a r d n e s so fm a t e r i a l sa n dp a r t s ，t h i n i n gg r a i na n dm i c r o s t r u c t u r e ， i m p r o v i n gs u r f a c ep r o p e r t i e so f m a t e r i a l s ，a d v a n c e dw e a r a b l ep r o p e r t i e sa n d S Oo n C r l 2 M o Vm o u l ds t e e lw h i c hi saf r e q u e n tu s e dm a t e r i a lo fa u t o m o b i l ep a n e l si s s t u d i e dp r i n c i p a l l yi n t h i sp a p e r , a n de m p h a s i so nr e s e a r c h i n gt h em i c r o h a r d n e s s ，t h e m i e r o s t r u c t u r e ，t h eh a r d e n i n gd e p t ha n dw i d t h ，t h ew e a r a b l ep r o p e r t i e so f C r l 2 M o Vm o u l d s t e e lb yd i f f e r e n tw i d e b a n dl a s e rq u e n c h i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s T h ee x p e r i m e n tr e s u l t s h o w st h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo fl a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n gc o n s i s t so ft h es u p e r h e a t a r e a ( m i c r o s t r u c t u r e c o n s i s t so fc r a s sa c i c u l a rm a r t e n s i t e ， r e m a i n i n ga u s t e n i t ea n d u n d i s s o l v e dc a r b i d e ) ，t h eu n i f o r mp h a s et r a n s f o r m a t i o na r e a ( c o n s i s t so fs u p e r s a t u r a t e d h i d d e n c r y s t a lm a r t e n s i t e ，r e m a i n i n ga u s t e n i t ea n dt h i nd i s p e r s i b l ec a r b i d e ) a n dt h e t r a n s i t i o na r e a ( c o n s i s t so f t e m p e r i n gs o r b i t ea n dc a r b i d eg r a i n ) I ti sb a s e do nt h ep r i n c i p l e o fh e a te x c h a n g e ，t h es u r f a c et e m p e r a t u r eo fm a t e r i a li sh i g h ，丽t l lc o o l i n gs p e e di ss l o w ； t h ei n t e r i o rt e m p e r a t u r ei sl o w , b u tc o o l i n gs p e e di sf a s t T h et h i n gt h a tt h ed i s s o l u t i o no f c a r b i d e ，t h ec a r b i d ed i s s o l v e di na u s t e n i t ea n dt h ea l l y Sp e r v a s i o na n dr e d i s t r i b u t i n gh a s d i f f e r e n c eo nt h ed i f f e r e n td e p t ho fh e a t i n ga r e a ，n a m e l y , t h ec a r b o n a c e o u sc a p a c i t yi n a u t e n s i t ei sa s y m m e t r i cd i s t r i b u t e d ，a n da t t a i n i n gm a r t e n s i t ew h i c hh a sd i f f e r e n t c a r b o n a c e o u sc a p a c i t yw h e nc o o l i n g 1 1 1 a tl e a dt oa s y m m e t r i cm i c r o h a r d n e s sd i s t r i b u t i o n i ne v e r ya r e a ，a n du n i f o r mp h a s et r a n s f o r m a t i o na r e ah a st h eh i l g h e s th a r d n e s s ，u pt o 1 0 0 0 H V o1 T h ee l e v a t i o no ft h eh a r d n e s si sa t t r i b u t e dt ot h er e f i n i n go fg r a i na n dt h e f o r m a t i o no fs u p e r s a t u r a t e dh i d d e n c r y s t a lm a r t e n s i t ed u r i n gw i d e b a n dl a s e rq u e n c h i n g T h ei n f l u e n c eo fl a s e rp o w e r , s c a n n i n gs p e e da n do f f - f o c u st ot h eh a r d e n i n gl a y e r s h a r d n e s s ，m i c r o s t r u c t u r e ，s u r f a c ew e a r a b l ep r o p e r t i e sa n dt h eq u e n c h i n gd e p t ha n dw i d t h w e r es t u d i e db yu s i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，m i c r o h a r d n e s st e s t i n gt e c h n i q u e s ， w e a r a b l ep r o p e r t i e st e s t i n ga n dt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n a l y s i sa n dS Oo n T h er e s u l t s h o w st h a tt h em i c r o h a r d n e s so f t h eh a r d e n i n gl a y e ri sa u g m e n tf i r s t l ya n dt h e nm i n i s h i n g ， t h em i c r o s t r u c t u r eb e c o m e ss m a l lw i t ht h em i c r o h a r d n e s sc h a n g e sl a r g e ，t h ew e a r a b l e p r o p e r t i e so f m a t e r i a la l s ob e c o m e sw e l l ，a n dt h eh a r d e n i n gd e p t ha n dw i d t hb e c o m el a r g e r a n dl a r g e rw h e nt h el a s e rp o w e rd e n s i t ys t r e n g t h s ；w h e nt h es c a n n i n gs p e e db e c o m e s a u g m e n t ，t h ec h a n g e so f t h eh a r d e n i n gl a y e r , t h ew e a r a b l ep r o p e r t i e si sa l s ot h e I I A b s t r a c t s a l T l ea sw i t ht h ec h a n g eo f l a s e rp o w e rd e n s i t y , b u tt h eh a r d e n i n gd e p t ha n dw i d t hb e c o m e s l n a l l e ra n ds m a l l e t T h ep a p e ra p p i e st h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tt od e s i g nt h es u i t a b l ec o m b i n a t i o no f l a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s W ec a na b t a i nt ot h em i c r o h a r d n e s s ，t h e h a r d e n i n gd e p t ha n dw i d t h , t h es u r f a c ew e a r a b l ep r o p e r t i e st h a ta d a p tt op r o d u c ea c t u a l l y b yc o n t r o l l i n gp r i m a r yp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dr e g u l a t i n gl a s e rp o w e r , s c a n n i n gs p e e da n d o f f o e l l s K e yw o r d s ：C r l 2 M o Vm o u l ds t e e l ，l a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g ，m i c r o h a r d n e s s ， m i c r o s t r u c t u r e ，h a v e n i n gd e p t ha n dw i d t h , s u r f a c ew e a r a b l ep e r f o r m a n c e ， o r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g n 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位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和撰写的研究成果，也不包含为 获得华东交通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作了明确的说明 并表示了谢意。 本人签名扬嫩 日期芝。笸：呈 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华东交通大学有关保留、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。 保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。 本人签名趣坳导师签名z 叠超日期 口Z 9 第一章绪论 第一章绪论 1 1前言 自2 0 世纪6 0 年代激光问世以来，激光技术作为一门举世瞩目的高新技术，几乎 在各行业都获得了重要的应用。近年来，激光表面处理技术不仅在研究和开发方面迅 速发展，而且在工业应用方面也取得了长足的进步，成为表面工程一个十分活跃的新 兴领域。激光表面处理既可以通过激光相变硬化( 激光淬火) 、表面熔凝改变基体表 层材料的微观结构，也可以通过激光熔覆、气相沉淀和合金化等处理方法同时改变基 体表层的化学成份和微观结构。其中，激光相变硬化是现有各种激光表面处理技术中 研究和应用最多的方法之一。然而目前激光表面相变硬化技术的应用还不及传统热处 理技术那样广泛和成熟，但由于其具有的独特优越性，正日益受到人们的重视。已经 在机械制造、交通运输、石油、矿山、纺织、冶金、航空航天等许多领域得到应用和 发展 1 ，2 1 。 我国模具使用寿命只有国外的1 2 1 3 ，其质量相当于国外5 0 6 0 年代水平， 即精度低、加工周期长。因此，提高模具使用寿命已成为当务之急。据统计，约7 0 7 5 的模具失效是由于模具材料选择不当和热处理工艺不合理引起。鉴于模具的失效 大都由表面开始，模具在生产使用过程中，其表面随着各种形式的复杂应力i 咆括磨 擦、冲击、挤压等，失效形式主要表面为磨损、腐蚀、撕裂、崩塌等，而真正因为模 具整体强度不足造成损坏的只是少部分。所以，从节约能源和资源、充分发挥材料性 能潜力并获得特殊性能和最大技术经济效益方面出发，发展和应用表面改性处理工艺 是综合改善模具的使用性能、提高模具使用寿命极为有效的方法和途径，将对模具寿 命的提高起着至关重要的作用1 3 - 6 。 汽车覆盖件模具材料的激光表面强化和改性技术随着软件、硬件的开发和研制， 表面科学理论的支持和相关高新技术的渗透，在工业应用领域展示了美好的应用前 景。但由于激光表面强化和改性工艺的复杂性和发展时间短等原因，还存在着基础理 论薄弱，工艺方法单一，工艺实施稳定性差，设备自动化程度不高等问题，制约了激 光表面强化和改性的发展和工业化的推广应用。因此，迫切需要投入大量的人力、物 力和资金，对该技术进行全方位、多层次的解剖和分析，找出问题的所在，重点攻关， 加快激光表面强化和改性技术实用化、工业化进程。 汽车覆盖件模具多为大中型模具，由于处理设备、高温变形、后续加工较困难等 因素的限制，采用传统热处理方法进行强化非常困难，目前仍用手工淬火处理；另外 汽车覆盖件模具多为铸铁材料，其中存在石墨相，常规热处理方法无法大幅度提高其 性能。这些特性决定了汽车覆盖件模具最适合于采用激光表面热处理【”。采用激光加 第一章绪论 工手段对汽车覆盖件模具进行表面热处理，具有如下突出特点： ( 1 ) 激光表面热处理是在急热、急冷的过程中进行的，可获得传统热处理方法无 法得到的组织性能，如晶粒细化、高位错密度等，从而较之传统热处理方法具有更高 的表面硬度。 ( 2 ) 激光束能量高，加工速度快，热影响区小，不影响基体性能，变形极小。 C r l 2 M o V 钢是工业上大量使用的冷作模具钢，由于具有一定的强度、韧性和较 高的硬度、耐磨性以及热处理变形小的特点，不仅大量用于制造冷作模具，也用来制 作很多耐磨性零件，因而对该钢种的激光相变硬化研究很有实际应用价值。 在实验的准备工作当中，本文作者参阅了国内外自9 0 年代以来一些主要刊物上 发表的有关激光相变硬化的文献资料，发现相变硬化技术主要集中在汽车、拖拉机、 内燃机车发动机中的缸套、缸盖及凸轮轴、齿轮、阀座、摇臂等易磨损零件方面I S , 9 ， 而在C r l 2 M o V 模具钢乃至其他的汽车覆盖件常用模具材料表面相变硬化的研究仍不 多见。 本文主要是对汽车覆盖件模具材料C r l 2 M o V 钢激光相变硬化的工艺以及组织性 能进行分析。采用正交试验设计的手段来研究激光功率、扫描速度及离焦量对相变硬 化层的组织、显微硬度、相变硬化层深度、宽度、耐磨性能的影响。希望通过对激光 相交硬化层的各项性能指标影响因素的分析中，找出较优的淬火工艺，为今后的应用 奠定良好的基础，填补这方面的空白。 1 2 课题研究的重点 我国在激光表面相变硬化技术上已经具有较强的实力，但是对相变硬化层的各项 性能指标进行综合全面分析的研究并不多见，本文采用正交试验手段对不同的激光相 变硬化工艺参数进行组合，对试验结果进行如下几个方面的初步研究，为后续深入研 究奠定基础。 激光表面相变硬化工艺参数对C r l 2 M o V 模具钢相变硬化层显微硬度的影响： 激光表面相变硬化工艺参数对C r l 2 M o V 模具钢相交硬化层显微组织的影响： 激光表面相变硬化工艺参数对C r l 2 M o V 模具钢相变硬化层深度的影响： 激光表面相变硬化工艺参数对C r l 2 M o V 模具钢相变硬化层宽度的影响； 激光表面相变硬化工艺参数对C r l 2 M o V 模具钢相变硬化层耐磨性能的研究； 对C r l 2 M o V 模具钢激光表面相变硬化后出现淬火裂纹现象的分析； 激光表面相变硬化性能指标的正交试验分析。 2 第二章模具材料激光表面相变硬化的发展概况 第二章模具材料激光表面相变硬化的发展概况 2 1 激光相变硬化技术概述 2 1 1 产生的背景 从激光工业加工的发展史看，激光首先用于打孔、焊接和切割，直到7 0 年代初 出现了大功率激光器后，才为激光热处理技术的发展和应用提供了重要的物质基础。 到1 9 7 4 年，美国率先将激光表面热处理技术转入生产应用，开创了激光应用的新阶 段。激光热处理就是以激光作为热源进行的材料表面热处理，也就是用激光束扫描 零件表面，其红外能量被零件表面吸收而迅速形成极高的温度，使金属表层发生相变 或熔化，或覆盖甚至溶入其它的金属、非金属元素，随后快速冷却下来，达到零件表 面改性的目的【m 1 3 】。激光热处理可分为：( 1 ) 激光表面硬化，它又分为激光相变硬化 和熔化凝固处理两种；( 2 ) 激光表面熔覆；( 3 ) 激光表面合金化；( 4 ) 激光冲击硬化： ( 5 ) 激光非晶化等。到目前为止，激光表面硬化技术用得最为广泛。 2 0 世纪7 0 年代中期大功率激光器的出现，使激光表面热处理技术不仅在研究和。 开发方面得到迅速发展，在工业应用方面也取得了长足进步，成为表面处理和表面工 程中一个十分活跃的新兴领域。激光表面热处理是以激光为热源的热处理技术。它研 究金属材料及其制品在激光作用下组织和性质的变化规律，以及它在工业应用中所必 须解决的工艺及装备。因此，激光表面热处理是涉及光学、材料科学与工程、机械工 程和计算机技术等学科的高新技术。激光热处理是传统热处理技术的发展和补充。虽 然，目前激光热处理在热处理行业的总产值中所占份额还不大，但是应用前景十分光 明【1 4 ，1 5 1 。 2 1 2 强化机理、组织及表面性能 激光相变硬化是以高能密度的激光束快速照射工件，使其需要硬化的部位瞬间吸 收光能并立即转化成热能，而使激光作用区的温度急剧上升，形成奥氏体。此时工件 基体仍处于冷态并与加热区之间有极高的温度梯度。因此，一旦停止激光照射，加热 区因急冷而实现工件的自冷淬火I l “。 ( 1 ) 相变硬化机理、组织和硬度 国内外学者己经对低碳钢、中碳钢、铸铁等材料的激光相变硬化做了大量的研究， 对这些钢种的激光相变硬化机理已经基本清楚。许多研究和应用实例1 1 7 】表明，激光 淬火硬度可比常规淬火高1 5 2 0 。 对激光相变硬化所得超高硬度的机理，一般认为是由于激光淬火是急热急冷过 程，碳在奥氏体中来不及均匀化，因而马氏体中含碳量较高，硬度也较高。由于碳扩 第二章模具材料激光表面相变硬化的发展概况 散不均匀，所得马氏体更细。朱婕【l8 】在研究C r l 2 钢的激光相变硬化机理时测得原始 组织的晶粒度为1 2 级，激光处理后为1 5 级，明显细化。原C r l 2 中马氏体长度约6 t i m , 激光淬火后 R 1 R 3 ，故确定因素的主次顺序为R 2 、R 1 、R 3 。由此可知，在该实验中影响 激光相变硬化层平均硬度的三个因素里面，扫描速度V 的影响最大，其次是激光功 率，而离焦量的影响最小。 ( 2 ) 选取较优的激光淬火工艺参数 直接比较9 个试验结果的平均硬度指标，可以看出：第6 号试验的相变硬化层平 均硬度最高，为9 5 9 H V o l ，其次是第2 号试验，硬度为9 3 0 H V o l 。实际生产中可以按 照优质、高产、低消耗和便于操作等原则来选取水平，这样可以得到跟切合实际要求 的较好生产条件。扫描速度随是主要因素，但是激光相变硬化是在瞬间急热急冷的， 速度太小容易使试件表面过热熔化，凝固缺陷增多，同时热脆性增大，塑韧性下降， 开裂敏感性也增大：速度太大又使试件表面不能够完全淬硬，硬度降低。所以扫描速 度不能选太大也不能选太小。可选取6 号和2 号作为直观的最优工艺参数，通过比较 第五章实验结果及分析 二者的的较优激光工艺的指标值，可以得到6 号为较优工艺参数。 5 6 2 激光淬火层深度的正交分析 表5 3 是以激光淬火层深度为性能指标的正交试验结果及计算结果分析表。 表5 - 3 正交试验设计结果分析厶( 3 4 ) 心 激光功率 扫描速度 离焦量 硬化层深度 翁 乎 ( k w ) ( m m s ) ( m m ) ( m m ) 粤 l2 6 4 6 00 7 6 22 666 50 6 4 32 68 7 0 0 5 2 43 046 51 0 2 53067 0O 8 3 63 086 0O 7 7 73447 01 1 0 83 466 00 9 6 93 486 50 8 7 I 1 9 22 8 82 4 9 2 6 22 4 32 5 3 T = 7 4 7 1 1 I 2 9 32 1 62 4 5 R1 0 10 7 20 0 8 ( 1 ) 计算因素的极差R ，确定各因素的主次顺序 通过以淬火层深度为指标，计算得到因素极差R I 、1 1 2 、1 1 3 ，因其大小为R l R 2 R 3 ，故确定因素的主次顺序为R 1 、R 2 、R 3 。极差R 的大小反映相应因素作用 的大小，由此可知，在该实验中影响激光相变硬化层深度的三个因素里面，激光功率 P 的影响最大，其次是扫描速度，而离焦量的影响最小。 ( 2 ) 选取较优的激光淬火工艺参数 直接比较9 个试验结果的平均硬度指标，可以看出：第7 号试验的相变硬化层深 度最高大，为1 1 0 m m ，其次是第4 、8 、9 、5 、6 号试验，深度分别为1 0 2 r a m 、O 9 6 r a m 、 O 8 7 m m 、O 8 3 r a m 、O 7 7 m m 。实际生产中可以按照优质、高产、低消耗和便于操作等 原则来选取水平，这样可以得到跟切合实际要求的较好生产条件。激光功率虽然是主 要因素，但是功率也不能太大，否则尽管硬化层深度随着激光功率的增大而增加，但 是也会带来许多不良的影响，如表层熔化，马氏体粗大，导致硬度下降；热脆性增加， 第五章实验结果及分析 塑韧性下降等。所以激光功率不能太大，可选取5 、6 号试验作为最优生产工艺。 5 6 3 激光淬火层表面耐磨性的正交分析 表5 - 4 是以激光淬火层耐磨性为性能指标的正交试验结果及计算结果分析表。 表5 - 4 正交试验设计结果分析厶( 3 4 ) 心 激光功率 扫描速度 离焦量 磨损量 编平 ( k w ) ( m r l “$ ) ( m m )( r a g ) 号 12 646 05 9 22 666 54 6 32 68 7 06 1 43 04 6 56 6 3 O67 05 9 63 O86 04 4 73 447 06 8 83 466 06 _ 3 93 48 6 55 5 I 1 6 61 9 _ 31 6 6 I I 1 6 91 6 81 6 7 T = 5 2 1 I 1 8 61 61 8 8 R23 32 2 ( 1 ) 计算因素的极差R ，确定各因素的主次顺序 通过以淬火层耐磨性为指标，计算得到因素极差R 1 、R 2 、R 3 ，因其大小为R 2 R 3 R 1 ，故确定因素的主次顺序为R 2 、R 3 、R 1 。极差R 的大小反映相应因素作 用的大小，由此可知，在该实验中影响激光淬火层耐磨性能的三个因素里面，扫描速 度V 的影响最大，其次是离焦量，激光功率的影响则最小。 ( 2 ) 选取较优的激光淬火工艺参数 直接比较9 个试验结果的平均硬度指标，可以看出：6 号试验的磨损量最小，为 4 4 m g ，其次是2 、9 、5 、1 号试验，磨损量分别为4 6 m g 、5 5 m g 、5 9 m g 、5 9 m g 。 虽然扫描速度是主要因素，它的提高有助于提高淬火层耐磨性能，但是也不能太大， 否则会带来许多不良的影响，如速度太大会使试件表面不能够完全淬硬，导致硬度降 低等。所以扫描速度必需控制在一定的范围内，可选取2 、6 、9 号试验作为最优生产 工艺。 ， 第五章实验结果及分析 5 6 4 小结 综合上面的分析，如果想C r l 2 M o V 模具钢在激光相变硬化层硬度指标上较优， 可以考虑选择6 号和2 号试验的加工工艺参数作为较优生产工艺；如果想该材料在激 光相变硬化层深度方向上指标较优，我们可以选择6 号和5 号试验工艺参数作为较优 生产工艺条件；若要求在相变硬化层耐磨性能指标上较优，可以参照6 号、2 号和9 号试验工艺参数。如果我们想要在相变硬化层硬度、深度及耐磨性能这三个指标上均 较优，可以选择6 号试验工艺参数作为较优生产工艺条件，其相变硬化层深度为 0 7 7 m m ，磨损量为4 4 m g ，平均显微硬度可达9 5 9 H V ol 。 4 9 结论 结论 本文通过以汽车覆盖件常用模具材料C r l 2 M o V 钢为主要研究对象，重点研究了 该模具钢在不同激光淬火工艺参数下的的显微硬度、组织结构、硬化层深度、宽度及 耐磨性能等。综合上述试验结果和理论分析，可以得出以下主要结论： l 、C r l 2 M o V 模具钢激光相变硬化区域依组织特征可分为过热区、均匀相变区和 过渡区。过热区组织主要由粗针状马氏体、残余奥氏体和未溶碳化物组成；均匀相变 区组织主要为过饱和隐晶马氏体、细小弥散分布的碳化物和残余奥氏体：过渡区则由 回火索氏体和碳化物颗粒组成。 2 、激光相变硬化显微硬度的变化规律是：从试件表面到内部，随着深度的增加， 显微硬度先增大而后再逐渐减小。相变硬化层硬度最高，在激光功率2 6 k w 、扫描速 度6 m n d s 和离焦量6 5 m m 的情况下，相变硬化层最高硬度可达9 3 0 H V o 1 过热区次 之，显微硬度为8 5 0 H V o l 8 8 0 H V o l ；过渡区最低，为4 4 0 I - l - V - o l 4 8 0 H V o l ，比基 体显微硬度还低。这与试件原始热处理有关。 3 、C r l 2 M o V 模具钢经激光淬火后，显微硬度随着功率密度的增大而先增大后减 小；随着扫描速度的加快，显微硬度也先增大后减小，这是由于每种材料都有一个临 界功率密度，当激光淬火功率密度接近该临界功率密度时，显微硬度最大；而激光淬 火功率密度超过或小于临界功率密度时，材料显微硬度由于各种原因均会下降。 4 、随着显微硬度的增大，C r l 2 M o V 模具钢表面耐磨性能表现的也越好。 5 、相变硬化层深度、宽度随激光功率密度的增大而增加；但随扫描速度的加快， 相变硬化层深度和宽度却逐渐减小。 6 、某些激光淬火工艺条件下会有淬裂现象发生，其一个原因是由于激光相变硬 化时激光功率密度较大，使得试件冷却时内外温差大，当表面转变为马氏体时，内部 仍处于奥氏体状态，以后的冷却过程中才逐步转变为马氏体，致使裂纹的产生。另一 个原因可能是由于组织的不均匀性所引起的淬火裂纹。 7 、正交试验分析结果表明：在影响激光相变硬化层显微硬度的诸多因素中，扫 描速度的影响最大，其次是激光功率，而离焦量的影响最小；在影响激光相变硬化层 深度的诸多因素中，激光功率是主要因素，其次是扫描速度和离焦量；在影响激光相 变硬化层表面耐磨性的诸多因素中，扫描速度是主要因素，其次为离较量，而激光功 率的影响则最小。 8 、金相和硬度分析表明：在激光功率为3 0 K W ，扫描速度V = S m m s 和离焦量L = 6 0 m m 的条件下，C r l 2 M o V 模具钢在相变硬化层硬度、深度及耐磨性能这三个指标上 均较优，可以选择此激光加工工艺参数作为较优生产工艺。 参考文献 参考文献 1 应小东，李午中，冯灵芝激光表面改性技术及国内外发展现状 J 焊接，2 0 0 3 ，( 1 ) ： 5 8 2 王秀彦，安国平，李栋等模具表面的激光非熔凝加工的应用研究综述 J 北京工业大学 学报，2 0 0 1 ，2 7 ( 4 ) ：4 1 5 4 1 9 3 GS t r a f f e l i n i ，A M o l o n a r i D r ys l i d i n gb e h a v i o ro fs t e a mt r e a t e ds i n t e r e di r o na l l o y s J W e a r , 1 9 9 2 ，1 5 9 ：1 2 7 4 C M P r e e c e ，C W ：D r a p e nT h ee f f e c to f l a s e rq u e n c h i n gt h es u r f a c e so f s t e e l so nt h e i rc a v i t a t i o n e r o s i o nr e s i s t a n c e J W e a r , 1 9 8 1 ，V 0 1 6 7 ( 4 ) ：3 2 1 - 3 2 8 5 M B o n e k ，L A D o b r z a f i s k i ，E H 匈d u c z e ke ta 1 S t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fl a s e ra l l o y e ds u r f a c e l a y e r so nt h eh o t - w o r kt o o ls t e e l J 】J o u r n a lo fP h o t o c h e m i s t r ya n dP h o t o b i o l o g y , 2 0 0 5 ，V 0 1 3 5 1 ( 6 ) ：3 2 2 - 3 3 0 6 H V i s s c h e r , M B d eR o o i j E H V r o e g o pe ta 1 T h ei n f l u e n c eo fl a s e rl i n eh a r d e n i n go fc a r b o n s t e e lA I S I1 0 4 5o nt h el u b r i c a t e dw e a ra g a i n s ts t e e lA I S I5 2 1 0 0 【J 】W e a r , 1 9 9 5 ，1 8 1 1 8 3 ： 6 3 8 - 6 4 7 7 汽车覆盖件模具激光表面热处理及修复成套设备 E B O L h t t p ：w w w u n i t y l a s e r c n p r o d u c t i n f o a s p ? i d = 2 1 8 沈利群从文献报道看我国激光热处理发展现状 J 金属热处理，1 9 9 1 ，( 9 ) ：5 4 - 5 8 9 赵新，金杰，姚建铨激光表面改性技术的研究与发展 J 光电子激光，2 0 0 0 ，1 1 ( 3 ) ： 3 2 4 3 2 8 1 0 赵军摩托车凸轮轴热处理工艺改进 J 金属热处理，2 0 0 1 ，( 1 ) ：4 2 - 4 3 1 I M a g a l h a e s ，S i l v i aS M S u r f a c eC o m p o s i t i o na n dM i c r o s t r u c t u r eC o n t r o ld u r i n gF o r m i n ga n d S i n t e r i n go fF e r r o u sP o w d e rM e t a l l u r g yM a t e r i a l s J 】D o k t o r s a v h a n d l i n g a rv i dC h a l m e r s T e k n i s k a H o g s k o l a ，2 0 0 3 ，( 2 0 5 0 ) ：5 1 1 2 H P a n t s a r ，v K u j a n p 甜D i o d el a s e rb e a ma b s o r p t i o ni nl a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n go fl o w a J 】o ys t e e l J 】J o u r n a lo f L a s e r A p p l i c a t i o n s ，2 0 0 4 ，V 0 1 1 6 ( 3 ) ：1 4 7 - 1 5 1 ； ( 1 3 罗玉梅引进泵缸体材料激光热处理的研究 D 武汉：武汉大学工程硕士学位论文，2 0 0 4 1 4 李俊昌激光热处理现状分析 J 昆明理工大学学报，1 9 9 7 ，2 2 ( 1 ) ：1 4 6 1 4 9 1 5 P _ G o p a l a k r i s h n a n P S h a n k a r , R VS u b b aR a ne ta 1 L a s e rs u r f a c em o d i f i c a t i o no f l o wc a r b o n b o f i d e ds t e e l s 【J 】，S e f i p t aM a t e r 2 0 0 1 ，V 0 1 4 4 ：7 0 7 - 7 1 2 1 6 晁明举金属材料表面激光淬火和熔覆若干关键技术研究 D 郑州：郑州大学博士论 文，2 0 0 3 1 7 雷廷权，傅家骐热处理工艺方法3 0 0 种 M 北京：机械工业出版社，1 9 9 3 1 8 朱婕钢铁材料激光处理后的组织与性能 D 北京：清华大学博士论文，1 9 9 0 1 9 刘江龙，谭继福，张磊激光快速熔凝组织特征及其强化研究 J 机械工程材料，1 9 8 9 ， ( 5 ) 2 0 刘文今，胡雪连，张庆茂等硼铸铁缸套激光表面熔凝组织和性能的研究 J 金属热处理， 2 0 0 2 ，2 7 ( 9 ) ：1 3 1 5 参考文献 2 1 张魁武激光表面处理的研究家与应用 J 机床，1 9 9 1 ，( 8 ) 2 2 K o u r i g i n ，V _ A H e a tt r e a t m e n to fs i n t e r e dc o n s t r u c t i o n a lm a t e r i a l su s i n gl a s e r s 【J 】M e tS c ig o H e a tT r e a t ，1 9 8 4 ，V 0 1 2 6 ：7 - 8 2 3 GB a c k e s E wK r e u t z , B O i l i e re ta 1 R e m e l t i n go fa l u m i n i u ma l l o y sb yC 0 2l a s e ri r r a d i a t i o n 【J 】A l u m i n i u m ，1 9 9 1 ，V 0 1 6 7 ( 1 0 ) 2 4 D s G n a n a m u t h u O p t i c a lE n g i n e e r i n g 1 9 8 0 ，V 0 1 1 9 ( 5 ) 2 5 高彩桥激光加工技术论文集1 9 8 9 ，1 0 2 6 阎毓禾，钟敏霖高功率激光加工及其应用 M 天津：天滓科技出版社，1 9 9 4 2 7 关振中激光加工工艺手册 M 】北京：中国计量出版社，1 9 9 8 2 8 熊剑国外热处理新技术北京：冶金工业出版社，1 9 9 0 2 9 wM S t e e n C C o u r t n e y S u r f a c eh e a tt r e a t m e n to f E n 8s t e e lu s i n ga2 k wc o n t i n u o u s - 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