材料研究学报
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铁基粉末冶金材料的激光表面强化问题研究

  论文导读:激光热处理工艺参数主要是指激光器输出功率P,光斑直径d(两者决定了功率密度)和扫描速度V(决定了激光与工件的作用时间),它们直接影响硬化层的宽度、深度、硬度、组织以及机械性能。试验研究表明,如果不对激光淬火提出过高的要求,利用连续输出功率在千瓦级的二氧化碳激光设备,对铁基材料表面进行热处理并不困难。

  关键词:铁基,粉末冶金,激光,表面强化

  1.激光表面强化工艺参数的确定

  激光热处理工艺参数主要是指激光器输出功率P,光斑直径d(两者决定了功率密度)和扫描速度V(决定了激光与工件的作用时间),它们直接影响硬化层的宽度、深度、硬度、组织以及机械性能。

  1.1激光功率

  当光斑直径和扫描速度一定时,工件表面的最大加热时间是恒定的。随着激光器输出功率的增加,硬化层宽度和深度增加。这是因为当激光器输出功率增大时,光斑的平均功率密度增加,金属表面吸收的能量增加,使得表面温度进一步提高,经过金属基体的快速热传递,金属表面下处于相变温度Ac1 以上的区域亦增大,从而导致硬化层深度和宽度增加。

  1.2扫描速度

  扫描速度是工件与激光束相对运动速度,它反映了金属表面被加热的时间。当其它条件一定时,随着扫描速度的增大,硬化层深度和宽度减小。这是因为扫描速度高,加热时间减小,金属表面层吸收的能量降低,导致硬化层深度和宽度减小。

  降低扫描速度,以延长加热时间可使硬化层深度和硬度提高。试验结果表明:如果激光器输出功率不足,即使延长加热时间,金属硬化效果也并不好,反而加宽了热影响区。

  若扫描速度太慢,使得热量向光束移动方向的反向传导,致使冷却速度太慢,使表面出现熔融和回火现象,使硬度降低;若扫描速度太快,由于照射时间太短,输入的能量不足,使得照射区内温度达不到完全淬火温度,从而使得表面硬度降低。

  激光输出功率和扫描速度对硬化层深度的影响几乎为线性关系。随着激光输出功率的增大和扫描速度的降低,硬化层深度增加。激光功率增加意味着单位时间内的能量增加,则试件吸收的总能量增加,在试件内温度场中超过临界转变温度的范围扩大,即发生马氏体转变的区域增加,故硬化层的深度增加。扫描速度的降低,意味着热作用时间的延长。在其它条件不变时,总能量也是增加的,因此降低激光扫描速度和增加激光输出功率效果是一致的。综上所述,激光相变硬化层的深度取决于激光加热时的温度场。而材料达到给定温度的深度主要依赖于能量密度。激光相变硬化层层深与激光能量密度之间存在良好的线性关系。

  还可知激光功率和扫描速度不同,显微硬度的分布也不同。激光功率为3200W,扫描速度为8mm/s 时的表面硬度最高,约828HV。随着激光功率增加和扫描速度降低,材料的表面加热温度提高,在激光的快速加热和随后的快速冷却过程中,奥氏体晶粒得到了进一步的细化,马氏体中的固溶含碳量和合金元素含量增加,碳和合金元素的大量溶入也造成了静畸变强化,从而增大了表面显微硬度。激光输出功率过高或扫描速度过低时,样品中的蓄热量增大,造成冷却速度缓慢,无法达到自激淬火的临界冷却速度,淬不成马氏体,使硬度值降低。

  试验研究表明,如果不对激光淬火提出过高的要求,利用连续输出功率在千瓦级的二氧化碳激光设备,对铁基材料表面进行热处理并不困难。然而不同激光设备之间的工艺移植并非易事。工业生产中,维护激光处理工艺的可重复性是保证产品质量的需要。但是,激光淬火同其他传统的热处理相比,它具有可以精确控制热处理区域及工件变形小等一系列优点。只要能够较好的控制激光淬火工艺过程,原则上可以使用价格便宜、易于加工的材料制造工件的基体,在工件的关键部位用激光进行处理,便能显著提高产品的质量,简化工件的生产工艺,降低工件的生产成本,增强激光淬火对其它传统热处理工艺的竞争能力。

  2.激光表面淬火铁基粉末冶金材料的硬度分布

  各种成分的铁基粉末冶金材料经过宽带激光表面淬火后显微硬度有了显著的提高。铁基粉末冶金材料的显微硬度从淬火前到淬火后提高近3倍,合金元素Cr含量的增加使得硬化层深度略有增加,因为Cr 能提高钢的淬透性。从表层到心部,随着与表面距离的增加,显微硬度也呈现出层状分布并呈逐渐降低趋势直至基体。在此我们还可大概将其分为三层:第一层为完全淬硬层,显微硬度约为HV0.3623-669,厚度约为1.0-1.2mm。在这一层中显微硬度变化幅度不大,基本上曲线比较平坦,这同其他淬火方式相同,所不同的是激光淬火最高显微硬度一般在次表层;第二层为过渡区,厚度约为0.3mm,显微硬度约为HV0.3400-650;第三层为基体,显微硬度约为HV0.3250-320。

  3.激光淬火表面强化的机理

  激光表面处理具有加热速度快、热效率高,加热范围及热变形小的特点,不致引起开裂缺陷。宽带激光束与聚集光束比较,具有一次扫描处理区域大、硬化层更为均匀的优点,具有广阔的工业应用前景。论文发表

  激光硬化时,激光与材料的相互作用可根据激光辐照作用的强度和持续时间分为几个阶段:把激光辐照引向材料;吸收激光能量并把光能传给材料;光能转变为热能,加热材料达到快速加热、快速冷却、熔化材料的目的,并且不引起材料表面的破坏;材料在激光辐照后的相变或融化凝固或冲击产生晶格畸变及位错,最终达到硬化效果。论文发表

  从物理冶金角度,激光相变硬化与常规热处理并无两样,只不过是前者为局部的急热急冷过程。由于加热时间短,加热温度高,当激光束被切断或移开后,材料表面冷速很快,热影响区域小,硬化层较浅,一般只有0.3-2.0mm。这对于要求变形小,形状复杂和要求局部处理的零件来说较为合适。由于加热速度快,加热时间短,因此其相变硬化也具有自己的特点:激光热处理加热速度比其他淬火方法更快,使材料表面迅速达到奥氏体化温度,使得扩散均匀化来不及进行,原有材料中珠光体组织通过无扩散转化为奥氏体组织。在随后通过自身热传递而快速冷却,奥氏体组织通过无扩散过程转化为马氏体。由于是快速冷却,使Ms 线升高,使得我们试验中得到的马氏体组织含量较常规热处理的多,不同的微观区域内马氏体形成温度有很大的差异,这也导致了细小马氏体组织的形成,同时组织细化,这是由于激光超快速加热条件下,过热度大,造成相变驱动力大,奥氏体形核数目剧增,它既可以在原晶界和亚晶界上形核,也可以在相界面和其它晶体缺陷处成核。而在快速加热的瞬间奥氏体化使晶粒来不及长大。在马氏体转变时,必然转变为细小的马氏体组织。论文发表。研究表明,激光相变硬化处理后可获得直径为2μm 的超细晶粒。激光处理加热速度快,易使金属表面过热,随后冷速亦快,残留奥氏体量增加,碳来不及扩散,使得奥氏体中碳量增加,随着奥氏体向马氏体转变,得到高碳马氏体,提高了硬度。而激光处理后的马氏体组织为板条马氏体和孪晶马氏体组织,其中位错密度极高,可达1011-1012条/cm2,比常规淬火提高至少两个数量级,并且残余奥氏体中存在大量的位错塞积群。马氏体在高度受扼的状态下形成,因此形成了本质上是变形马氏体的淬硬组织。因此,我们认为,晶粒超细化,高的马氏体含量,马氏体高位错密度和高的固溶含碳量是材料经激光热处理后获得超高表面硬度的主要原因。

  参考文献

  [1]李华彬,何安西,曹雷,扬健,李学荣。 Cu/Fe复合粉的性能及应用研究[J].四川有色金属, 2005,(01) .

  [2]程继贵,夏永红,王华林,徐卫兵。聚苯乙烯/铜粉温压成型的研究[J].工程塑料应用,2000,(06) .

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