【正文】 鐵合金中發(fā)生，由于有較大的溫度梯度，在有色金屬和純金屬中也會(huì)發(fā)生。由于液態(tài)下原子擴(kuò)散很快，碳濃度比較均勻。但在接近熔化區(qū)部位，由于溫度接近鑄鐵的熔點(diǎn)，原始組織中的石墨大部分溶入周圍基體中，使碳含量急劇上升，出現(xiàn)明顯的高磷針狀馬氏體和大量殘余奧氏體，該區(qū)的這種高碳馬氏體對(duì)提高材料表面硬度和耐磨性是有重要作用的。通過以上系統(tǒng)的研究，得到如下結(jié)論： 1．建立了合金鑄鐵缸套激光淬火溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值模擬分析確定出激光淬火工件表面的最高溫度、加熱速度和冷卻速度。硼合金鑄鐵材料經(jīng)激光淬火處理后，淬硬層的硬度明顯提高，淬硬層的硬度最高達(dá)到 800HV，比常規(guī)淬火高出 200HV 左右，硬度提高了 30％，激光相變硬化后 硬度提高的主要原因是馬氏體晶粒的細(xì)化。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)，如果沒有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。激光淬火的功率密度高，冷卻速度快，不需要水或油等冷 卻介質(zhì)，是清潔、快速的淬火工藝。對(duì)大型齒輪的齒面、大型軸類零件的軸頸進(jìn)行淬火，表面粗糙度基本不變，不需要后續(xù)機(jī)械加工就可以滿足實(shí)際工況的需求。該技術(shù)的不足之處在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破壞，一般需要后續(xù)機(jī)械加工才能恢復(fù)。近年來在模具、齒輪等零部件表面強(qiáng)化方面也得到越來越廣泛的應(yīng)用。這些產(chǎn)品多擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金、石油、金屬材料加工、煙草及紙類加工、五金工具、汽車、機(jī)械、航空航天、化工、家電制造等行業(yè)，為這些行業(yè)攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題，贏得了激光熱處理設(shè)備、高功率激光焊接設(shè)備、香煙激光打孔設(shè)備等多個(gè)細(xì)分市場(chǎng)市場(chǎng)占有率第一。 （ 3） 六軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng) 本機(jī)床配置有六軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，可以對(duì)復(fù)雜形狀工件進(jìn)行精密激光加工。 一、激光硬化 （淬火） 分類。 激光硬化一般分為 三種工藝：激光相變硬化，激光熔化凝固硬化和激光沖擊硬化。其主要特點(diǎn)有： （ 1）材料表面的高速加熱和高速自冷。同時(shí)，也可以根據(jù)需要在同一零件的不同部位進(jìn)行不同的激光硬化處理。 激光硬化時(shí)，激光與材料的相互作用可根據(jù)激光輻照作用的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間分為幾個(gè)階段：把激光輻照引向材料； 吸收激光能量并把光能傳給材料；光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽訜岵牧线_(dá)到快速加熱、快速冷卻、熔化材料的目的，并且不引起材料表面的破壞；材料在激光輻照后的相變或融化凝固或沖擊產(chǎn)生晶格畸變及位錯(cuò)，最終達(dá)到硬化效果。激光加熱相變完成時(shí)間很短，同時(shí)加熱區(qū)的溫度梯度很大，因而金屬材料中碳化物的溶解和溶入奧氏體中的碳 以及合金元素?cái)U(kuò)散再分布的情況，在激光加熱區(qū)不同部位之間有很大的差異，即導(dǎo)致奧氏體成分的不均勻性。其中，板條馬氏體比常規(guī)熱處理的多，這種組織中的位錯(cuò)密度相當(dāng)高， 且隨著功率密度的增加，平均錯(cuò)位密度也增加，板條馬氏體為位錯(cuò)胞狀亞結(jié)構(gòu)。眾所周知，鋼的淬硬性是指在正常淬火條件下，以超過臨界冷卻速度所形成的馬氏體組織能夠達(dá)到的最高硬度。臨界冷卻速度越小，則奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的速度越慢，即成核與長(zhǎng)大速度減低。 在激光硬化過程中，影響激光硬化效果的因素很多，大體可歸為三類：激光器件的影響，基體材料狀態(tài)的影響，硬化過程工藝參數(shù)的影響。 激光硬化工藝主要有：連續(xù)波二氧化碳激光硬化工藝，脈沖激光硬化工藝。 近一二十年來，許多國(guó)家和地區(qū)投入了大量的人力與物力進(jìn)行了此項(xiàng)目的研究。 1）工藝研究。 3）合會(huì)層的組織與 性能研究。如在排氣閥門、閥座、高速鋼刀具及汽車活塞等零件上的應(yīng)用。 在 WC/Co 中加入 Ni 粉以后，合金層中碳化物類型并不發(fā)生變化，但基體中出現(xiàn)奧氏體。 2. 激光表商合金化的磨損性能 靜載滑動(dòng)磨損時(shí)，在單束斑掃描條件下，以 WC/Co 合金化時(shí)的耐磨性比 45鋼（淬火態(tài)），提高 17 倍以上，比 Cr3C2/NiCr 提高 12 倍。在 C/Co 中加入 Ti20％ (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）和 TiC30％后，耐磨性也分別提高 3 仿與 5 倍。在磨損時(shí)，基體磨損很快，但一顯露出網(wǎng)狀碳化物后，因其碳化物 M7C3 硬度很高（ 2100HV），就起了很好的支撐作用。 3．激光表面合金化的應(yīng)用 北京機(jī)床研究所張魁武等人，用復(fù)合合金粉末激光合金化處理的 45 鋼基無(wú)心磨床托板，在生產(chǎn)車間使用，比 原來 CrWMn 鋼淬火的托板壽命提高 3～4 倍。沖材模、排粉機(jī)葉片使用壽命提高 2～3 倍。 激光毛化是一種用于軋鋼生產(chǎn)的現(xiàn)代高新技術(shù)。應(yīng)用激光毛化技術(shù)對(duì)軋輥能夠提高軋輥使用壽命、減少輥耗，降低退火粘連缺陷，對(duì)板、帶能夠提高產(chǎn)品沖壓性能、改善表面涂漆附著力，增加光亮度，減少黑帶現(xiàn)象產(chǎn)生等。激光毛化汽車板由于涂漆后反射映像光澤度高，在國(guó) 外被稱為 “鏡面鋼板 ”，是生產(chǎn)高級(jí)轎車面板的優(yōu)質(zhì)板材。然后在薄板軋制或平整過程中，軋輥表面上的凸臺(tái)在板面上再形成若干變形硬化質(zhì)點(diǎn)（微坑），以形成激光毛化板。 孟小偉：激光淬火對(duì)氣 缸套壽命的影響 30 2)在軋制過程中，改善輥與板間摩擦（增加摩擦力）和接 觸條件以有利于軋制工藝順利進(jìn)行（可增大軋機(jī)壓下量和軋制速度），減少擦傷和粘連，改善板型，提高板面質(zhì)量。 激光毛化的特點(diǎn) 激光毛化鋼板表面的小凹坑不連通，有利于在后期沖壓成型時(shí)儲(chǔ)油和捕捉金屬 碎屑，儲(chǔ)油性好，防止沖壓劃傷，保證了鋼板的深沖性。 激光毛化鋼板表面粗糙度均勻、排列規(guī)則、形貌可以預(yù)控、重復(fù)性好、粗糙度調(diào)節(jié)范圍大。 毛化粗糙度調(diào)節(jié)靈活，可適應(yīng)多品種開發(fā)和生產(chǎn)。 自動(dòng)化程度高，功能豐富。 環(huán)保型生產(chǎn)，無(wú) “三廢 ”污染。 干嘛要采用 YAG 激光技術(shù)？ 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 激光毛化就是采用高重頻的高能激光束使輥面材料快速熔凝，形成按一定方式排列的直徑為一百微米量級(jí)，深度為幾十微米量級(jí)的微坑。 激光毛化克服了上述缺點(diǎn)：板面上分布著密度很高而且彼此分立的毛化坑，能有效保存潤(rùn)滑油，猶如在板面覆蓋了一層微小的液體軸承，使板材成型時(shí)材料易于流動(dòng)，不僅能減少起皺開裂現(xiàn)象，而且能提高板材深沖成型性能；其次， YAG 激光束通過柔性的光纖導(dǎo)出，并可利用電子技術(shù)方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，可以按照任務(wù)需要實(shí)現(xiàn)各種不同的結(jié)構(gòu)、形貌。目前，孟小偉：激光淬火對(duì)氣 缸套壽命的影響 34 世界上用于生產(chǎn)的激光毛化技術(shù)有兩種， CO2 激光毛化和 YAG 激光毛化。YAG 激光脈沖的形成采用電控的聲光開關(guān)節(jié)調(diào)制，不僅重復(fù)頻率高，而且可通過計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)多種形貌和分布毛化，滿足多種產(chǎn)品毛化要求。在明瞭了其中的物理機(jī)制后，力學(xué)所研究出特殊的高重頻聲光波形式調(diào)制技術(shù)，將YAG激光脈沖的工作點(diǎn)從常規(guī)的氣化為主的 A區(qū)調(diào)整到熔化為主的 B 區(qū) (參見圖 6)，同時(shí)讓光波形的功率密度變化與輥面熔池的溫度升高變化相適應(yīng)，大大提高了光能量耦合效率而使吸收率增加。當(dāng)然，真正在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)這個(gè)思路，是要花費(fèi)力氣的。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 激光束 的聚焦功率密度可達(dá) 1010~12W/cm2，作用于材料能獲得高達(dá)1012K/s 的冷卻速度，這種綜合特性不僅為材料科學(xué)新學(xué)科的生長(zhǎng)提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)，同時(shí)也為新型材料或新型功能表面的實(shí)現(xiàn)提供了一種前所未有的工具。 目前，利用 激光熔覆技術(shù) 可以制備鐵基、鎳基、鈷基、鋁基、鈦基、鎂基等金屬基復(fù)合 材料。 最新的研究表明，在我國(guó)工程應(yīng)用中鋼鐵基的金屬材料占主導(dǎo)地位。根據(jù)工程上材料特殊的服役條件和性能的要求，迫切需要開發(fā)強(qiáng)韌結(jié)合、性能梯度變化的新型表層金屬基復(fù)合材料。研究?jī)?nèi)容涉及到： ● 熔覆材料成分、組織、性能設(shè)計(jì)的技術(shù)、手段和原理及其工藝實(shí)現(xiàn)的控制技術(shù)。 ● 宏觀、微觀界面的觀察、分析控制和表征；功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料常規(guī)性能的分析和檢測(cè)以及不同工況下的磨損行為及失效機(jī)制。 。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 39 激光熔凝技術(shù)的應(yīng)用 激光熔凝原理 激光熔凝也稱激光熔化淬火。 ● 顆粒增 強(qiáng)相形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能和復(fù)合的仿生設(shè)計(jì)和尺寸、數(shù)量、分布的控制技術(shù)。激光熔覆技術(shù)制備原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、功能梯度材料已有報(bào)道，但大部分停留在組織、性能分析，工藝參數(shù)的控制階段，增 強(qiáng)相的尺寸、間距和所占的體積比還不能達(dá)到可控制的水平，梯度功能是通過多層涂覆形成的，不可避免地在層與層之間存在界面弱結(jié)合的問題，距離實(shí)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的路。為滿足工件的服役條件而采用大塊的原位自生顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料制造，不僅浪費(fèi)材料，而且成本極高。從構(gòu)成涂層的材料體系看，從二元合金體系發(fā)展到多元體系。它提供了制造功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)復(fù)合層全新的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件。 孟小偉：激光淬火對(duì)氣 缸套壽命的影響 36 激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用 激光熔覆 是一種新型的涂層技術(shù)，是涉及到光、機(jī)、電、材料、檢測(cè)與控制等多學(xué)科的高新技 術(shù)，是激光先進(jìn)制造技術(shù)最重要的支撐技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)制造方法不能完成的難題，是國(guó)家重點(diǎn)支持和推動(dòng)的一項(xiàng)高新技術(shù)。 1994 年，世界上首臺(tái) YAG 激光毛化裝備在天津市冷軋薄板廠實(shí)現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。 YAG激光毛化也是國(guó)外眾多研究者想實(shí)現(xiàn)的愿望，但通過實(shí)驗(yàn)，他們認(rèn)為 YAG 激光器功率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。力學(xué)所根據(jù)我國(guó)激光技術(shù)發(fā)展水平和工廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)狀況，沒有因循國(guó)外技術(shù)路線，決定另辟蹊徑：研發(fā) YAG 激光毛化技術(shù)。 那么，什么是 YAG 激光毛化技術(shù)呢？這是從激光光源的種類來劃分的。圖 1， 2 分別是噴丸毛化板和電火花毛化板的表面形貌。激光毛化軋輥技術(shù)已在全國(guó)十余個(gè)省市推廣使用，除了應(yīng)用于金屬板 (帶 )的冷軋輥外，還可以應(yīng)用于印刷輥的圖形刻蝕、汽缸體的激光珩磨、重載機(jī)車的輪軌處理等等。 運(yùn)行穩(wěn)定、加工質(zhì)量高。 加工效率快。 激光束在對(duì)軋輥毛化的同時(shí)還具有對(duì)其表面進(jìn)行強(qiáng)化的作用，可提高軋輥使用壽命，減少換輥量和軋輥消耗，提高軋機(jī)生產(chǎn)效率。 輥面的激光毛化形貌均勻、可控，平滑面占整個(gè)毛化面的 60% ，使軋制出的鋼板的板面平坦度高，提高了帶鋼表面的光潔度和涂漆后的鮮映度。同時(shí)，板面微坑可容納成型過程中產(chǎn)生的金屬屑，減少成型表明劃傷，提高工件質(zhì)量。這種表面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面： 1)激光毛化在軋輥表面形成均勻分布的圓弧形凸臺(tái)，其硬度、強(qiáng)度都明顯高于其它毛化方式。 激光毛化技術(shù)基本原理 其特點(diǎn)是利用經(jīng)過特殊調(diào)制的高能量密度（ 104~106W/cm2）、高重復(fù)頻率（每秒數(shù)千至上萬(wàn)）的脈沖激光束在聚焦后入射到軋輥表面實(shí)施預(yù)熱和強(qiáng)化，在聚焦點(diǎn)處軋輥表面形成微小溶池，同時(shí)由側(cè)吹裝置對(duì)微小溶池施以設(shè)定壓力、流量、方向的輔助氣體，使溶池中的溶融物按指定要求盡量堆積到溶池邊緣形成圓弧形凸臺(tái)。 激光毛化冷軋輥技術(shù)是八十年代在世界上才發(fā)展起來的生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)冷軋薄鋼板新技術(shù)。激光毛化軋輥具有比噴 丸毛化螺絲更長(zhǎng)的使用壽命，在軋板過程中能提高軋制速度，減少版面擦傷，改善版型，在板卷退火中防止粘連，能顯著提高工廠的生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。所以激光表面合金化用于鋁合金的強(qiáng)化是十分有效的。北京機(jī)電研究所曾對(duì)拖拉機(jī)換向撥叉、螺母攻絲機(jī)料道、軸承擴(kuò)孔模、沖材模、電廠排粉機(jī)葉片及鋁活塞等零件上的應(yīng)用研究，都取得了很好的效果。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 激光表面合金化的強(qiáng)化，應(yīng)是相變硬化、固溶強(qiáng)化和碳化物第二相強(qiáng)化的綜合效果。 WC/Co 合金化后基體為馬氏體， M6C 型碳化物的硬度為 1300HV左右，在磨損時(shí)，將首先選擇性磨損馬氏體基體，碳化物漸漸露出磨面，由于碳化物網(wǎng)的支撐作用，所以合金化展表現(xiàn)出極高的耐磨性。 在沖擊磨損條件下，合金化后材料的耐磨 性也有很大的提高。硬度也隨著下降。 Cr3C2 合金化以后，組織特征為基體上分布分布著網(wǎng)狀碳化物，析出的碳化物為 M7C3 型，這種碳化物硬度高達(dá) 2100HV，由于合金碳化物在基體中分 布較稀。有的也進(jìn)行了耐腐蝕及抗氧化的研究。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 2）理論分析。添加的合金元素有 Ni、 Cr、 W、 Ti、 Co、 Mn、 Mo、B 等。該技術(shù)的特點(diǎn)是：一能在材料表面進(jìn)行各種合金元素的合金化，改善材料表面的性能；二能在零件需要強(qiáng)化部部位 進(jìn)行局部處理。 基體材料的影響主要包括基體材料的化學(xué)成分、幾何形狀、幾何尺寸、表面狀態(tài)和原始組織等。當(dāng)同時(shí)加入數(shù)種合金元素時(shí)，由于相互激發(fā)的效應(yīng)更能大大降低臨界冷卻速度，而使鋼的淬透性得到顯著提高。 合金元素在激光硬化過程中主要對(duì)淬硬層深度影響較大，并對(duì)表層組織及硬度的均勻性起到一定的作用。 四、含碳量及合金元素的影響。 同時(shí)，瞬間加熱后的急冷使得超細(xì)晶奧氏體來不及長(zhǎng)大，因而激光相變的產(chǎn)物必將獲得超細(xì)的晶粒度和相變組織。 三、金屬材料在激光輻照下發(fā)生變