【正文】 技術(shù)對(duì)工件表面進(jìn)行強(qiáng)化，以達(dá)到改善工件的表面性能，節(jié)約成本，延長(zhǎng)使用壽命的目的。與上述表面強(qiáng)化技術(shù)相比，激光重熔也有許多的優(yōu)點(diǎn)。本文就是主要研究球墨鑄鐵表面激光重熔工藝。常用的球化劑有 Mg、稀土或稀土鎂，常用的孕育劑是硅鐵和硅鈣合金。這樣一來(lái) ,球墨鑄鐵可以像鋼材一樣 ,通過(guò)熱處理和合金化等措施來(lái)進(jìn)一步提高其使用性能。 1947 年 ,英國(guó)的 Morrgoh 發(fā)現(xiàn)了鑄態(tài)下存在球狀石墨，并于 1948 年制得了球墨鑄鐵，他是方法是：通過(guò)在低磷、低硫、高碳的灰鑄鐵中加 入 Ce,并使其殘留量保持在 %以上。一年后作了加鎂然后添加硅鐵孕育的試驗(yàn) ,澆注試塊制成拉仲試樣與金相試樣 ,發(fā)現(xiàn)組 織中析出完整的球狀石墨 ,力學(xué)性能十分優(yōu)異。他們將NiMg 合金加入到鐵液中的研究成果 ,在當(dāng)時(shí)的技術(shù)上是一項(xiàng)重大突破。 早在 1948 年清華大學(xué)王遵明教授就開展了球墨鑄鐵的研究，并于 1950 年成功通過(guò)采用銅鎂合金沖入法成功研制出了現(xiàn)代球墨鑄鐵，并進(jìn)行了鎳鎂、鋁鎂、鋅鎂和鉛銅做球化劑的試驗(yàn)工作。十多年前，我國(guó)就通過(guò)對(duì)球墨鑄鐵的基礎(chǔ)冶金學(xué)、鑄造、 熱處理工藝、動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能及其影響因素、使用性能及應(yīng)用范圍等做了大量 工作，并取得卓越的成績(jī)。圖 為 2021 年國(guó)內(nèi)球墨鑄鐵年產(chǎn)率，如圖所示 ,鐵素體球墨鑄鐵產(chǎn)量約占國(guó)產(chǎn)球墨鑄鐵件總產(chǎn)量的 60%，鐵素體 /珠光體混合基球墨鑄鐵約占總產(chǎn)量的 20%，珠光體球墨鑄鐵產(chǎn)量約占總量的 15%，等溫淬火球墨鑄鐵占約 5%。在一些受力較大而又要求耐沖擊的零件上應(yīng)用較多 ,比如汽車底盤及農(nóng)機(jī)部件。③脆性相 (滲碳體與磷共晶 )數(shù)量、大小、形態(tài)和分布。工藝條件不同的情況下 ,也會(huì)出現(xiàn)共晶滲碳體以及晶間碳化物 (包括磷共晶 )。冷速越大 ,珠光體的層間距較小。 圖 鐵素體組織金相照片 在實(shí)際生產(chǎn)條件下 ,由于碳當(dāng)量低、孕育不充分或其他原因 ,基體中會(huì)有共晶滲碳體出現(xiàn)。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 8 球墨鑄鐵的機(jī)械性能 球墨鑄鐵具有優(yōu)良綜合機(jī)械性能 ,其抗拉強(qiáng)度高達(dá) 16OOMPa， 延伸率可到達(dá)120%,沖擊韌性可達(dá)到 150J/cm2。球墨鑄鐵的缺口敏感性比鋼低 ,吸震性也優(yōu)于鋼 ,其耐磨性不僅優(yōu)于碳鋼 ,而且還優(yōu)于某些合金鋼。 石墨本身就是一種良好的潤(rùn)滑劑，在摩擦運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，從基體上提前磨損脫落下上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 9 來(lái)，起到了良好的潤(rùn)滑，大大減輕了材料的磨損。球墨鑄鐵的硬度主要取決于基體組織，而且與抗拉強(qiáng)度、延伸率等凈荷載性能有相應(yīng)的關(guān)系。球墨鑄鐵中的石墨彼此分離，與灰鑄鐵相比，可阻礙高溫下氧的擴(kuò)散。鑄鐵在氧化初期，表面 及其附近的微量稀土首先迅速氧化，形成內(nèi)氧化區(qū)，通過(guò)彌散硬化作用使表面強(qiáng)化，從而避免了合金表面卷旋氧化皮和基體起伏的發(fā)生，提高模具基體與氧化皮之間的粘附性及氧化膜與基體間的結(jié)合強(qiáng)度。 由于石墨的存在，鑄鐵的氧化比鋼更復(fù)雜。太原理工大學(xué)張金山等借助于冷鐵的作用，使型腔表面激冷層形成球狀石墨，而其余部位形成蠕蟲狀石墨，把耐熱性與導(dǎo)熱性協(xié)調(diào)為一體。熱浸滲鋁技術(shù)則可以很好地 解決球墨鑄鐵基體由于工作高溫而產(chǎn)生的不利影響。 圖 激光硬化的主要優(yōu)勢(shì)有： 以及形成硬化花樣 （ 2） 激光表面熔凝處理 激光表面熔凝處理事宜一定功率的激光照射在樣品上，是表層鑄鐵熔化，同時(shí)在未熔鑄鐵基體的快速冷卻作用下，金屬表面由外而內(nèi)形成組織和性能均異于原始基體上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 11 的熔凝層和相變層，一般稱為激光熔凝處理。（ 4） 激光熔覆 激光熔覆是利用高能密度的激光束，將通過(guò)輸送裝置的金屬粉末或事先預(yù)置于基體上的涂層熔化，在基體上形成熔池。不但產(chǎn)生高結(jié)合強(qiáng)度冶金結(jié)合，而且還獲得均勻細(xì)小的顯微組織，由此獲得具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能和耐磨、耐蝕性能的表面。 該技術(shù)主要利用激光具有的高亮度、高方向性和高單色性的特點(diǎn)。根據(jù)表面需要的性能指標(biāo) ,可以選擇合適的工藝方法和工藝參 數(shù) ,以控制金屬表面的組織變化和性能。過(guò)去的二十年來(lái)，激 光重熔的概念一直是依附于激光熔覆的概念之上的，直到現(xiàn)在，在大量的著作中還沿用預(yù)置式的激光熔覆這一說(shuō)法?？纯炊呷绾尾拍苓_(dá)到最優(yōu)配合，以期提高重熔層的性能，這也是 走向工業(yè)應(yīng)用的前提。 （ 3） 解決與大功率激光器配套系列裝置的工藝穩(wěn)定性問(wèn)題。其主要特點(diǎn)有： （ 1）表面熔化時(shí)不添加任何合金元素 ,重熔層與基體材料是天然的冶金結(jié)合。澎光重熔層的組織取決于基體金屬材料 。在激光重熔處理時(shí) ,熔化區(qū)形成的溫度梯度很大 ,導(dǎo)致在表層形成很高的應(yīng)力梯度和熔體的環(huán)流運(yùn)動(dòng)。在激光重熔的工藝參數(shù)中 ,對(duì)表面形貌的顯微起伏影響最大的是激光功率密度。 （ 2）工件設(shè)計(jì)加工時(shí) ,由預(yù)留加工余量來(lái)補(bǔ)償原始表面顯微硬 度的下降量。 激光的工藝參數(shù)的選擇直接影響到噴射電鍍層激光重熔的性能，而且激光功率、掃描速度、光斑大小等工藝參數(shù)之間的相互匹配也至關(guān)重要。 (2)掃描速度直接反映了激光束在材料表面的時(shí)間。光斑尺寸的大小直接影響重熔層帶寬，同時(shí)在相同激光功率和掃描速度條件下，光斑尺寸越大，功率密度越低，重熔層越淺。其次，根據(jù)工件的形狀、特點(diǎn)，參考已做過(guò)的試驗(yàn)預(yù)定工藝參數(shù)范圍，再根據(jù)三個(gè)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，選出符合產(chǎn)品質(zhì)量要求的最佳工藝，通過(guò)驗(yàn)證后再行確定。熱影響帶厚度也由于光束的高能量密度而減小到最小。在過(guò)去的十幾年中 , 對(duì)于鑄鐵表面激光重熔后的組織形貌及性能的研究已有大量的報(bào)道。如圖 為球墨鑄鐵熔池區(qū) 500 倍下金相形貌。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 16 圖 球墨鑄鐵熔池區(qū)金相形貌 500 實(shí)驗(yàn)的目的和意義 當(dāng)前球墨鑄鐵雖然由于自身良好的機(jī)械性能，其應(yīng)用范圍已經(jīng)十分廣泛，但由于許多領(lǐng)域都要求工件表面要具有高硬度、耐磨性、耐高溫等性能 , 如一些閥門的閥座、大型機(jī)床的導(dǎo)軌等，這些要求一定程度上限制了球墨鑄鐵的應(yīng)用范圍。 2 實(shí)驗(yàn)材料及方法 實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)用主要材料為鑄態(tài) 珠光體基底球墨鑄鐵，見圖 圖 實(shí)驗(yàn)儀器 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 17 恒溫干燥箱、研磨罐、超聲波清洗機(jī)、 光釬 激光器 、 DK7763 型電火花數(shù)控線切割機(jī)床、鑲嵌機(jī)、金相試樣預(yù)磨機(jī)、拋光機(jī)、砂紙、 HXD1000TM/LCD 自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計(jì)和 VHX600K 超景深三維數(shù)碼顯微分析儀。 其基本物理原理是自由正離子和電子在場(chǎng)中積累，很快形成一個(gè)被電離的導(dǎo)電通道。然后通過(guò) NC 控制的監(jiān)測(cè)和管控，伺服機(jī)構(gòu)執(zhí)行，使這種放電現(xiàn)象均勻一致。 激光重熔 激光重熔前先用砂紙磨去基體氧化層，然后進(jìn)行清洗工作，去污劑浸泡，鋼絲刷擦拭，水沖洗，無(wú)水乙醇浸泡超聲波清洗，烘干，再用砂紙將樣品磨平，烘干，備用。實(shí)驗(yàn)所用的 CO2激光器發(fā)射的光波波長(zhǎng)為 微米。分子受激進(jìn)入激光能級(jí)是通過(guò)電子碰撞、或者常常是通過(guò)與震動(dòng)激勵(lì)的 N2分子碰撞完成的，這些 N2分子時(shí)為了提高泵浦的效率而滲入的。 金相制備 （ 1）線切割 切割樣品為直徑 50 毫米，高度 10 毫米的珠光體基底球墨鑄鐵，用 電火花線切割機(jī) 切割為合適的尺寸。鑲嵌材料有熱凝性塑料 (如膠木粉 )、熱塑性塑料 (如聚氯乙烯 )、冷凝性塑料 (環(huán)氧樹脂加固化劑 )及醫(yī)用牙托粉加牙托水等。用這兩種材料鑲樣均需用專門的鑲樣機(jī)加壓加熱才能成型。電解制樣時(shí)，可加入銅粉等金屬填料以產(chǎn)生導(dǎo)電性，還可加入耐磨填料如 Al2O3 等來(lái)增加硬度及耐磨性，保持試樣的邊緣，填料一般在制樣前加入到壓鑲塑料中去。金相試樣的磨光除了要使表面光滑平整外， 更重要的是應(yīng)盡可能減少表層損傷。 精磨的目的是消除粗磨時(shí)留下的較深的磨痕，為下一步拋光打好基礎(chǔ)。在次級(jí) 砂紙上磨制。整個(gè)磨光工序可以在同設(shè)備上完成。 （ 3）拋光。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 20 拋光操作的關(guān)鍵是要設(shè)法得到最大的拋光速率，以便盡快除去磨光時(shí)產(chǎn)生的損傷層，同時(shí)要使拋光產(chǎn)生的變形層不致影響最終觀察到的組織，即不會(huì)產(chǎn)生假象。其次是精拋 (又稱終拋 )，其目的是除去粗拋產(chǎn)生的變形層，使拋光 損傷減到最小。金剛石磨料的價(jià)格雖高，但拋光速率大，切削能力保持的時(shí)間也長(zhǎng)，因此它的消耗量少，只要注意節(jié)約使 用，并合理選擇拋光機(jī)的轉(zhuǎn)速 (采用機(jī)械拋光時(shí)應(yīng)為 250300r/min，自動(dòng)拋光時(shí)應(yīng)為150r/min)，就可以充分發(fā)揮其優(yōu)越性。 腐蝕 采用 4%的硝酸酒精溶液腐蝕，腐蝕時(shí)間為 10s。 腐蝕一般有兩種方式有 2 種方法：化學(xué)腐蝕法和電解腐蝕法。適于抗腐蝕性強(qiáng)、難于用化學(xué)腐蝕法腐蝕的材料。試樣腐蝕的深淺程度要根據(jù)試樣的材料，組織和顯微分析的目的來(lái)確定，同時(shí)還應(yīng)與觀察者所需要的顯微鏡的放大率有關(guān)；高倍觀察時(shí)腐蝕稍淺一些，而低倍觀察則應(yīng)腐蝕較深一些。 顯微硬度測(cè)試 測(cè)量時(shí)采用試驗(yàn)負(fù)荷 N (100 gf)，保荷時(shí)間為 15 s；測(cè)定方式采用多位多點(diǎn)測(cè)試方法，取平均值作為測(cè)量結(jié)果。壓頭采用錐角為 136176。在系統(tǒng)設(shè)置菜單對(duì)日期和時(shí)間等進(jìn)行設(shè)定。 將試樣放在十字試臺(tái)上，如果試樣不平，應(yīng)該把試樣放在橡皮泥上用壓平器壓平。本次試驗(yàn)要沿從熔覆層表面到基底的方向每隔 10 微米打一個(gè)點(diǎn)，得到一個(gè)硬度梯度曲線。壓后立即用 VHX600K光學(xué)顯微鏡觀察和測(cè)量壓痕。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 23 圖 維氏硬度壓痕裂紋示意圖 7 結(jié)果與分析 激光重熔顯微組織金相分析 圖 （ a） 激光掃 描速度為 6mm/s、掃描功率為 1500W時(shí)的宏觀形貌 重熔區(qū)的深度為 ，熱影響區(qū)深度為 ，熔覆層半徑為 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 24 圖 （ b）重熔區(qū)示意圖 從圖 （ a）中可以看出：在經(jīng)激光重熔 工藝處理后 , 在形成了近似半圓形的重熔區(qū)。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 27 圖 （ b） 激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 2500w時(shí)過(guò)渡區(qū)組織形貌 1000 過(guò)渡區(qū)是位于熔池區(qū)和基體區(qū)之間的區(qū)域 , 其金相組織與熔池區(qū)有一定的差別 。從圖 (c)中 ,我們可以看到在未基體區(qū)中存在著未溶解的石墨，鐵素體和大量的珠光體組織。 關(guān)于熔池區(qū)中萊氏體的生長(zhǎng) :晶粒的長(zhǎng)大趨勢(shì)決定于基材晶粒的優(yōu)先成長(zhǎng)方向和熔池散熱方向之間的關(guān)系 。晶粒的散熱條件越好 , 則生長(zhǎng)條件越有利。 為了弄清熔池區(qū)和過(guò)渡區(qū)的金相組織的形成原因 , 我們可以從鑄鐵的結(jié)晶轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的角度 , 從理論上加以分析。如圖 中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，這 3 條線近似地代表 3 種不同的冷卻速度 ,這些線與轉(zhuǎn)變圖上各線的交點(diǎn)即可近似地反映某一相的開始析出或結(jié)晶終了。 表面激光處理的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是重熔區(qū)中液態(tài)金屬結(jié)晶的過(guò)程。圖 （ c）為試樣在激光掃描速度為 6mm/s、掃描功率為 2500W 情況下的顯微硬度 .從圖中可以看出，試樣的重熔層的硬度大于試樣基體的硬度，隨著深度的不斷加深，試樣的硬度開始逐漸下降。 （ 3） 展望 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 34 參考文獻(xiàn) [1]郭鐵 QT6003 激怡暉 . 球墨鑄光相變硬化數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究 [D].湖南大學(xué) ,2021 [2]房貴如 ,王云昭 . 現(xiàn)代球墨鑄鐵 的誕生、應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) ──20 世紀(jì)材料科學(xué)最重大的技術(shù)進(jìn)展之一 [J]. 現(xiàn)代鑄鐵 ,2021,01:311.