【文章內容簡介】 應力和熱應力。這種機械應力和熱應力是不可避免的，是柴油機正常工作的必然結果，不可能消除，只能想方設法使其降低或均布。 激光淬火是利用激光輻照到具有固態(tài)相變的金屬表面，使金屬表面溫度在百分之幾秒到十分之幾秒內上升到淬火溫度。當激光離去后，利用金屬本身熱傳導而發(fā)生“自 淬”，使金屬表面發(fā)生馬氏體轉變。 激光淬火的熱影響區(qū)一般可分為熔 化區(qū)、相變硬化區(qū)、過渡區(qū)、高溫回火軟化區(qū)與基體五個區(qū)，當金屬表面發(fā)生熔化時，就會使表面粗糙度增大，并可能產生晶粒粗大和表面拉應力、涂層材料也會滲入金屬表層，從而影響材料的機械性能。由于激光淬火過程是在高度受扼的狀態(tài)下形成，這種馬氏體實質上是一種形變馬氏體，其表現(xiàn)為片狀和板條狀馬氏體組織的混合結構。馬氏體晶粒十分細化，具有比常規(guī)淬火更高的缺陷密度。由于冷卻速度達 104～ 109C／ s，碳原子來不及擴散，因此，馬氏體含碳量較高。與此同時，殘余奧氏體獲得極高的位錯密度，可達 1012 條／ cm2數量級。這形成的極高位錯 密度和晶格缺陷會阻礙疲勞源的萌生與裂紋的擴展，從而改善了材料的抗疲勞性 能。 山東交通學院畢業(yè)設計（論文） 11 2． 2． 3 激光淬火提高柴油機缸套的耐磨性 影響內燃機缸套耐磨性的因素 內燃機工作時，由于活塞的側壓力及高速相對運動，使氣缸壁產生強烈的摩擦，從而引起磨損，缸套與活塞組件的摩擦系統(tǒng)的要素包含有缸套、活塞環(huán)、空氣濾清器、機油、氣流等，而這些要素的性質包含有氣缸套和活塞組件的宏觀幾何特性、材料特性、機油性質等。氣缸的異常磨損主要有磨料磨損、粘著磨損及腐蝕磨損，以磨料磨損為主。影響內燃機氣缸套磨損的因素很多，且錯綜復雜。 合金鑄鐵 缸套激光處理后耐磨性提高的機理 缸套材料不同，提高耐磨性的機理也有所不同，硼合金鑄鐵經激光淬火后，硬化帶之間形成良好的儲油區(qū)，并將分散在硼合金鑄鐵微凹部的潤滑油集中在該區(qū)。從而使得活塞環(huán)經充分潤滑后通過硬化帶時，更能經受硬微粒的磨損，即提高了耐磨性。 硼合金鑄鐵中 Fe2B屬極穩(wěn)定的金屬間化合物，硬而脆，硬度達 1290～ 1680HV， Fe3(CB)和 Fe3(PB)的硬度及穩(wěn)定性較相應的不含硼的化合物都有提高。磨損過程中，較軟的基體先受到磨損而下凹，硬質點相硼化物作為第一滑動面起支撐和骨架作用，從而減輕了基體的 磨損。另外硼作用于鐵水的結晶過程可使初生晶粒大大細化，且降 低了枝晶偏析和區(qū)域偏析。硼還是強烈阻止石墨化的元素，故硼合金鑄鐵中的石墨較 ．灰鑄鐵中的石墨尺寸小，分布更加均勻。當硼偏聚于晶界時，傾向于在位錯胞中形成原子集團或微細沉淀物，對位錯強烈釘扎，限制其運動，故可強化晶界，阻止裂紋形成與擴展?？梢?，硼還可使鑄鐵基體組織更加細小均勻，改善了組織的強度的硼化物與石墨片，二者尺寸的減小，可削弱它們對耐磨性的不利影響，使其對耐磨性有利的方面得到充分的發(fā)揮。前者避免了大塊硼化物從基體上脫落而成為硬磨粒的傾向，后者則 削弱了石墨對基體的割裂作用，減小了石墨尖端的應力集中。 另外，摩擦過程中部分殘留奧氏體誘發(fā)轉變?yōu)轳R氏體，將會發(fā)生較大的塑性變形，且多發(fā)生于裂紋前沿的塑性區(qū)，從而使裂紋前沿的應力得到松弛，提高了裂紋的擴展抗力。我們還知道奧氏體向馬氏體轉變的過程中體積會膨脹，這樣轉變區(qū)中相鄰的馬氏體間會產生壓應力，將使磨損表面由于激光淬火形成的熱應力 (常呈拉應力狀態(tài) )減小，改善了表面應力狀態(tài)，對裂紋的萌生與擴展均有抑制作用。熔凝層與固態(tài)相變層交界處，殘留奧氏體及轉變的馬氏體含量最多，耐磨性也出現(xiàn)峰值，這是殘留奧氏體轉變對耐磨性 的貢獻。另外，磨面的顯微組織進一步細化也說明磨損過程中，組織具有硬化行為。因此，硼合金鑄鐵激光淬火后耐磨性顯著提高。 2． 2． 4 激光淬火改變柴油機缸套的組織結構 光硬化是利用激光來對鋼、鑄鐵和有色金屬等金屬材料進行輻照，使金屬材料表面發(fā)生熔化凝固，相變和受沖擊產生塑性變形而達到硬化目的表面改性過程。激光對鋼和鑄鐵的硬化機制除熔化凝固和相變硬化外，還有晶粒細化和位錯密度增加等。激光硬化后在金屬材料的硬化區(qū)組織中具有和常規(guī)處理相同的組織結構和組成相，如在鋼和鑄鐵孟小偉：激光淬火對氣 缸套壽命的影響 12 中同樣具有萊氏體、馬氏體、滲碳體 (碳化物 )、鐵素體 和殘余奧氏體系。但激光硬化后，由于快速加熱，快速冷卻的作用，致使鋼和鑄鐵的激光硬化組織非常不均勻，它包含奧氏體的不均勻性、珠光體、滲碳體以及奧氏體中碳含量的不均勻性。亞共析鋼和過共析鋼中的不均勻性導致保留鋼中的先共析相，即亞共析鋼中的鐵素體和過共析鋼中的滲碳體，在同樣冷卻速度條件下，奧氏體中碳含量的不均勻性將導致其低碳部分形成鐵素體一滲碳體組織，其高碳部分都可生成馬氏體組織。同時，激光硬化過程中韻極大冷卻速度使金屬材料的組織中具有大量缺陷，因而加強了加工硬化，緩慢了再結晶過程，并且繼承了奧氏體相中的缺陷，從 而細化了亞結構，提高了位錯密度，晶格中的應力也增加了。這樣獲得了馬氏體和奧氏體晶粒度比常規(guī)處理的要細得多。同時，晶格中發(fā)生的這些變化不僅在鐵合金中發(fā)生，由于有較大的溫度梯度，在有色金屬和純金屬中也會發(fā)生。 由于激光加熱受溫度梯度的影響，使金屬材料從表面至內部的溫度由高至低各不相同 ，合金鑄鐵經激光處理后，其顯微組織發(fā)生了極大的變化。激光處理前 其顯微組織為細片狀珠光體基體上分布著中、細片狀石墨，此外，還有少量的磷共晶和碳化物，激光處理后，硬化層由熔化區(qū)和相變區(qū)組成 (硬化層為平頂月牙形的白亮區(qū) )，硬化層下部為基體 組織。 熔化區(qū)：當激光照射材料表面時，此層金屬迅速加熱被熔化，原始組織中的石墨和磷共晶全部溶解。由于液態(tài)下原子擴散很快，碳濃度比較均勻。迅速凝固后為極細小萊氏體組織，結晶方向大致與溫度梯度方向相同。，對于合金 鑄鐵材料 這種萊氏體是滲碳體和片狀馬氏體的混合物，而不是一般白口鐵中的滲碳體和珠光體的混合物。 相變區(qū)：由于該區(qū)受熔化區(qū)的熱影響，加熱速度極快，因此存在極大的過熱度，導致奧 氏體形核率極高，由于加熱速度快，在相變點以上溫度停留的時間極短， 使奧氏體來不及長大與均勻化，最終形成不均勻的細晶組織，在隨后的快速冷卻 過程中，形成了細針狀馬氏體 +石墨懈共晶。但在接近熔化區(qū)部位，由于溫度接近鑄鐵的熔點，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提高材料表面硬度和耐磨性是有重要作用的。同時在快速加熱、高速冷卻過程中，激光淬火還造成金屬材料位錯密度急劇增加的現(xiàn)象，從而進一步提高硬度和耐磨性。 山東交通學院畢業(yè)設計（論文） 13 結 論 氣缸套是船舶柴油機 的核心部件 之一 ，在節(jié)約能源和提倡環(huán)保的今天，發(fā)達國家都氣缸套內壁以不同角度如改進材質、表面強化、提高加工精度、降低 表面粗糙度等方面進行了各種各樣的處理。 本文從產品 16V240ZJ 柴油機氣缸套的技術要求出發(fā)，重點研究了柴油機缸套的激光強化技術，探討了工藝參數對強化層硬度和深度的影響，并對強化層的組織和強化機理進行了分析。通過以上系統(tǒng)的研究，得到如下結論： 1．建立了合金鑄鐵缸套激光淬火溫度場的數學模型，通過數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。通過對激光淬火硬化層的硬度分布與冷卻速度的研究，得到它們之間 的 關系，從而為激光淬火參數的合理優(yōu)化提供了理論依據。 2．在激光功率和光斑尺寸一定的條件下 ，隨著掃描速度的增加，加熱時間減少，硬化層硬度提高，硬化層深度減少，但若掃描速度過快，達不到淬火溫度，使表面淬不上火；在光斑尺寸和掃描速度一定時，當激光功率增大時，硬化層深度增加，但激光功率過高，容易導致表面熔化。 3．在本實驗條件下，硼合金鑄鐵缸套材料的激光相變硬化的最佳工藝參數為：激光功率為 1100W，光斑尺寸為巾 3． 5mm，掃描速度為 1000mm／ min。硼合金鑄鐵材料經激光淬火處理后，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化。 孟小偉：激光淬火對氣 缸套壽命的影響 14 致 謝 歷時將近五個月的時間終于將這篇論文寫完，在論文的寫作過程中遇到了無數的困難和障礙，都在同學和老師的幫助下克服了。尤其要感謝我的論文指導老師 — 丁教授，他對我進行了無私的指導和幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進。在此向幫助和指導過我的各位老師表示衷心的感謝！ 感謝這篇論文所涉及到的各位學者。本文引用了數位學者的研究文獻，如果沒有各位學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。 感謝我的同學和朋友，在我寫論文的過程中給予我了很多 有用的素材，還在論文的撰寫和排版的過程中提供熱情的幫助。由于我的學術水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請各位老師和學友批評和指正！ 山東交通學院畢業(yè)設計（論文） 15 參考文獻 【 1】劉志軍．繼續(xù)提速再創(chuàng)輝煌．鐵道運輸與經濟， 2021， 23(13),14 【 2】錢苗根，姚壽山，張少宗．現(xiàn)代表面技術．北京：機械工業(yè)出版社， 2021， 【 3】李儒茍．激光合金化工藝的研究．表面技術 199625(6)， 13 【 4】 D． S． Ganamuthu． “Applicationso n Laser materialProcessing”1979 【 5】 J． Hemande． A． Vannes Laser Surface． 1986 【 6】李言祥，沈文等，鋁表面激光熔覆陶瓷原理和工藝的研究 u= 【 7】劉忠達．激光及其應用．大連：遼寧人民出版社， 1979． 【 8】 D． bimber， W． English， H． Rottenkolber． Laser in Industrie 【 9】劉江龍等．高能柬熱處理．北京：機械工業(yè)出版社． 1996 【 10】路綱． 4Crl3 鋼非平衡組織激光相變硬化機理的研究． 【 11】管一弘。樊剛等．激光淬火 溫度場及材料性能的數值模擬．中國激 【 12】閻毓禾，鐘敏霖．高功率激光加工及其應用． 【 13】安立寶．激光表面處理技術及其進展．航空工藝技術， 1995(4)： P19__2l 【 14】 D． S． Gnanamuthu． Laser surfacetreatment． Opfical Engineer1980(5) 【 15】王家金．激光加工技術．中國計量出版社， 1992 【 16】徐啟陽：激光基礎． 1986： 112 【 17】閻洪芳．《金屬表面熱處理新技術》，冶金工業(yè)出版社， 1996 年 【 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凝固層、相變硬化層、熱影響區(qū)和基材。激光熔凝層比激光淬火層的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。該技術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)機械加工才能恢復。為了降低激光熔凝處理后零件表面的粗糙度，減少后續(xù)加工量，華中科技大學配制了專門的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度降低熔凝層的表面粗糙度?，F(xiàn)在進行激光熔凝處理的冶金行業(yè)各種材料的軋輥、導衛(wèi)等工件，其表面粗糙度已經接近激光淬火的水平。激光淬火現(xiàn)已成功地應用到冶金行業(yè)、機械行業(yè)、石油化 工行業(yè)中易損件的表面強化，特別是在提高軋輥、導衛(wèi)、齒輪、