【文章內(nèi)容簡介】 凝層，在不改變模具鋼表面成分的條件下，實現(xiàn)鋼基表面的“自強化”。最佳工藝參數(shù)為：輸出功率1200W，光斑直徑 3mm，焦距300mm，激光束掃描速率400mm／min，大面積激光掃描搭接率30％ 。研究表明：采用激光熔凝處理，在H13 鋼表面獲得了組織致密、無孔洞及裂紋等缺陷的熔凝層，熔凝層厚度約為0．5 rum，其組織呈定向生長形態(tài)。激光熔凝層的耐磨性能為H13鋼基體的1． 8倍。H13 鋼經(jīng)激光熔凝處理后，其耐腐蝕性能得到改善，自腐蝕電位正移，維鈍電流明顯減小。激光熔凝處理技術(shù)以其加工精度高等特點具有很大的潛在應(yīng)用價值，但目前的研究只在實驗室階段，要實現(xiàn)大規(guī)模實際應(yīng)用還需要進行大量的研究工作。③激光表面非晶化與微晶：非晶是一種類似玻璃的結(jié)構(gòu)，長程有序，短程有序。這種組織的特點是成分和電化學(xué)性能極為均勻，并且沒有晶界、位錯等晶態(tài)缺陷。非晶材料以其優(yōu)異的電學(xué)、機械和化學(xué)性能，日益受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，獲得了廣泛的應(yīng)用。對非晶材料的研究進而迅速發(fā)展成一門新興的非晶態(tài)物理學(xué)，它對材料科的分支，對其今后的技術(shù)發(fā)展有極重要的意義。制備非晶的一個最基本條件是將液態(tài)以大于某一臨界冷卻速度急冷到低于某一特征溫度，以抑制晶體形核核生長。激光非晶指將激光作用于材料，是材料表面薄層融化形成極高的 溫度梯度，急冷后形成非晶。④激光毛化：激光毛化其實是通過一系列光學(xué)元件，把激光束聚集成一個極小的光斑，獲得的能量密度，溫度達到 10000℃ 以上，通過高頻高能脈沖光束對材料加工，使得表面形成均勻或可控分布的微坑如圖 1 所示，從而能在千分之幾秒甚至更短的時間內(nèi)使材料表面達到毛化的目的。激光毛化實質(zhì)是激光斑點與基體材料相互作用而形成的，激光毛化板的表面形貌是預(yù)定可控和有規(guī)則的排列，儲油性能好，粗糙度調(diào)節(jié)范圍大，重復(fù)性好，沖壓性能好，涂漆后的鮮映度高。毛化過程經(jīng)過以下幾個過程：① 光斑沖擊激光光斑短時間作用在基體材料的淺層上，材料在激光沖擊作用下產(chǎn)生局部壓應(yīng)力；② 表層熔融金屬材料吸收的熱使得表層熔化，形成熔池；③ 表層蝕化隨著表層吸收激光能量的增加，形成熔池的表面產(chǎn)生氣化，產(chǎn)生蝕化效果，完成毛化加工。其圖片如圖 1圖 1 激光毛化球墨鑄鐵微觀形貌 激光加工機理激光表面改性是利用高能量激光照射工件時對工件表面快速的加熱．將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，進行表面處理的獨特加工方法。激光加工機理是利用聚焦后的激光束,照射到工件表面 ,激光在很小的焦斑范圍內(nèi) ,具有較高的功率密度 ,能夠在極短的時間內(nèi) ,使材料發(fā)生熔化、 汽化 ,并形成小孔 ,小孔的形成又增強材料對激光的吸收 ,材料汽化膨脹產(chǎn)生的壓力將熔融的材料拋出 ,從而達到去除材料的目的。該工藝的特點是能夠有選擇地處理局部表面，可以在不改變材料整體性能的情況下在局部表面得到所需要的性能，它是激光加工領(lǐng)域中的重要組成部分。激光表面改性用高能量激光束為熱源加熱工件，使工件表面在高功率密度激光的照射下掃描，工件表面吸收激光照射的能量，光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。表面迅速被加熱到相變溫度以上、熔化溫度以下．此時工件溫度仍處于室溫。當光束移開或光束的能量減少時．能量又迅速以1O 一10 C／s的冷卻速度向金屬內(nèi)部傳導(dǎo)．使加熱部分迅速冷卻．此過程非?？欤率菇饘賰?nèi)部保持冷態(tài)，從而獲得表面改性效果。實現(xiàn)不需要額外冷卻介質(zhì)就可以實現(xiàn)相變硬化，達到激光自冷表面改性。當激光束照射到材料表面的時候，如果材料表面局部區(qū)域溫度超過材料的熔化溫度，則該區(qū)域?qū)蝗刍蔀橐后w。相應(yīng)的熔化區(qū)域被稱為熔池。在激光材料表面改性過程中，激光熔池形成與否主要取決于激光的強度和照射的時間。可見，激光表面改性是最簡單的表面改性，即用激光對著表面改性部位掃一遍即可完成。盡管如此，激光表面改性也要遵循與普通表面改性同樣的規(guī)律，即最大的加熱溫度大于鋼的相變臨界溫度。冷卻速度大于鋼的表面改性臨界冷卻速度。只不過激光金屬的加熱和冷卻都是以很高的速度進行，因此它具有超快加熱的相變特征。 激光處理對材料表面摩擦、潤滑的特性的影響Y AG脈沖激光雖然具有脈沖窄、 峰值功率高、加工時對工件的熱影響區(qū)小、 金屬重鑄少等特點 ,但它畢竟也是通過熱效應(yīng)來加工的, 如圖 3所示，YAG激光加工時有相當一部分熱量到傳輸?shù)募庸^(qū)周圍基體材料中，形成熱影響區(qū),降低了激光能量的利用率，并可能帶來微裂紋、金屬重鑄、切口不光滑的問題。因此 ,利用 Y AG激光對金屬表面進行微造型,必須對激光工藝參數(shù)進行合理的選擇和優(yōu)化組合,以最大限度減少、消除這些不利因素的影響。從而使激光表面改性具有獨特的優(yōu)點。1)利用激光束可控性的特點，在工件工作表面的整個工作長度上根據(jù)磨損狀況和潤滑性能要求進行表面微觀造型，從而保證在整個工作長度上磨損均衡。2)在工件整個工作表面上形成與潤滑性能要求優(yōu)化匹配的、連續(xù)均勻的、并具有一定密度、寬度、深度、角度及形狀的貯存和輸送潤滑油的溝槽、凹腔，這些油路通過交叉點相互連通，且都均勻地分布于工件表面，為工件表面提供迅速有效的潤滑，減少了貧油區(qū)的出現(xiàn)，降低了粘著磨損。3)由于激光與材料獨特的作用機理，使得要去除的金屬(或非金屬)被汽化掉，形成的油路光滑清潔，從而保證油路暢通無阻。同時，在金屬材料工件的油路周圍和表面，因淬火效應(yīng)而硬度提高。4)在油路上設(shè)置的一系列凹腔，具有儲油池和聚集微小顆粒的雙重作用，它一方面為周圍附近區(qū)域提供潤滑油，另一方面又能大大降低磨粒磨損。5) 激光表面造型屬非接觸式加工，不像機械加工會發(fā)生擠壓、耕犁現(xiàn)象，從而在金屬表面不產(chǎn)生所謂的“金屬疤皮”。6)雖然激光表面造型在工件表面留下了縱橫交錯的網(wǎng)格狀油路，但就宏觀效果而言，并不影響其支承面積 。在摩擦過程中潤滑效果和潤滑油量密切相關(guān), 油膜分子覆蓋在固體表面可以使界面的自由能減小。密封端面的微孔如圖2所示, 當潤滑油量很少達到圖中的A時, 首先在整個表面形成單分子吸附層使表面能達到最低，隨著油量增加潤滑膜的厚度增加到充滿粗糙峰谷(B, C之間) ,這時的摩擦只發(fā)生在峰頂,潤滑區(qū)域處于流體潤滑狀態(tài), 潤滑油量對摩擦因數(shù)的數(shù)值影響不大。對于表面微孔化的試樣, 每一個微孔之中都預(yù)先存儲了一定的油量, 當表面粗糙峰頂?shù)挠湍ぐl(fā)生破裂, 峰谷的油依靠自由能減少的趨勢可以自動補充至峰頂, 而光滑表面不存在這種規(guī)則的儲油結(jié)構(gòu), 隨著載荷的增加,潤滑膜一旦破裂很容易失效。表面微孔的存在對潤滑過程起到了補充供油的作用, 使流體潤滑區(qū)域得以延長, 但是當潤滑油量只能達到峰谷A或是更少時, 這時潤滑油很難發(fā)生流動, 峰頂?shù)挠湍て茐暮蟮貌坏窖a充, 最終產(chǎn)生干摩擦。當摩擦副之間發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)時, 盤表面的微孔周圍形成收斂的流體潤滑膜, 每一個孔都像一個微動力滑動軸承, 在孔的周圍和上方產(chǎn)生流體動壓力。當載荷增加時, 表面微孔可以作為存儲器為接觸面供油,同時可以捕捉摩擦過程中的磨損粒子, 減少犁溝起到減磨的作用。但微孔的存在也有不利的一面, 當尺寸超出一定范圍, 表面粗糙度的增加產(chǎn)生的負作用超出了微孔的減磨作用, 反而磨損增大。因此, 必須根據(jù)實際摩擦工況和潤滑要求, 以潤滑理論研究為基礎(chǔ) ,預(yù)先模擬、計算出表面微結(jié)構(gòu)的幾何形狀、深度、分布等參數(shù)的最佳值, 以獲得穩(wěn)定的潤滑狀態(tài)。所以隨著載荷和速度的增大, 微孔結(jié)構(gòu)摩擦副和光滑摩擦副的摩擦因數(shù)都呈先減小后增大的趨勢,但與光滑摩擦副相比, 多孔端面密封可以將最大pv提高215倍。 激光微孔技術(shù)是一種增加潤滑膜的使用壽命、減小磨損的有效方法, 微孔作為潤滑劑存儲器在摩擦過程中持續(xù)給接觸面間供油, 同時可以捕捉摩擦面間的磨損粒子, 減少犁溝的形成。如圖 2 潤滑油量在 A 時，在整個表面形成單分子吸附層使表面能達到最低，隨著油量增加潤滑膜的厚度增加到充滿粗糙峰谷(B, C 之間)，這時的摩擦只發(fā)生在峰頂,潤滑區(qū)域處于流體潤滑狀態(tài)。圖 2 油膜分析圖 小結(jié)本章介紹了激光表面處理，特別是微造型技術(shù)概況進行了綜述，并介紹了激光處理技術(shù)的特點和分類，同時對激光加工機理作了說明。最后重點對激光處理材料后其表面特性變化作了闡述。通過以上調(diào)查、分析與研究，制定本文研究方法和內(nèi)容：研究滑動平面副的摩擦學(xué)特性，分析激光微造型后其摩擦磨損特性變化，制定一套可行的實驗方案、并利用合適的激光加工等設(shè)備，研究激光表面造型（激光珩磨）及其加工工藝來提高摩擦磨損性能特性，并在摩擦磨損試驗機上做出實驗證明。具體試驗方法、過程與結(jié)果在第三章和第四章給出。3 激光表面處理實驗的器材與方法 實驗器材本實驗采用的主要設(shè)備為華中科技大學(xué)激光研究所制造的 HGLLSY50 系列激光打標機和我校機械實驗室的萬能摩擦磨損實驗機。 HGLLSY50 系列激光打標機該系列機包括 HGLLSY50F 激光打標機（進口高速振鏡頭）和 HGL50 激光打標機（國產(chǎn)高速振鏡頭） 。振鏡激光打標技術(shù)是上世紀末激光打標領(lǐng)域的一次突破性變革。與繪圖儀技術(shù)，轉(zhuǎn)鏡技術(shù)相比，振鏡技術(shù)具有打標速度更快，精度更高的特點。HGLLSY50F 激光打標機具有重復(fù)精度高，定位精度高，標記速度快，標記范圍大等優(yōu)點。而且具有高可靠性，易于維護，操作簡便等獨特優(yōu)勢，可以用語電子，通訊，包裝等行業(yè)大批量生產(chǎn)企業(yè)的在線打標。HGL－ LSY50F 激光打標機主要包括以下組件：1. 進口高速振鏡頭2. 進口 D/A 控制卡3. 進口 WINMARK 軟件4. YAG 激光器及 IGBT 恒流電源5. 聲光 Q 開關(guān)及高功率驅(qū)動電源6. PC 兼容電腦一臺7. 恒溫冷水機組（選件）性能參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)激光介質(zhì) 　　　　　　Nd:YAG　　　　波長 　　　　　　　　1064nm　　　　　　聲光調(diào)制頻率 　　　　20 KHZ功率 　　　　　　　　60W 供電 　　　　　　　　3Φ3KVA標記速度 　　　　　　2022－3000mm/s（約 200 個字符/s）標記深度 　　　　　　－ mm/s標記范圍 　　　　　　7070mm,110110mm外形體積 　　　　　　15007201100mm重量 　　　　　　　　120kg其工作原理簡圖如圖 3 所示圖 2圖 3圖 3 激光打標機工作原理 萬能摩擦磨損實驗機萬能摩擦磨損試驗機使由主軸驅(qū)動系統(tǒng)、各種摩擦副專用夾具、油盒與加熱器、摩擦力矩測定系統(tǒng)摩擦副下副升降系統(tǒng)、彈簧式微機施力系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、以及試驗機減震墊鉄等部分組成。它們都安裝在以焊接機座為主體的機架中，機座的右上部右工作臺面和拉板滑道，工作時將工作臺面拉出，置放臺式雙筆 250MM 精度快速記錄儀。通過摩擦力矩傳感器和兩組鉑熱電阻，可自動記錄實驗過程，摩擦力矩—時間和溫度—時間曲線，該記錄精度可達177。%，靈敏度 5mv/cm,記錄筆數(shù)1000mm/s，記錄儀采用折疊式記錄紙，走紙速度 12 檔，有 19 量程和 14 量程供測定摩擦力矩和溫度選用。機座的右上方是試驗機面板操作系統(tǒng)，左上方是主軸驅(qū)動系統(tǒng)和油盒、摩擦副、各種一次傳感器等，機座的 左下部是試驗機彈簧式立系統(tǒng)和微機自動加荷系統(tǒng)，右下部是工具箱，試驗機的吊裝工具就放在其內(nèi)，機座的前后及左側(cè)有門，打開時能清楚看到內(nèi)部機構(gòu)，以便進行調(diào)試檢修。其使用步驟為:（1）試驗機的安裝應(yīng)在設(shè)有穩(wěn)定電源和具有良好排風條件的實驗室內(nèi)進行，其外接電源為單向 220 伏、50Hz 交流電源，該試驗機的主軸不可逆轉(zhuǎn)，既從上到下看主軸為順時針旋轉(zhuǎn)。（2）實驗機應(yīng)可靠接地，目測檢查各電器單元完整良好，接線無松動、脫落，即可接通電源。（3）按下電源啟動開關(guān)，試驗機各測控顯示單元的顯示器均為應(yīng)顯亮，預(yù)熱15 分鐘后，調(diào)整試驗力、摩擦力矩測控顯示單元零點。（4）按下主軸“啟動”鍵，調(diào)節(jié)“調(diào)速”旋鈕，使主軸低速空運轉(zhuǎn)，檢查主軸旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向是否正確。（5）當試驗機的報警顯示單元有報警信號出現(xiàn)時，試驗機的主軸不能啟動，此時應(yīng)按下相應(yīng)測控顯示單元的“復(fù)位”或“清零”按鍵，解除報警狀態(tài)后，主軸才能啟動。（6）試驗力單元的操作。（7）摩擦力矩單元的操作。（8）主軸無級變速系統(tǒng)的操作。（9）試驗轉(zhuǎn)數(shù)單元的操作。（10）時間單元的操作。（11）溫度控制單元的操作。（12）摩擦力矩與時間對雙筆記錄系統(tǒng)的操作。此次實驗試塊裝夾在試塊座內(nèi)，試塊座通過其刃口置于載荷杠桿之上，載荷杠桿亦通過其刃口置于摩擦杠桿之上，試塊座、載荷杠桿、摩擦杠桿及機體保持浮動接觸，通過調(diào)整三者之間的位置使摩擦杠桿上的水平器氣泡在正中間位置，以保證試環(huán)與試塊的均勻線接觸。在載荷杠桿右端施加載荷，載荷大小由傳感器測得，環(huán)塊之間的摩擦力大小由摩擦杠桿右端相連的傳感器采集。記錄摩擦力矩，然后用公式 u=755T/P 求出相應(yīng)摩擦系數(shù)。 表面加工質(zhì)量的檢測與分析儀器采用普通光學(xué)顯微鏡觀察其標記形貌，測量標記圖片，觀察其外形結(jié)構(gòu)，并在數(shù)碼相機下進行拍攝。采用 JSM35C 掃描電鏡觀察其形貌。 實驗材料及試樣 本實驗用球墨鑄鐵，牌號為 QT600，平均粗糙度為 Ra 0 . 01～0 . 02,球墨鑄鐵試樣材料成分為: C ( 3 . 0%)、Si ( 1 . 89% )、 Mn ( 1 .02% )、 P (0 . 104% )、 S(0 . 14% )。試樣選用萬能摩擦磨損實驗機專用摩擦組套。大約 10 套，其尺寸為摩擦環(huán)為28cm。被摩擦墊為 32cm。如圖 4圖 4 試樣零件圖 實驗方案及步驟 實驗方案：我做了三種圖案：圓、菱形和網(wǎng)格。圓與菱形做三對，分別是表面分布率是 5%、10% 和 15%。圓的直徑是 100um，菱形的邊長是 50um，以銳角是 60度。 圖 5