【正文】 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) 31 2 0 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16002004006008001000Microhardness(HV0.1)D e p t h (μ m ) B 圖 10（ a） 激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 1000w時(shí)顯微硬度 2 0 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600020040060080010001200Microhardness(HV0.1)D e p t h (μ m ) B 圖 10（ b） 激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 2021w時(shí)顯微硬度 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) 32 2 0 0 0 200 400 600 800 1000 1200 140020040060080010001200Microhardness(HV0.1)D e p t h (μ m ) B 圖 10（ c） 激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 2500w 時(shí)顯微硬度 功率 硬度 最大值 （ HV） 最小值 （ HV） 平均值 （ HV） 1000W 2021W 2500W 表 8 總結(jié) （ 1） 得到了以樹枝狀萊氏體組織為主的涂層 ,且組織生長(zhǎng)方向垂直于熔池區(qū)的曲面并指向試塊表面 , 過(guò)渡區(qū) 中存在著滲碳體、鐵素體 、萊氏體、 牛眼狀石墨、 殘余奧氏體和珠光體等組織 ,基本區(qū)組織與原鑄態(tài)組織相同 。所以我們可以通過(guò)結(jié)晶轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)理論來(lái)解釋這一過(guò)程 [16]。在某種中間的冷卻速度Ⅱ時(shí) , 繼析出初生奧氏體后，共晶轉(zhuǎn)變先按穩(wěn)定系進(jìn)行 , 析出石墨共晶體 , 但未等溶液轉(zhuǎn)變結(jié)束 ,溫度已下降到更低 ,最后的一部分殘余熔體在更大的過(guò)冷度下 , 按介穩(wěn)定系轉(zhuǎn)變成滲碳體共晶體 , 故凝固完畢時(shí)是“ A + G + C” , 即麻口組織 。如圖所示 , 在不同的過(guò)冷度下進(jìn)行結(jié)晶時(shí) ,結(jié)晶的步驟、速度及最后形成的組織會(huì)發(fā)生變化。熔池的最大散熱方向必然垂直于結(jié)晶等溫面。在高能激光束作用下的動(dòng)態(tài)凝固中 , 熔池主要靠已結(jié)晶的晶粒固體散熱 。在結(jié)晶過(guò)程中 , 滲碳體首先從液體金屬中析出并不斷長(zhǎng)大 , 當(dāng)溫度降至球鐵的共晶溫度以下上海工程技術(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) 29 時(shí) , 發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變 , 這時(shí)奧氏體晶核出現(xiàn)在滲碳體晶粒鋸齒分枝之間 , 并生長(zhǎng)成樹枝狀晶粒 , 滲碳體又在奧氏體晶粒分枝之間生長(zhǎng)。 不光是激光重熔對(duì)影響了熱影響的組織形貌，因?yàn)檫^(guò)渡區(qū)位于熔池區(qū)的最底部 , 因此熱影響區(qū)所獲得的能量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熔池區(qū) , 這些能量使得熱影響去晶體的過(guò)冷度小于熔池區(qū)晶體的過(guò)冷度 , 這就造成了結(jié)晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中的不同變化。 圖 （ a）激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 1500w時(shí)的宏觀形貌 100 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) 25 圖 （ b）激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 2021w時(shí)的宏觀形貌 100 圖 （ c）激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 2500w時(shí)的宏觀形貌 100 通過(guò) 對(duì)圖 （ a），圖 （ b）和圖 （ c）三張圖的觀察與比較，我們可以上海工程技術(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) 26 發(fā)現(xiàn)，在 珠光體基地球墨鑄鐵的樣品中， 在 光斑直徑為 5mm，掃描速度為 6mm/s，離焦量 55mm，功率分別為 、 2KW 和 的情況下，功率越高，重熔層的深度越深。涂層斷裂韌性 KIC(MPa單道涂層的開裂敏感性是通過(guò)維氏壓痕斷裂韌性來(lái)評(píng)估的。點(diǎn)擊 start 按鈕，顯微硬度計(jì)會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓頭，并加載 15秒。儀器還具有對(duì)測(cè)量位置的斷電記憶功能和記時(shí)裝置。其原理是：在維氏顯微硬度試驗(yàn)機(jī)上，在適當(dāng)?shù)撵o載荷和加載時(shí)間下，用 Vicker 壓頭，在預(yù)先經(jīng)過(guò)拋光的金屬材料試樣表面上壓出壓痕。在硬度試驗(yàn)過(guò)程中，為了避免硬度測(cè)試區(qū)域相互影響，交錯(cuò)一定距離測(cè)試顯微硬度。 VHX600K 型超景深三維數(shù)碼顯微分析系統(tǒng)，集體視顯微鏡、工具顯微鏡和金相顯微鏡于一體，可以觀察光學(xué)顯微鏡由于景深不夠而不能看到的顯微世界。 化學(xué)腐蝕的方法是顯示金相組織最常用的方法。電解腐蝕上海工程技術(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) 21 所用設(shè)備與電解拋光相同，但工作電壓和工作電流比電解拋光時(shí)小。由于晶界上原子排列不規(guī)則，具有較高自由能，所以晶界易受腐蝕而呈凹溝，使組織顯示出來(lái)，在顯微鏡下可以看到多邊形的晶粒。 盡管對(duì)于磨光及粗拋已經(jīng)有了比較成熟的原則，但是對(duì)于精拋，還要求操作者有較高的技巧。目前，人造金剛石磨料已逐漸取代了氧化鋁等磨料，因其具有以下優(yōu)點(diǎn)：（ a）與氧化鋁等相比，粒度小得多的金剛石磨粒，拋光速率要大得多，例如 48μ m金剛石磨粒的拋光速率與 1020μ m 氧化鋁或碳化硅的拋光速率相近；（ b）表面變形層較淺；（ c）拋光質(zhì)量最好。解決這個(gè)矛盾的最好辦法是把拋光分為兩個(gè)階段來(lái)進(jìn)行。拋光與磨光的機(jī)制基本相同，即嵌在拋光織物纖維上的每顆磨?？梢钥闯墒且话雅俚?，根據(jù)它的取向，有的可以切除金屬，有的則只能使表面產(chǎn)生劃痕。 轉(zhuǎn)盤式金相預(yù)磨機(jī)，使用時(shí)用 水作潤(rùn)滑劑和冷卻劑，在預(yù)磨機(jī)上先后用 150 號(hào)砂紙進(jìn)行磨光，磨光時(shí)打開水管冷卻，水流不宜過(guò)大，而樣品摩擦方向不變直至劃痕為均勻統(tǒng)一方向，然后變換方向 90176。這樣在整個(gè)磨光操作過(guò)程中，磨粒的尖銳棱角始終與試樣的表面接觸，保持其良好的磨削作用。通常水砂紙為 SiC 磨料不溶于水，金相砂紙的磨料有人造剛玉、碳化硅、氧化鐵等，性 均極硬，呈多邊棱角，具有良好的切削性能，精磨時(shí)可用水作潤(rùn)滑劑進(jìn)行手工濕磨或機(jī)械濕磨，通常使用粒度為150、 600、 800、 1000、 1200 水砂紙進(jìn)行磨光后即可進(jìn)行拋光，對(duì)于較軟金屬，應(yīng)用更細(xì)的金相砂紙磨光后再拋光。最后一道磨光工序產(chǎn)生的變形層深度應(yīng)非常淺，保證能在下一道拋光工序中除去。 拋光 （ 1）粗磨 。對(duì)溫度及壓力極敏感的材料(如淬火馬氏體與易發(fā)生塑性變形的軟金屬 )，以及微裂紋的試樣，應(yīng)采用冷鑲、洗滌后可在室溫下固化，將不會(huì)引起試樣組織的變化。膠木粉不透明，有各種顏色，而且比較硬，試樣不易倒角，但抗強(qiáng)酸強(qiáng)堿的耐腐蝕性能比較差。鑲嵌分冷鑲嵌和熱鑲嵌二種。這些混合氣體位于諧振器的兩個(gè)反射鏡之間，那里的氣壓低于正常大氣壓（ 100～ 250hPa）。當(dāng)今的氣體激光器由于放電方向、氣體流動(dòng)方向和光軸方向的相互位置不同，又分為橫流 CO2激光器和軸流 CO2激光器。為了保護(hù)熔池不發(fā)生氧化，從側(cè)面向熔池內(nèi)通入惰性 氣體氬氣。 脈沖電源的一極接工件，另一極接電極絲 。導(dǎo)致粒子間發(fā)生無(wú)數(shù)次碰撞，形成一個(gè)等離子區(qū)，并很快升高到 800012021℃的高溫，在兩導(dǎo)體表面瞬間熔化一些材料，同時(shí)，由于電極和電解液的汽化，形成一個(gè)氣泡，并且它的壓力規(guī)則上升直到非常高。 電火花線切割機(jī) （ Wire cut Electrical Discharge Machining 簡(jiǎn)稱 WEDM），屬電加工范疇，是由前蘇聯(lián)拉扎 林科 夫婦開創(chuàng)和發(fā)明了 電火花加工 方法。例如白口鑄鐵具有較高的硬度和耐磨性，但由于它的脆性大，使其在應(yīng)用上具有極大的限制 ,而球墨鑄鐵具有足夠的韌度、良好的鑄造成型性，再經(jīng)過(guò)激光重熔后又能獲得高硬度與高耐磨性的表層，這一技術(shù)大大拓寬了球墨鑄鐵鑄件的應(yīng)用領(lǐng)域。由于激光加熱速度快 ,有時(shí)甚至超過(guò)材料的導(dǎo)熱速度 ,同時(shí)激光加熱區(qū)域一般很小 ,因此激光重熔或淬火具有快速加熱和快速冷卻的特性 ,導(dǎo)致材料相變具有顯著的不均勻 性 ,將影響球墨鑄鐵激光表面處理后的性能。利用大功率脈沖激光器對(duì)鑄鐵進(jìn)行表面重熔 ,以及對(duì)多 道掃描產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變異的機(jī)理的討論也已見報(bào)道。合金鑄鐵由于它們的可鑄造性能 , 以及它們的良好的可加工性 ,被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。 球墨鑄鐵表面激光重熔 用激光表面加工的手段進(jìn)行材料表面改性 ,諸如激光表面重熔 , 合金化 ,涂覆 ,陶瓷化等等 ,都是通過(guò)控制近表層的化學(xué)組分和顯微結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到的。 激光重熔過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布決定了重熔層的情況，因此，為了獲得激光工藝參數(shù)對(duì)重熔層的性能的影響關(guān)系，必須研究工藝參數(shù)對(duì)噴射電鍍重熔層的溫度場(chǎng)分布規(guī)律的影響。 (3)在相同光斑尺寸的情況下，工件表面處于焦點(diǎn)內(nèi)側(cè)或焦點(diǎn)外側(cè)對(duì)重熔質(zhì)量 也有影響。當(dāng)其它條件一定時(shí)，激光功率越大，所獲得的激光重熔層就越深，或者在要求一定深度的情況下可獲得面積較大的重熔層。但如果因激光工藝參數(shù)不當(dāng)造成表面形貌嚴(yán)重?fù)p壞 ,并需要進(jìn)行后續(xù)的磨光處理 ,則失去了激光重熔處理的意義。同時(shí) ,為了獲得最佳的表面形貌 ,應(yīng)采用較低的掃描速度。熔體內(nèi)部壓 力的變化需要相應(yīng)的補(bǔ)償 ,它由熔池表面的彎曲來(lái)完成的 ,從而影響了表面的形貌。而不能發(fā)生固態(tài)相變的合金如鎳基合金、奧氏體不銹鋼等材料的熔化組織則只有一層熔化區(qū)。 （ 3）其熔化層較薄 ,熱作用區(qū)小 ,對(duì)表面粗糙度和工件尺寸影響不大 ,有時(shí)可以不需要后續(xù)的磨光而直接使用。 激光重熔的特點(diǎn) 作為激光表面改性的重要技術(shù)之一 ,激光重熔技術(shù)引起了學(xué)者們的極大關(guān)注。目前已有不少研究者開展了這方面的研究。 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) 13 （ 1） 合理設(shè)計(jì)涂層材料，優(yōu)化工藝。 激光表明改性方法很多，參照 的分類方法，將金屬表面的激光改性方法進(jìn)行分類，如圖 所示。當(dāng)高能量密度的激光作用在金屬表面時(shí) ,金屬表層和所吸收的激光進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換 ,由于光子穿透金屬的能力較弱 ,只能使金屬表面較小范圍內(nèi)的溫度在微秒、甚至納秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)達(dá)到材料的相變或熔化溫度。 目前添加的納米顆粒主要是納米碳化物、納米氮化物、納米氧化物、納米金屬、納米合金等。由于只在基體表面熔覆很薄的一層涂層，就能達(dá)到在低成本鋼板上制成高 性能表面的目的，從而代替了用貴重、稀有金屬材料制作的高級(jí)合金，降低了能源和資源消耗。 （ 3） 激光表面淬火 表面淬火的方法有很多，一般是高頻感應(yīng)加熱淬火和火焰加熱淬火、激光加熱淬火。該技術(shù)可以在剛、鑄鐵模具和零件表面形成較硬的耐磨涂層。同時(shí)，屈服強(qiáng)度提高，延伸率下降，對(duì)應(yīng)力集中的敏感度明顯增加，表現(xiàn)為屈服以后變形量很小即斷裂。球鐵的氧化速率 最小，但因其導(dǎo)熱性較差，鑄件不能快速凝固，從而降低了生產(chǎn)率。提高硅含量或鋁含量可改善球墨鑄鐵的抗氧化性及耐熱性。鐵素體球墨鑄鐵的高溫抗生長(zhǎng)性優(yōu)于珠光體球墨鑄鐵， 450℃以下時(shí)球墨鑄鐵中珠光體穩(wěn)定存在，超過(guò)此溫度時(shí)珠光體粒狀化，溫度繼續(xù)升高，石墨化引起體積膨脹。球狀鑄鐵與灰鑄鐵相比，具有較高的強(qiáng)度和韌性，因其自身石墨球的潤(rùn)滑作用，經(jīng)常代替鋼應(yīng)用在較高要求的場(chǎng)合，如 內(nèi)燃機(jī)曲軸、缸套、活塞等。小功率內(nèi)燃機(jī)曲軸、齒輪等，該種曲軸的耐磨性、承過(guò)載荷性能等均優(yōu)于 45 號(hào)正火鍛鋼制造的曲 軸；空壓機(jī)等用球墨鑄鐵代替鋁合金，使用壽命基本相同，價(jià)格卻下降很多，存在很明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 鑄態(tài)鐵素體低碳球墨鑄鐵的研究 表 球墨鑄鐵與其他鋼鐵材料機(jī)械性能的對(duì)比 抗 拉強(qiáng)度 （ MPa） 屈服強(qiáng)度 （ MPa） 抗壓強(qiáng)度 （ MPa） 彎曲疲勞強(qiáng)度（ MPa） 彎曲沖擊值（ MPa） 延伸率 （ %） 硬度 （ HB） 鑄態(tài)球鐵 5001600 400600 8501250 250300 35 16 220280 退火球鐵 400550 350450 150200 55 824 140