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什么是激光表面合金化技術?


什么是激光表面合金化技術?
1.概述

激光表面會自化,是激光束與材料表面互相作用,使材料表面發生物理冶金和化學變化,達到表面強化的方法。該技術的特點是:一能在材料表面進行各種合金元素的合金化,改善材料表面的性能;二能在零件需要強化部部位進行局部處理。所以對節能、節材,提高產品零件的使用壽命具有重大的意義。

近一二十年來,許多國家和地區投入了大量的人力與物力進行了此項目的研究。在基材方面,除研究了多種黑色金屬外,還研究了Al合金、Ti合金、Cu合金、Ni基合金等。添加的合金元素有Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B等。研究重點有如下四個方面。

1)工藝研究。包括工藝方法、合金元素和工藝參數(激光光斑形狀與尺寸、功率、掃描速度)的選配等研究工作。

2)理論分析。激光表面合金化的傳熱、傳熱數學模型計算。

3)合會層的組織與性能研究。重點側重于耐磨性循研究。有的也進行了耐腐蝕及抗氧化的研究。

4)應用研究。如在排氣閥門、閥座、高速鋼刀具及汽車活塞等零件上的應用。

2.激光表面合金化的強化機制

1.合金層硬度

以WC/Co為添加粉末合金化后,主要獲得M6C型碳化物,硬度約為1300HV,由于碳化物量很流,呈細網格分布,基體又為馬氏體組織,所以表面硬度達1000HV以上。
Cr3C2合金化以后,組織特征為基體上分布分布著網狀碳化物,析出的碳化物為M7C3型,這種碳化物硬度高達2100HV,由于合金碳化物在基體中分布較稀。故表層硬度也只有1000HV左右。

在WC/Co中加入Ni粉以后,合金層中碳化物類型并不發生變化,但基體中出現奧氏體。Ni的加入量越多,奧氏體量越高。硬度也隨著下降。激光表面合金化,可以根據合金化成分構控制,得到高硬度的合金層。

2. 激光表商合金化的磨損性能

靜載滑動磨損時,在單束斑掃描條件下,以WC/Co合金化時的耐磨性比45鋼(淬火態),提高17倍以上,比Cr3C2/Ni-Cr提高12倍。寬帶掃描時,用WC/Co合金化后,耐磨性提高28倍。

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。WC/Co合金層的耐磨性相當于45鋼(淬火態)的6倍。在C/Co中加入Ti20%(質量分數,下同)和TiC30%后,耐磨性也分別提高3仿與5倍。

激光表面合金化的強化機制,是相變硬化、固溶強化和碳化物強化的綜合強化結果。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,將首先選擇性磨損馬氏體基體,碳化物漸漸露出磨面,由于碳化物網的支撐作用,所以合金化展表現出極高的耐磨性。

在Cr3C2/Ni-Cr的合金化層中,基材含有較多奧氏體;硬度較低(600~800HV)。在磨損時,基體磨損很快,但一顯露出網狀碳化物后,因其碳化物M7C3硬度很高(2100HV),就起了很好的支撐作用。呈現了較好的耐磨性。

激光表面合金化的強化,應是相變硬化、固溶強化和碳化物第二相強化的綜合效果。而合金層能獲得超出基體材料的硬度及大幅度提高耐磨性,主要是碳化物第二相強化的結果,所以在以耐磨性為目的的合金化研究中、碳化物第二相強化是最主要的強化機制。

3.激光表面合金化的應用

北京機床研究所張魁武等人,用復合合金粉末激光合金化處理的45鋼基無心磨床托板,在生產車間使用,比原來CrWMn鋼淬火的托板壽命提高3~4倍。

重慶大學、北京工業大學等單位采用激光表面合金化工藝,用于電地沖棒、無縫鋼管穿孔頂頭及泥漿泵葉輪等零件的處理,都取得了很好的效果。北京機電研究所曾對拖拉機換向撥叉、螺母攻絲機料道、軸承擴孔模、沖材模、電廠排粉機葉片及鋁活塞等零件上的應用研究,都取得了很好的效果。撥叉,料道使用壽命提高10倍以上。沖材模、排粉機葉片使用壽命提高2~3倍。激光表面合金化用于鋁活塞環槽強化,經裝車試驗,運行14.2萬km以后拆檢結果,頭道環槽的側隙僅為0.11mm,如果減去0.04~0.05mm的原始側隙,則環槽最大磨損量僅有0.07mm。所以激光表面合金化用于鋁合金的強化是十分有效的。

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