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什么是激光表面合金化技术?


什么是激光表面合金化技术?
1.概述

激光表面会自化,是激光束与材料表面互相作用,使材料表面发生物理冶金和化学变化,达到表面强化的方法。该技术的特点是:一能在材料表面进行各种合金元素的合金化,改善材料表面的性能;二能在零件需要强化部部位进行局部处理。所以对节能、节材,提高产品零件的使用寿命具有重大的意义。

近一二十年来,许多国家和地区投入了大量的人力与物力进行了此项目的研究。在基材方面,除研究了多种黑色金属外,还研究了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。研究重点有如下四个方面。

1)工艺研究。包括工艺方法、合金元素和工艺参数(激光光斑形状与尺寸、功率、扫描速度)的选配等研究工作。

2)理论分析。激光表面合金化的传热、传热数学模型计算。

3)合会层的组织与性能研究。重点侧重于耐磨性循研究。有的也进行了耐腐蚀及抗氧化的研究。

4)应用研究。如在排气阀门、阀座、高速钢刀具及汽车活塞等零件上的应用。

2.激光表面合金化的强化机制

1.合金层硬度

以WC/Co为添加粉末合金化后,主要获得M6C型碳化物,硬度约为1300HV,由于碳化物量很流,呈细网格分布,基体又为马氏体组织,所以表面硬度达1000HV以上。
Cr3C2合金化以后,组织特征为基体上分布分布着网状碳化物,析出的碳化物为M7C3型,这种碳化物硬度高达2100HV,由于合金碳化物在基体中分布较稀。故表层硬度也只有1000HV左右。

在WC/Co中加入Ni粉以后,合金层中碳化物类型并不发生变化,但基体中出现奥氏体。Ni的加入量越多,奥氏体量越高。硬度也随着下降。激光表面合金化,可以根据合金化成分构控制,得到高硬度的合金层。

2. 激光表商合金化的磨损性能

静载滑动磨损时,在单束斑扫描条件下,以WC/Co合金化时的耐磨性比45钢(淬火态),提高17倍以上,比Cr3C2/Ni-Cr提高12倍。宽带扫描时,用WC/Co合金化后,耐磨性提高28倍。

在冲击磨损条件下,合金化后材料的耐磨性也有很大的提高。WC/Co合金层的耐磨性相当于45钢(淬火态)的6倍。在C/Co中加入Ti20%(质量分数,下同)和TiC30%后,耐磨性也分别提高3仿与5倍。

激光表面合金化的强化机制,是相变硬化、固溶强化和碳化物强化的综合强化结果。WC/Co合金化后基体为马氏体,M6C型碳化物的硬度为1300HV左右,在磨损时,将首先选择性磨损马氏体基体,碳化物渐渐露出磨面,由于碳化物网的支撑作用,所以合金化展表现出极高的耐磨性。

在Cr3C2/Ni-Cr的合金化层中,基材含有较多奥氏体;硬度较低(600~800HV)。在磨损时,基体磨损很快,但一显露出网状碳化物后,因其碳化物M7C3硬度很高(2100HV),就起了很好的支撑作用。呈现了较好的耐磨性。

激光表面合金化的强化,应是相变硬化、固溶强化和碳化物第二相强化的综合效果。而合金层能获得超出基体材料的硬度及大幅度提高耐磨性,主要是碳化物第二相强化的结果,所以在以耐磨性为目的的合金化研究中、碳化物第二相强化是最主要的强化机制。

3.激光表面合金化的应用

北京机床研究所张魁武等人,用复合合金粉末激光合金化处理的45钢基无心磨床托板,在生产车间使用,比原来CrWMn钢淬火的托板寿命提高3~4倍。

重庆大学、北京工业大学等单位采用激光表面合金化工艺,用于电地冲棒、无缝钢管穿孔顶头及泥浆泵叶轮等零件的处理,都取得了很好的效果。北京机电研究所曾对拖拉机换向拨叉、螺母攻丝机料道、轴承扩孔模、冲材模、电厂排粉机叶片及铝活塞等零件上的应用研究,都取得了很好的效果。拨叉,料道使用寿命提高10倍以上。冲材模、排粉机叶片使用寿命提高2~3倍。激光表面合金化用于铝活塞环槽强化,经装车试验,运行14.2万km以后拆检结果,头道环槽的侧隙仅为0.11mm,如果减去0.04~0.05mm的原始侧隙,则环槽最大磨损量仅有0.07mm。所以激光表面合金化用于铝合金的强化是十分有效的。

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