鐵基粉末冶金材料的激光表面強化問題分析
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論文導(dǎo)讀：激光熱處理工藝參數(shù)主要是指激光器輸出功率P，光斑直徑d（兩者決定了功率密度）和掃描速度V（決定了激光與工件的作用時間），它們直接影響硬化層的寬度、深度、硬度、組織以及機械性能。試驗研究表明，如果不對激光淬火提出過高的要求，利用連續(xù)輸出功率在千瓦級的二氧化碳激光設(shè)備，對鐵基材料表面進行熱處理并不困難。
關(guān)鍵詞：鐵基，粉末冶金，激光，表面強化
1.激光表面強化工藝參數(shù)的確定
激光熱處理工藝參數(shù)主要是指激光器輸出功率P，光斑直徑d（兩者決定了功率密度）和掃描速度V（決定了激光與工件的作用時間），它們直接影響硬化層的寬度、深度、硬度、組織以及機械性能。
1.1激光功率
當光斑直徑和掃描速度一定時，工件表面的最大加熱時間是恒定的。隨著激光器輸出功率的增加，硬化層寬度和深度增加。這是因為當激光器輸出功率增大時，光斑的平均功率密度增加，金屬表面吸收的能量增加，使得表面溫度進一步提高，經(jīng)過金屬基體的快速熱傳遞，金屬表面下處于相變溫度Ac1 以上的區(qū)域亦增大，從而導(dǎo)致硬化層深度和寬度增加。
1.2掃描速度
掃描速度是工件與激光束相對運動速度，它反映了金屬表面被加熱的時間。當其它條件一定時，隨著掃描速度的增大，硬化層深度和寬度減小。這是因為掃描速度高，加熱時間減小，金屬表面層吸收的能量降低，導(dǎo)致硬化層深度和寬度減小。
降低掃描速度，以延長加熱時間可使硬化層深度和硬度提高。試驗結(jié)果表明：如果激光器輸出功率不足，即使延長加熱時間，金屬硬化效果也并不好，反而加寬了熱影響區(qū)。
若掃描速度太慢，使得熱量向光束移動方向的反向傳導(dǎo)，致使冷卻速度太慢，使表面出現(xiàn)熔融和回火現(xiàn)象，使硬度降低；若掃描速度太快，由于照射時間太短，輸入的能量不足，使得照射區(qū)內(nèi)溫度達不到完全淬火溫度，從而使得表面硬度降低。
激光輸出功率和掃描速度對硬化層深度的影響幾乎為線性關(guān)系。隨著激光輸出功率的增大和掃描速度的降低，硬化層深度增加。激光功率增加意味著單位時間內(nèi)的能量增加，則試件吸收的總能量增加，在試件內(nèi)溫度場中超過臨界轉(zhuǎn)變溫度的范圍擴大，即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的區(qū)域增加，故硬化層的深度增加。掃描速度的降低，意味著熱作用時間的延長。在其它條件不變時，總能量也是增加的，因此降低激光掃描速度和增加激光輸出功率效果是一致的。綜上所述，激光相變硬化層的深度取決于激光加熱時的溫度場。而材料達到給定溫度的深度主要依賴于能量密度。激光相變硬化層層深與激光能量密度之間存在良好的線性關(guān)系。
還可知激光功率和掃描速度不同，顯微硬度的分布也不同。激光功率為3200W，掃描速度為8mm/s 時的表面硬度最高，約828HV。隨著激光功率增加和掃描速度降低，材料的表面加熱溫度提高，在激光的快速加熱和隨后的快速冷卻過程中，奧氏體晶粒得到了進一步的細化，馬氏體中的固溶含碳量和合金元素含量增加，碳和合金元素的大量溶入也造成了靜畸變強化，從而增大了表面顯微硬度。激光輸出功率過高或掃描速度過低時，樣品中的蓄熱量增大，造成冷卻速度緩慢，無法達到自激淬火的臨界冷卻速度，淬不成馬氏體，使硬度值降低。
試驗研究表明，如果不對激光淬火提出過高的要求，利用連續(xù)輸出功率在千瓦級的二氧化碳激光設(shè)備，對鐵基材料表面進行熱處理并不困難。然而不同激光設(shè)備之間的工藝移植并非易事。工業(yè)生產(chǎn)中，維護激光處理工藝的可重復(fù)性是保證產(chǎn)品質(zhì)量的需要。但是，激光淬火同其他傳統(tǒng)的熱處理相比，它具有可以精確控制熱處理區(qū)域及工件變形小等一系列優(yōu)點。只要能夠較好的控制激光淬火工藝過程，原則上可以使用價格便宜、易于加工的材料制造工件的基體，在工件的關(guān)鍵部位用激光進行處理，便能顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量，簡化工件的生產(chǎn)工藝，降低工件的生產(chǎn)成本，增強激光淬火對其它傳統(tǒng)熱處理工藝的競爭能力。
2.激光表面淬火鐵基粉末冶金材料的硬度分布
各種成分的鐵基粉末冶金材料經(jīng)過寬帶激光表面淬火后顯微硬度有了顯著的提高。鐵基粉末冶金材料的顯微硬度從淬火前到淬火后提高近3倍，合金元素Cr含量的增加使得硬化層深度略有增加，因為Cr 能提高鋼的淬透性。從表層到心部，隨著與表面距離的增加，顯微硬度也呈現(xiàn)出層狀分布并呈逐漸降低趨勢直至基體。在此我們還可大概將其分為三層：第一層為完全淬硬層，顯微硬度約為HV0.3623-669，厚度約為1.0-1.2mm。在這一層中顯微硬度變化幅度不大，基本上曲線比較平坦，這同其他淬火方式相同，所不同的是激光淬火最高顯微硬度一般在次表層；第二層為過渡區(qū)，厚度約為0.3mm，顯微硬度約為HV0.3400-650；第三層為基體，顯微硬度約為HV0.3250-320。
3.激光淬火表面強化的機理
激光表面處理具有加熱速度快、熱效率高，加熱范圍及熱變形小的特點，不致引起開裂缺陷。寬帶激光束與聚集光束比較，具有一次掃描處理區(qū)域大、硬化層更為均勻的優(yōu)點，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。論文發(fā)表。
激光硬化時，激光與材料的相互作用可根據(jù)激光輻照作用的強度和持續(xù)時間分為幾個階段：把激光輻照引向材料；吸收激光能量并把光能傳給材料；光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮�，加熱材料達到快速加熱、快速冷卻、熔化材料的目的，并且不引起材料表面的破壞；材料在激光輻照后的相變或融化凝固或沖擊產(chǎn)生晶格畸變及位錯，最終達到硬化效果。論文發(fā)表。
從物理冶金角度，激光相變硬化與常規(guī)熱處理并無兩樣，只不過是前者為局部的急熱急冷過程。由于加熱時間短，加熱溫度高，當激光束被切斷或移開后，材料表面冷速很快，熱影響區(qū)域小，硬化層較淺，一般只有0.3-2.0mm。這對于要求變形小，形狀復(fù)雜和要求局部處理的零件來說較為合適。由于加熱速度快，加熱時間短，因此其相變硬化也具有自己的特點：激光熱處理加熱速度比其他淬火方法更快，使材料表面迅速達到奧氏體化溫度，使得擴散均勻化來不及進行，原有材料中珠光體組織通過無擴散轉(zhuǎn)化為奧氏體組織。在隨后通過自身熱傳遞而快速冷卻，奧氏體組織通過無擴散過程轉(zhuǎn)化為馬氏體。由于是快速冷卻，使Ms 線升高，使得我們試驗中得到的馬氏體組織含量較常規(guī)熱處理的多，不同的微觀區(qū)域內(nèi)馬氏體形成溫度有很大的差異，這也導(dǎo)致了細小馬氏體組織的形成，同時組織細化，這是由于激光超快速加熱條件下，過熱度大，造成相變驅(qū)動力大，奧氏體形核數(shù)目劇增，它既可以在原晶界和亞晶界上形核，也可以在相界面和其它晶體缺陷處成核。而在快速加熱的瞬間奧氏體化使晶粒來不及長大。在馬氏體轉(zhuǎn)變時，必然轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉鸟R氏體組織。論文發(fā)表。研究表明，激光相變硬化處理后可獲得直徑為2μm 的超細晶粒。激光處理加熱速度快，易使金屬表面過熱，隨后冷速亦快，殘留奧氏體量增加，碳來不及擴散，使得奧氏體中碳量增加，隨著奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，得到高碳馬氏體，提高了硬度。而激光處理后的馬氏體組織為板條馬氏體和孿晶馬氏體組織，其中位錯密度極高，可達1011-1012條/cm2，比常規(guī)淬火提高至少兩個數(shù)量級，并且殘余奧氏體中存在大量的位錯塞積群。馬氏體在高度受扼的狀態(tài)下形成，因此形成了本質(zhì)上是變形馬氏體的淬硬組織。因此，我們認為，晶粒超細化，高的馬氏體含量，馬氏體高位錯密度和高的固溶含碳量是材料經(jīng)激光熱處理后獲得超高表面硬度的主要原因。
參考文獻
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