毕业设计文献综述

辽宁工程技术大学

本科毕业设计（论文）文献综述

题 目 SiO2基淬火增吸收涂剂在65Mn钢 激光表面淬火中的应用效果 指 导 教 师 院（系、部） 材料科学与工程 专 业 班 级 学 号 姓 名 日 期

教务处印制

SiO2基淬火增吸收涂剂在65 Mn钢激光表面淬火中的应用效果研究

0 前言

随着科学技术的发展，材料和能源的节约日益变得重要起来。磨损是造成材料损耗的主要原因，因此人们越来越注意怎样才能提高构件的耐磨性问题。从对各类磨损过程分析来看，提高承受摩擦作用的构件表面的强度（或硬度）和韧性，可望能提高耐磨性[1]。与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光相变硬化具有其独特的热处理机制， 即加热速度快、能量集中、加热范围小、变形小、加热层深度和加热轨迹容易控制和易于实现自动化等特点[2]，不需要象感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈，对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的，因此在很多工业领域中正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。

本实验选用材料为工业中最普遍的65Mn钢，采用配制的SiO2基淬火增吸收涂剂，采用HL-1500型无氦横流CO2激光加工机进行激光相变硬化处理，通过对淬火后硬化层的组织与性能的表征，研究激光淬火功率对65Mn钢硬化层性能的影响规律，以及SiO2基淬火增吸收涂剂的应用效果，并用来指导日后的实际生产实践。

1 65Mn钢材料概述

65Mn钢化学成分（质量分数%）为：C0.62~0.70，Si0.17~0.37，Mn0.90~1.20，Cr≤0.25。65Mn钢热处理的Ac1为720℃，Ac3为740℃，Ms为270℃[3]。钢中锰提高淬透性，表面脱碳倾向比硅钢小，经热处理后的综合力学性能优于碳钢，但有过热敏感性和回火脆性。65Mn钢既作为弹簧钢被广泛使用，也作为高耐磨性零件，如磨床主轴、弹簧卡头、精密机床丝杆、切刀、螺旋辊子轴承上的套环、铁道钢轨等。65Mn钢也是比较传统的锯片用钢[4]，目前大部分的旋耕刀也均采用65Mn钢制造，但随现代化生产工艺对性能的要求日益提高，65Mn钢表面的硬度、耐磨性已无法满足其需求。

2 激光表面改性技术概述

2.1激光表面改性技术的含义及特点

激光是一种相位一致，波长一定，方向性极强的电磁波，激光束由一系列反射镜和透镜

来控制，可以聚焦成直径很小的光(直径只有0.1mm)，从而可以获得极高的功率密度(104~109W/cm2)。激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段：吸收光束、能量传递、金属组织的改变和激光作用的冷却等。它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。它属于表面工程领域中的表面改性技术，它的研究始于20世纪60年代第一台固体激光器—红宝石激光器的诞生，随着70年代大功率激光器出现[5]，以及激光束调制、瞄准等技术的发展，激光技术进入金属材料表面热处理和表面合金化技术领域，并在近几年得到迅速发展。目前激光表面改性技术已经广泛地应用于汽车机车机床及其配件、刀具、模具、轻工、农机、纺机、风机、军工等许多工业部门。

激光表面处理是采用大功率密度的激光束，以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，来实现其表面改性的工艺方法。与其它表面技术相比，激光表面工程带来了一些其它方法所不具备的可贵特点。

(1)可在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层。可大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳的能力以及制备特殊的耐腐蚀功能表层；

(2)强化层与零件本体形成最佳的冶金结合，解决许多传统表面强化技术难以解决的技术关键；

(3)由于高能量密度的激光作用，可实现工件快速加热到相变温度以上，并依靠零件本体热传导实现急冷，无须冷却介质，而冷却特性优异[6]。形成的表面强化层硬度比常规方法处理的高15%-20%左右，配合合金粉和特殊的工艺方法，可显著提高工件的综合性能；

(4)激光束能量密度高，但总的能量小，对非激光照射部位几乎没有影响，即热影响区小，工件热变形可由加工工艺控制到极小的程度，后续加工余量小。有些加工件经激光处理后，甚至可直接投入使用；

(5)由于是无接触加工，激光束的能量可连续调整，并且没有惯性。配合数控系统，可以实现柔性加工。可处理零件的特定部位及其它方法难以处理的部位，以及表面有一定高度差的零件，可进行灵活的局部强化[7]；

(6)无须真空条件，即使在进行特殊的合金化处理时，也只需吹保护性气体即可有效防止氧化及元素烧损；

(7)配有计算机控制的空间运动工作台的现代大功率激光器，特别适用于生产率很高的机械化、自动化生产；

(8)激光是一种清洁的绿色能源，不产生有害气体或物质，噪声很低，不辐射X光，热辐射也极少[8]，生产效率高，加工质量稳定可靠、成本低，经济效益和社会效益好。

(9)由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的安全，因此要致力于发展安全设施[9]。

2.2激光表面改性技术分类及应用

根据激光处理工艺特征的不同，激光表面改性技术可分为：激光表面淬火、激光表面熔凝、激光表面合金化、激光熔覆、激光非晶化、激光冲击硬化、激光化学热处理等。

2.2.1 激光表面淬火

激光淬火又称为激光相变硬化， 是指以高能密度的激光束照射工件表面，使其需要硬化部位瞬间吸收光能并立即转化为热能， 从而使激光作用区的温度急剧上升形成奥氏体， 经随后的快速冷却，获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层的一种热处理技术[10]。

激光淬火由于其独特优点而得到较为广泛的应用。发动机缸体表面淬火，可使缸体耐磨性提高3倍以上；热轧钢板剪切机刃口淬火与同等未处理的刃口相比寿命提高了一倍左右；而且激光表面淬火还应用在机床导轨淬火、齿轮齿面淬火、发动机曲轴的曲颈和凸轮部位局部淬火以及各种工具刃口激光淬火。青岛激光技工中心采用HJ-3kW级横流CO2激光器，对柴油机气缸孔进行表面淬火取代了硼缸套， 耐磨效果优良，配副性优良，经济效益显著[11]。

激光淬火也要遵循普通热处理同样规律，只不过激光对金属的加热是高速进行的，因此它具有超快加热相变特征，这一点非常重要。为了更好的揭示激光处理过程的机理，目前国内外学者研究的方向着眼于激光淬火过程各种参量之间关系的数学模型建立，对建立的温度场以及传热方程数学解都进行了一些研究，借此用以提高预测性能的能力。

2.2.2 激光表面熔凝

激光熔凝是秉承液体激冷后可以获得一些有益的组织和性能这一经验规律发展起来的。作为方便、易控及清洁的高能热源，激光高速扫描材料表面使表面熔化后自行快速冷却可以获得激冷组织，可以使表层获得细密的组织，改善材料表层的耐磨性和耐蚀性。这种方法只是单纯的将材料表面层用激光快速加热至熔化状态，不增加任何元素，然后自冷快速凝固，以改善表面的组织状态，改变表层性能。如铸铁零件，经激光熔凝后表面出现白口组织，硬度和耐磨性提高很大。激光熔凝技术可以处理的材料种类众多，除了普通的铁基类材料之外，还可以处理铝硅合金、镁合金等轻金属，可获得2mm以上的高性能熔凝层，易于实现局部处理。激光熔凝过程中形成一定大小的熔池，逐层分为液相区、浆糊区以及固相区[12]。

2.2.3 激光表面熔敷

激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却的一种表面强化方法。

进入20世纪80年代以来，激光熔敷技术得到了迅速的发展，目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。正是由于理论上的支持和实践的需要，激光熔敷技术在工业化上迈出了巨大的一步，其应用领域非常宽，它可以用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。在刀具、模具、阀体上熔敷陶瓷层已获得广泛的应用[13]。此外，对灰铸铁的汽车发动机排气阀进行加工Cr的激光合金化熔敷，合金层硬度可达60 HRC，节约成本80%，在Cu上熔敷Ag作为电接触材料也是激光熔敷的重要应用[14,15]。

2.2.4 激光表面合金化

激光表面合金化是在高能量激光束的照射下，使基体材料表面一薄层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，形成10~1000μm厚的表面熔化层，熔化层在凝固时获得的冷却速度可达105~108℃/s，相当于急冷淬火技术所能达到的冷却速度，又由于熔化层液体内存在着扩散作用和表面张力效应等物理现象，使材料表面仅在很短时间(50μs~2ms)内就形成了具有要求深度和化学成分的表面合金层[16]。

激光表面合金化层与基体之间为冶金结合，具有很强的结合力。激光表面合金化工艺的最大特点是仅在熔化区和很小的影响区内发生成分、组织和性能的变化，对基体的热效应可减少到最低限度，引起的变形也极小。它既可满足表面的使用需要，同时又不牺牲结构的整体特性。它的另一显著特点是所用的激光功率密度很高(约105W/cm2)。熔化深度由激光功率和照射时间来控制。在基体金属表面可形成0.01~2mm厚的合金层。由于冷却速度高，使偏析最小，并显著细化晶粒[17]。

2.2.5 激光冲击硬化

当短脉冲(几十纳秒)高峰值功率密度(>10W/cm2)的激光辐射金属靶材时，金属表面吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高温(>10000K)、高压(>1GPa)的等离子体，该等离子体受到约束层的约束时产生高强度压力冲击波，作用于金属表面并向内部传播。当冲击波的峰值压力超过被处理材料动态屈服强度时，材料表层就产生应变硬化，残留很大的压应力。这种新型的表面强化技术就是激光冲击处理，由于其强化原理类似喷丸，因此也称作激光喷丸[18]。

激光冲击处理具有应变影响层深，冲击区域和压力可控，对表面粗糙度影响小，易于自动化等特点。与喷丸相比，激光冲击处理获得的残余压应力层可达1mm，是喷丸的2~5倍。而挤压、撞击强化等强化技术只能对平面或规则回转面进行。另外，激光冲击处理能很好地保持强化位置的表面粗糙度和尺寸精度。

2.2.6 激光非晶化

激光非晶化[19]又称金属玻璃，从广义上讲，凡是以激光为手段而获得金属玻璃的方法，如激光气相沉积等均可称为激光非晶化。通常所讲的激光非晶化是指利用激光作用于材料，使材料表面薄层熔化，同时在固、液相间保持极高的温度梯度，从而满足形成非晶的极冷条件。

3 激光表面淬火

3.1 激光相变硬化机理

激光对金属的加热速度极快，奥氏体相变是在过热度大的高温区很短时间内完成的，这样相变形核的临界半径小，使得奥氏体形核数目多。同时，瞬时加热后的急冷使超细奥氏体晶粒来不及长大，使得残余奥氏体量增加，碳来不及扩散使残余奥氏体中碳量增加，随着奥氏体向马氏体的转变，得到高碳马氏体，从而提高了硬度[20]。

3.2 激光淬火工艺的特点

由于激光相变硬化加热及冷却速度都很快，所以使得激光相变硬化与常规热处理有许多不同之处。

激光淬火技术的优点：

(1)极快的加热和冷却速度。激光表面淬火时加热速度可达(104～106)℃/s，冷却速度可达(106～108)℃/s[21]。比感应加热的工艺周期短，通常只需要0.1s即可完成淬火过程，生产效率很高[22]。

(2)可实现自冷淬火。淬火变形小由于激光加热速度快，相变过程输入的热量少，热影响区小，因而可实现自冷淬火，淬火变形小，不需要水或油等淬火介质，既可降低消耗，又可避免环境污染。

(3)淬火后硬度高，耐磨性好。激光表面淬火后可获得极细小的马氏体和碳化物组织，其

硬度比常规淬火硬度高15％～30％。尤其对于铸铁件，耐磨性可提高3～4倍。

(4)淬火后表层产生很高的残余压应力，可大幅度提高零件的疲劳强度。

(5)易实现表面局部及特殊部位的淬火。激光表面淬火只发生在激光照射的部位，其他部位无须进行防护。激光束可聚焦到很细，特别适合小件的局部淬火和特殊部位的淬火，例如槽壁、小孔、深孔、腔体内壁等，只要能将激光照射到位即可[23]。

(6)淬火后表面质量高。只要工艺得当，激光淬火后表面几乎无氧化脱碳现象，表面粗糙度也几乎不变，可以作为工件加工的最后工序。

(7)工艺过程可实现计算机控制和生产自动化。 激光淬火技术的缺点：

尽管激光淬火是一种先进技术，具有许多优点，但也存在一些不利因素和一定的局限性。 设备较贵，一次投资大，对操作人员要求较高；淬火前表面要增加预处理工序；大面积淬火时，扫描带之间有软化带，硬度不连续；光电转换率还很低。硬化层深度比高频感应加热淬火浅。

3.3 激光淬火工艺参数及设备

激光相变硬化的工艺参数主要包括功率密度、扫描速度和离焦量（或光斑直径）以及表面涂黑状况等。

在确定工艺参数时，首先要分析被加工对象的材料特性、使用条件、服役工况。以明确技术条件、产品质量要求，从而决定淬硬层的深度、宽度、硬度，由此考虑选用宽带、窄带、多模、单模以及扫描形式等因素。

其次，根据工件的形状、特点，参考已做过的试验预定工艺参数范围，再以激光功率、扫描速度、离焦量为三个因子，各取三个水平，以正交分析法设计出三因子、三水平的试验表，根据试验结果进行对比、选出最佳工艺，通过验证后再行确定。

目前表面淬火常用的激光器主要有气体激光器（CO2激光器，波长10.6μm；准分子激光器，波长0.193～0.351μm）和固体激光器（红宝石，波长0.694μm；钕玻璃、YAG，波长1.06μm）两类。激光输出方式有连续和脉冲两种，CO2和YAG激光器多为连续输出，红宝石、钕玻璃、准分子激光器为脉冲输出[24]。连续输出的可控制参数为激光输出功率P、光斑直径D和扫描速度v，脉冲输出的可控制参数除前三者外还有输出的脉宽和频率。

3.4 国内外研究发展现状

从20世纪70年代中期起至今，激光表面淬火技术不仅在研究和开发方面迅速发展，在工业应用方面也取得了长足的进步，成为表面处理和表面工程中一个十分活跃的新兴领域

[25,26]

。激光表面淬火是激光表面改性技术中应用最早、也是应用最为成熟的一项技术。激光

淬火具有畸变小等独特优点，它已成功应用于铸铁、碳钢、合金钢、高速钢等钢材的热处理中[27,28]。广西工学院温宗胤、冯树强等人对CrMo铸铁汽车模具材料进行相变硬化处理，表明适当的工艺参数可使试样的表面硬度得到不同程度地提高，同时不但可以消除表面裂纹，还能显著地提高汽车模具的使用寿命[29]。国外学者Safonov.A.N[30]等通过对钢和铸铁进行激光相变硬化，分析总结认为，对于中低碳钢采用连续激光和非表面熔化可以取得最好的效果，而对于高碳高合金钢，必须严格控制激光表面热处理条件，才能确保高的显微硬度。另外，近十年来，随着计算机技术的快速发展，热处理的数学建模和计算机模拟已经取得了一系列巨大成就，为计算机模拟在材料加工中的应用奠定了坚实的基础[31]。上海工程技术大学朱祖昌、愈少罗等开发成功相当复杂的激光相变硬化模拟软件，模拟了激光束扫描过程中非稳态－准稳态－非稳态的变化[32]。

4 激光吸收涂料

4.1 激光吸收涂料概述

金属材料表面对激光辐照能量的吸收能力与激光的波长、材料的温度和性质及材料表面状态密切相关，激光波长越短，材料的吸光能力越高。随着温度的升高，材料的吸光能力也增加。导电性好的金属材料对激光的吸收能力都差。材料表面粗糙度越小对激光的反射率也越高，因而当激光波长确定后，金属材料对激光的吸收能力主要取决于其表面状态。一般说来，需激光硬化的金属材料表面都经过机械加工，表面粗糙度很小，其反射率可达80~90%，使大部分激光能量被反射掉，影响金属材料表面吸收光能的效率。为了提高金属表面对激光的吸收效率，在激光硬化前要进行表面预处理（通常称为黑化处理），即在需要激光硬化的金属表面涂上一层对激光有较高吸收能力的涂料或涂剂[33]。

激光吸光涂料的成分按其功能分主要有：基料(包括稀释剂与粘结剂)、骨料、增稠剂、助剂等。其中，基料主要起到稀释与粘结作用，骨料是吸光的主要成分；增稠剂可以调节涂料的喷涂工艺性能，其与基料相结合，能满足涂料表面成膜的要求，而不同的助剂有不同的

功能，在容易出现闪锈的水性涂料中，选用适当的助剂可以避免闪锈的产生，在不产生闪锈的涂料体系中，也可以选用适当的助剂，以改善涂料的吸光性能。

通常对这层涂料有下列要求：

(1)对激光有高的吸收率（一般应有85~90以上）。 (2)涂覆工艺简单，涂层要薄。

(3)涂层要有良好的热传导性能，与金属附着性好，在一定的温度下不分解、不蒸发。 (4)有良好的防锈作用，处理后容易清洗去除或不需清洗就能装配使用。 (5)涂层材料来源方便，价格便宜。 (6)易于工业化生产和使用。 (7)易于存放，无毒、无害。

4.2 提高吸光率的措施

提高吸光率主要采用下述方法[34~36]。

(1)通过磷化处理在工件表面形成一层磷酸盐（磷酸锰、磷酸锌等)，其中以磷酸锰最多，其吸收率可达80%，早期曾广泛使用。后来发现磷酸盐膜经激光处理后，在工件表面晶间出现微裂纹。磷酸锰膜经激光处理后生成的低熔点化合物，全沿铁基合金晶界深入几个晶粒深度。另外磷化表面经激光处理后，表面粗糙度增大。

(2)刷黑漆。近年来美国多用牌号Krylon1602的黑漆，其主要成份为石墨粉和硅酸钠或硅酸押，采用喷涂法。厚度10-20μm。

(3)涂石墨加氧化物，氧化锆涂层的吸收率可达84.3%-90.1%，而炭黑涂层的吸收率则为为68.8%。

(4)一种以Si02为骨料的Si02型可喷涂涂料。选用200-300目的精制硅石粉，除对激光有很高的吸收率以外，在激光照射下能形成液态，均匀覆盖于金属表面，冷却时结成固态薄膜，由于与金属的热胀系数的差异而能自行脱落，有利于使激光淬火前后金属表面粗糙度变化最小。在铸铁上测得粗糙度仅从0.18μm增至0.26μm。选定醇基酚醛树脂为黏结剂，乙醇为溶剂，并选用少量稀土金属氧化物为活性添加剂。在钢铁表面，稀土氧化物有活化石墨、增加碳在铁碳合金中熔解度的作用。混合稀土氧化物价格低廉，效果比氧化柿、氧化镧还要好。喷涂时层厚为50-75μm。近年来采用氧化钛作为主料制成的吸光涂料也获得较好的效果。

5总结

通过本研究配制的SiO2基激光淬火增吸收涂剂，在65Mn钢表面进行激光淬火。研究淬火后硬化层的组织以及力学性能，探索了SiO2基淬火增吸收涂剂在65Mn钢激光表面淬火中的应用效果，包括：预涂敷工艺性能、涂层与基体材料附着力以及激光处理后涂剂清除难易度等。对日后的实际生产实践起指导作用。

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