鋼鐵表面引入超細(xì)陶瓷顆粒的激光合金化技術(shù).pdf

1、金屬材料的表面在外界環(huán)境的作用下亦易發(fā)生各類磨損、腐蝕、氧化和疲勞等破壞，這方面造成的損失是十分巨大的。此外，許多零部件要求的表面性能與心部性能之間存在著一定的矛盾，整體處理時往往兩者不能兼顧。因此，金屬材料的表面強化技術(shù)受到了人們的高度重視。而激光表面合金化技術(shù)作為表面強化的重要手段之一，具有極大的研究價值和應(yīng)用前景。
　　 本研究采用Nd：YAG和CW CO2 兩種激光器，以球墨鑄鐵、9CrSi和45#鋼作為基材，制備溶膠涂

2、料進(jìn)行合金化實驗。研究激光合金化合適的工藝參數(shù)和影響因素，并自主研制開發(fā)激光合金化涂料，以期達(dá)到理想的強化效果。對激光合金化試樣進(jìn)行SEM、EDX、XRD、TEM、硬度和摩擦磨損性能檢測，對強化的原理和機制作以討論。掃描電鏡分析表明，激光合金化層可分為合金化區(qū)和熱影響區(qū)兩部分。合金化區(qū)因為溫度梯度的原因由胞狀晶、樹枝胞狀晶和樹枝晶組成，跟據(jù)基材的不同三者的含量各不一樣，主要包含殘余奧氏體、萊氏體和馬氏體。熱影響區(qū)主要由殘余奧氏體和馬氏體

3、組成。激光種類和工藝參數(shù)都會對組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。由于金屬對Nd：YAG 激光高的吸收率，其合金化過程中熔池溫度高，冷卻速度大，晶粒細(xì)小且萊氏體產(chǎn)生較少。掃描速度的提高也會導(dǎo)致相同效果，但由于功率低的原因得到的合金化層較薄。涂料中陶瓷硬質(zhì)相的提高會導(dǎo)致合金化層中陶瓷硬質(zhì)相的增多，當(dāng)其含量為30%接近飽和狀態(tài)，提升幅度降低。涂料中的Si 元素可以起到阻礙殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的作用。通過對合金化試樣進(jìn)行硬度檢測，發(fā)現(xiàn)合金化層硬度得到顯著提高，表層可

4、以達(dá)到1000HV以上。在一定范圍內(nèi)降低激光功率或者提高激光掃描速度可以獲得較高的表層硬度，但會降低硬化層深。涂料中新型碳化物和Si 元素的添加有利于硬度的提高。合金化層硬度強化的原因有陶瓷硬質(zhì)相的引入、一些硬質(zhì)碳化物的析出、馬氏體相變和組織結(jié)構(gòu)的細(xì)化。激光合金化后基體的耐磨性提高了十倍以上。工藝參數(shù)對合金化層摩擦磨損性能的影響同其對硬度分布的影響類似。新型碳化物的加入對摩擦磨損性能強化也有作用，隨著新型碳化物含量的增加，合金化層摩擦系

5、數(shù)減小。但新型碳化物含量變化對耐磨性影響不大。摩擦磨損性能的強化原因主要有陶瓷硬質(zhì)相的高硬度和潤滑作用、固溶強化和馬氏體相變。由于低的導(dǎo)熱系數(shù)，球墨鑄鐵表面合金化層極易出現(xiàn)裂紋。通過增大激光功率可以減少裂紋的數(shù)量，而激光掃描速度的增加則會導(dǎo)致更大的溫度梯度從而增大開裂趨勢。由于Si 元素凈化熔池的作用，17.5%的Si含量可以將裂紋數(shù)量減少2/3。通過對基體進(jìn)行預(yù)先熱處理可以達(dá)到減少裂紋的目的。9CrSi和45#鋼合金化表面幾乎無裂紋出