1、.上海工程技術大學畢業設計（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗 畢業設計（論文）課題名稱： 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗 學院： 材料工程學院 姓名： 范燁力 班級： 0516111 學號： 051611102 指導教師： 劉延輝 完成日期： 2015年6月10日 :目 錄 摘要 1ABSTRACT 1 緒論 2球墨鑄鐵 2.1球墨鑄鐵的性能與組織2.2球墨鑄鐵的發展 2.3球墨鑄鐵簡介 2.4球墨鑄鐵熱處理 2.5球墨鑄鐵性能 2.5.1耐熱性 2.5.2耐磨性能： 2.5.3凈荷載性能 2.5.4低溫性能 2.6球墨鑄鐵表面改性 2.6.1激光相變硬化 2.6.2 激光表面熔凝處理2.6

2、.3表面熱處理 2.6.4納米復合涂層處理3 激光熔覆技術 3.1 激光熔覆技術原理3.2 激光熔覆技術參數3.3激光熔覆的特征3.4激光熔覆的應用3.5激光熔覆的前景4激光重熔技術4.1激光表面技術4.2激光重熔技術及工藝特點4.3球墨鑄鐵表面激光重熔5 實驗的目的和意義6實驗材料及方法6.1實驗材料6.2實驗儀器6.3實驗過程6.3.1線切割6.3.2激光重熔6.3.3金相制備線切割封裝拋光腐蝕6.4顯微組織分析6.5顯微硬度測試7結果與分析7.1激光重熔顯微組織金相分析7.2硬度分析8總結8.1結論8.2展望參考文獻致謝附錄 摘 要

3、球墨鑄鐵是一種高強度鑄鐵材料，由于其應用廣泛的力學性能，成本低廉等優點，球墨鑄鐵已迅速發展為產量僅次于灰鑄鐵的鑄鐵材料。雖然球鐵鑄件已經在所有主要的工業部門中得到廣泛的應用，但是球墨鑄鐵的硬度較低 ,耐腐蝕性能亦較差等缺點，在很大程度上都限制了球墨鑄鐵的應用,而在大多數部門中都要求球墨鑄鐵鑄件要具有高強度、耐磨性、韌性、塑性、耐腐蝕、耐高溫或低溫和耐機械高強度沖擊等一系列苛刻的要求。而對球墨鑄鐵表面進行激光重熔工藝處理，可以有效提高球墨鑄鐵表面的硬度、耐腐蝕性和耐高溫性等，將大大擴展球墨鑄鐵鑄件的應用范圍，是一種有著廣大前景的工藝。本次實驗采用珠光體球墨鑄鐵，研究了不同功率下的激光重熔工藝對珠

4、光體球墨鑄鐵表面性能的影響；利用HX-600K型超景深三維數碼顯微分析儀，對樣品進行顯微組織分析，探討珠光體球墨鑄鐵涂層、熱影響區和基底的組織成分的改變及對性能的改善；利用HX-1000型顯微硬度計，測量激光重熔后珠光體球墨鑄鐵涂層、熱影響區及基底的硬度差距，探討激光重熔工藝對珠光體球墨鑄鐵表面硬度的改善。主要結論如下：（1）珠光體球墨鑄鐵涂層的硬度明顯增強，且激光重熔功率越高，硬度越大（2）（3）關鍵詞：表面改性，球墨鑄鐵，激光重熔球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗 051611102范燁力1緒論20世紀中葉，人們成功開發了球墨鑄鐵，由于球墨鑄鐵的強度和塑性與常規鋼材相當，具有良好的綜合力學性能，

5、而且生產工藝簡便、耐磨性能優良、成本低廉因而作為工程材料在車輛、交通、橋梁、機械等行業中得到了廣泛的應用,主要用于制備外形或內腔結構復雜，難于機械加工的工件，或大型零部件。相對于幾乎沒有塑韌性的灰鑄鐵，與鋼相當的塑韌性，使球墨鑄鐵具有強烈的市場競爭力和巨大的應用潛力。人們所謂的“以鐵代鋼”（鐵就是球墨鑄鐵，鋼代指炭素鋼）就是用球墨鑄鐵代替碳素鋼。人們常常通過表面工程技術對工件表面進行強化，以達到改善工件的表面性能，節約成本，延長使用壽命的目的。目前，常用的表面改性技術如堆焊、電鍍、化學鍍、熱噴涂和等離子噴涂等制備涂層工藝在工業中都得到了較多的應用。為了改善工件性能，同時又能節省昂貴材料的使用，

6、在工件表面制備涂層成為一種非常常用的方式。目前，堆焊、電鍍、化學鍍、熱噴涂和等離子噴焊等制備涂層工藝在工業中都得到了較多的應用。與上述表面強化技術相比，激光重熔也有許多的優點。相比于表面堆焊，激光重熔由于不需要將焊材轉變為高溫液態的形式，再將其遷移到電弧熔池中，因此對熔池的保護要求更低，速度也更快；相比電鍍或化學鍍，激光重熔技術更加環保，對環境污染極小，而且由于不需要進行防污染處理，還可降低成本；相比與熱噴涂、等離子體噴涂等噴涂技術，激光重熔技術在加工過程中大大降低了噪音污染，且制備出的涂層孔隙率低。除此之外，激光重熔技術還擁有工藝簡單，成本低廉，功率高，工件變形小等優點,因此激光重熔技術近年

7、來在材料表面改性技術方面得到廣泛應用。球墨鑄鐵表面激光重熔工藝就是利用激光熔池體積小，熔凝速度快和非接觸非真空加工的特點，在金屬材料表面通過激光輻射組裝冶金結合的強化涂層，使得球墨鑄鐵表面擁有硬度高、耐磨性好的表面強化層，以此提高材料的表面性能。本文就是主要研究球墨鑄鐵表面激光重熔工藝。1.1球墨鑄鐵鑄鐵中的碳元素主要以球狀石墨的形式存在的鑄鐵就稱為球墨鑄鐵。球墨鑄鐵在澆注前進行了球化處理,結晶后的石墨形態發生了顯著的變化,由一般灰鑄鐵的片狀變為了球狀,相比灰鑄鐵而言,其金相組織的最大差異在于石墨形狀的改善1。現代球墨鑄鐵是在鐵水加入一定量的球化劑和孕育劑并采用適當的球化孕育處理技術，使碳以球

8、狀石墨的方式形核長大，最終在鑄件中得到球狀石墨的鑄鐵。常用的球化劑有Mg、稀土或稀土鎂，常用的孕育劑是硅鐵和硅鈣合金。在經球化和孕育處理之后,其中的石墨呈球狀,使強度、塑性、韌性等機械性能得到有效的提高,使其綜合性能接近于鋼。表1.1所示為球墨鑄鐵的大致化學成分。球墨鑄鐵中的石墨呈球狀,使其避免了灰鑄鐵中的尖銳的石墨的存在,因此使石墨對金屬基體的切口作用大為減少,石墨的這種形態的改變,極大地減弱應力集中效應的同時,還使得金屬基體的作用得以充分發揮。這樣一來,球墨鑄鐵可以像鋼材一樣,通過熱處理和合金化等措施來進一步提高其使用性能。表1.1 球鐵化學成分表成分含量（%）C3.5-3.8Si2-3M

9、n0.5-0.7P0.08S0.021.1.1球墨鑄鐵的發展（1）國外發展概況 1935年,位于德國的阿漢鑄造研究所成功研制出了如何在低碳高硅的鑄鐵中獲得球狀石墨的方法2。Meehan在進行石墨片細化的研究中，取得了專利權，并得出結論，必須加入一定量的活性元素，才能使處理后的鑄鐵達到所要求的性能。1941年，Meehanite公司也發表了結論，可以采用將硅-鈣合金作為石墨化元素處理鐵液后,再采用蹄元素作反石墨化元素,以此來得到球狀石墨。1947年,英國的Morrgoh發現了鑄態下存在球狀石墨，并于1948年制得了球墨鑄鐵，他是方法是：通過在低磷、低硫、高碳的灰鑄鐵中加入Ce,并使其殘留量保持在

10、0.02%以上。現代球墨鑄鐵是由美國國際鎳公司(INCO)青年科研人員麥里斯(K.D.Millis)于1943年4月12日研制成功的,它熔化了幾組鎳硬鑄鐵,其典型成分如表1.2所示。再通過分別添加Zr、Ce、Bi、Cu+Pb,還有兩組加Te和Co,有一組添加0.5%Mg。澆注成激冷試塊,其中加鎂的試塊不但達到了預期效果-促進形成碳化物,而且意外地發現了加鎂的鎳硬鑄鐵比加鉻的標準鎳硬鑄鐵明顯提高了韌性。一年后作了加鎂然后添加硅鐵孕育的試驗,澆注試塊制成拉仲試樣與金相試樣,發現組織中析出完整的球狀石墨,力學性能十分優異。這次實驗標志著球墨鑄鐵的正式研制成功。1948年5月7日,Gangnebin等

11、三人發表了一篇論文。該論文指出，可以通過在鐵液中添加鎂,隨后用硅鐵進行孕育處理,并在殘余鎂的質量分數超過0.04%時得到球狀石墨。他們將Ni-Mg合金加入到鐵液中的研究成果,在當時的技術上是一項重大突破。也由于有了這一突破性的進展，擁有了大規模生產球墨鑄鐵的能力。表1.2 鎳硬鑄鐵典型成分成分含量表成分含量（%）C3.35Si0.50Mn0.50Ni4.5Cr1.5（2）國內發展概況自球墨鑄鐵誕生70多年以來，球墨鑄鐵在生產，應用和研究方面都取得了迅猛的發展，我國是球墨鑄鐵發展較早也是發展較快的國家，在球墨鑄鐵領域方面處于世界較高水平，為世界球墨鑄鐵的發展做出了巨大貢獻。同時我國也是球墨鑄鐵生

12、產大國，2004年，我國球墨鑄鐵的年產量就已超過500萬噸，位居世界第一。早在1948年清華大學王遵明教授就開展了球墨鑄鐵的研究，并于1950年成功通過采用銅鎂合金沖入法成功研制出了現代球墨鑄鐵，并進行了鎳鎂、鋁鎂、鋅鎂和鉛銅做球化劑的試驗工作。王遵明.對球墨鑄鐵的一些認識,鑄工,1953,(9):5一6。50年代末，以陳熙深教授為代表的球墨鑄鐵學者就開展了當時具有國際水平的研究工作，并在1977年提出了“稀土鎂球墨鑄鐵基礎理論、基礎技術研究計劃”,之后他們分別在球化理論、石墨形貌、球墨鑄鐵基體性能等方面進行了深入的研究。 上世紀六十年代，我國的科技人員在經過了大量試驗研究后，于1964年成功

13、創造了適應我國國情的稀土鎂球墨鑄鐵，這一發明較大大改善了我國的球墨鑄鐵質量問題，也帶動了我國球墨鑄鐵的發展。十多年前，我國就通過對球墨鑄鐵的基礎冶金學、鑄造、熱處理工藝、動靜態力學性能及其影響因素、使用性能及應用范圍等做了大量 工作，并取得卓越的成績。在生產應用領域，我國球墨鑄鐵發展飛速。陳熙探.對鑄鐵初生晶時球狀石墨生成的認識,鑄工,1958,(6):6一7 相信隨著我國機床工業、能源工業、石化工業及海洋工程、汽車行業、汽車工業、航空航天及核能工業等各種工業的不斷發展，球墨鑄鐵鑄鐵鑄造技術方面的研究將會進入一個全新的發展階段，特別是鑄鐵材料的發展將面臨著一個很好的發展機遇。1.1.2球墨鑄鐵

14、的分類根據球墨鑄鐵的基體組織，可將其分為四大類：鐵素體球墨鑄鐵、珠光體球墨鑄鐵、混合基球墨鑄鐵和等溫萍火球墨鑄鐵。圖1.1為2006年國內球墨鑄鐵年產率，如圖所示,鐵素體球墨鑄鐵產量約占國產球墨鑄鐵件總產量的60%，鐵素體/珠光體混合基球墨鑄鐵約占總產量的20%，珠光體球墨鑄鐵產量約占總量的15%，等溫淬火球墨鑄鐵占約5%。鐵素體球墨鑄造鐵凝固形貌及力學性能研究窗體底端圖1.1 2006年國內球墨鑄鐵年產率（1）珠光體球墨鑄鐵:較高的強度、硬度及韌性,與45號鍛鋼相比,更優良的屈/強比和更低的缺口敏感性,良好的耐磨性。特別適合于制造承重載荷及摩擦磨損的零件。（2）鐵素體球墨鑄鐵:較高的塑性和朝

15、性,較低的強度。在一些受力較大而又要求耐沖擊的零件上應用較多,比如汽車底盤及農機部件。（3）混合基體型球墨鑄鐵:有較好的強度和初性的配和,多用于制造汽車、農用機械、冶金設備和柴油機中的一些部件。球墨鑄鐵中碳元素擴散系數的計算及分析窗體底端1.1.3球墨鑄鐵的基體組織球墨鑄鐵的性能與其組織緊密相關。影響性能的組織因素有三方面：石墨球的形態、大小數量和分布；基體組織如鐵素體、珠光體、馬氏體和貝氏體等的數量、大小、形態和分布;脆性相(滲碳體與磷共晶)數量、大小、形態和分布。如表1.3，分析了不同牌號的球墨鑄鐵，列出來他們的主要基體組織及其機械性能。表1.3 球墨鑄鐵的牌號和機械性能牌號主要基體組織抗

16、拉強度（MPa）屈服強度（MPa）伸長率（%）布氏硬度（HBW）QT350-22L鐵素體35022022160QT350-22R鐵素體35022022160QT350-22鐵素體35022022160QT400-18L鐵素體40024018120-175QT400-18R鐵素體40025018120-175QT400-18鐵素體40025018120-175QT400-15鐵素體40025015120-180QT450-10鐵素體45031010160-210QT500-7鐵素體+珠光體5003207170-230QT500-5鐵素體+珠光體5503505180-250QT600-3珠光體+鐵

17、素體6003703190-270QT700-2珠光體7004202225-305球墨鑄鐵的組織為金屬基體和分布其中的球狀石墨，其中石墨球的體積約占全部體積的10%左右。石墨的外廓接近球形，借助掃描電子顯微鏡、深腐燭、熱氧腐燭、離子侵她等技術手段,對球狀石墨的內部結構進行觀察分析，可以發現,球體并非光潔的表面,在表面上可以看到一些凸起和凹槽,一般情況下,常規的基體組織是鐵素體和珠光體。工藝條件不同的情況下,也會出現共晶滲碳體以及晶間碳化物(包括磷共晶)。球墨鑄鐵的鑄態組織很少是單一的機體組織,一般是珠光體和鐵素體的混合組織。通過控制工藝條件,比如加入某些合金組織、熱處理等,以達到改變各組織間含量

18、比的目的,從而獲得組織單一的鑄件,或是貝氏體、馬氏體、奧氏體鑄件。鑄態組織中的珠光體是層片狀的,其層片間距因鑄件冷卻速度的不同而有差別。冷速越大,珠光體的層間距較小。此外,外加一些合金元素也會起到細化珠光體的作用,比如銀、銅等元素。鐵素體在球墨鑄鐵中主要有兩種狀態,環狀鐵素體和塊或網狀鐵素體。如圖1.2所示，其中環狀鐵素體是由于在凝固過程中,球狀石墨周圍由于擴散作用,碳元素吸附在石墨球表面形成低碳區,從而形成環繞石墨球的鐵素體,也就是俗稱的“牛眼”，而塊或網狀的鐵素體分布在珠光團中間,一部分是先共析相,一部分是共析轉變的產物。圖1.2 鐵素體組織金相照片在實際生產條件下,由于碳當量低、孕育不充

19、分或其他原因,基體中會有共晶滲碳體出現。實際生產中,在不同的過冷度下,鐵水連續地分別進行亞穩定和穩定共晶反應形成滲碳體與石墨和珠光體共存的組織。這些組織以條塊狀、魚骨狀等各種形態存在。球墨鑄鐵中微量合金元素的存在,使得禱件的基體組織發生變化。1.1.4球墨鑄鐵的機械性能球墨鑄鐵具有優良綜合機械性能,其抗拉強度高達16OOMPa，延伸率可到達1-20%,沖擊韌性可達到150J/cm2。表1.4列出了球墨鑄鐵和其它一些鋼鐵材料機械性能的對比。從表1.4可以看出,球墨鑄鐵的機械強度和塑性超過一般的灰鑄鐵和可鍛鑄鐵。其靜載荷的機械性能可達到或接近于碳鋼或合金鋼的水平。球墨鑄鐵的缺口敏感性比鋼低,吸震性

20、也優于鋼,其耐磨性不僅優于碳鋼,而且還優于某些合金鋼。此外,特種球墨鑄鐵還具有耐磨、耐熱、耐酸、耐堿等優良使用性能,可以用來代替一部分特種鋼、合金鑄鐵及有色金屬,由此可取得良好的經濟效益和社會效益。鑄態鐵素體低碳球墨鑄鐵的研究窗體底端表1.4球墨鑄鐵與其他鋼鐵材料機械性能的對比抗拉強度（MPa）屈服強度（MPa）抗壓強度（MPa）彎曲疲勞強度（MPa）彎曲沖擊值（MPa）延伸率（%）硬度（HB）鑄態球鐵500-1600400-600850-1250250-300351-6220-280退火球鐵400-550350-450-150-200558-24140-180灰鐵（片狀石墨）220-900-

21、100050-1005-180高級鑄鐵（細片狀石墨）300-450-1000-1400-5-15-225可鍛鑄鐵（團絮狀石墨）370-600190-310350-600140-20050-1702-10110-150鑄鋼（正火）380-600180-280350-550130-150400-2008-20140-170結構鋼（St.52）520-640340380-600300-32050-20018-22140-17040Cr850-1100650-700-340-38080-1308-20240-29018CrMoTi1000-1200800-950-55080-15010-17310-3

22、50（1）耐磨性 球墨鑄鐵是良好的耐磨和減磨材料。由于金相組織中含有較多的球狀石墨，耐磨性優于同樣基體的灰鑄鐵、碳鋼以及低合金鋼。石墨本身就是一種良好的潤滑劑，在摩擦運動過程中，從基體上提前磨損脫落下來，起到了良好的潤滑，大大減輕了材料的磨損。同時，石墨脫落掉后，形成微觀小凹坑，儲存了足夠的潤滑油，也大大減輕了材料的磨損。小功率內燃機曲軸、齒輪等，該種曲軸的耐磨性、承過載荷性能等均優于45號正火鍛鋼制造的曲軸；空壓機等用球墨鑄鐵代替鋁合金，使用壽命基本相同，價格卻下降很多，存在很明顯的經濟效益。（2）凈荷載性能1.硬度：各種球墨鑄鐵低溫下有很好的硬度，但在540開始粒狀化，高于650開始分解，

23、硬度開始下降并逐漸接近鐵素體球墨鑄鐵的硬度。球墨鑄鐵的硬度主要取決于基體組織，而且與抗拉強度、延伸率等凈荷載性能有相應的關系。2.強度和塑性：球墨鑄鐵的強度和塑性主要取決于基體組織，強度是碳鋼的70-90%。球狀鑄鐵與灰鑄鐵相比，具有較高的強度和韌性，因其自身石墨球的潤滑作用，經常代替鋼應用在較高要求的場合，如內燃機曲軸、缸套、活塞等。（3）耐熱性耐熱性主要體現在兩個方面，一是化學成分，二是石墨形態。球墨鑄鐵中的石墨彼此分離，與灰鑄鐵相比，可阻礙高溫下氧的擴散。因此球墨鑄鐵的抗氧化性和抗生長性均優于灰鑄鐵，也由于可鍛鑄鐵。鐵素體球墨鑄鐵的高溫抗生長性優于珠光體球墨鑄鐵，450以下時球墨鑄鐵中珠

24、光體穩定存在，超過此溫度時珠光體粒狀化，溫度繼續升高，石墨化引起體積膨脹。球墨鑄鐵質量檢測過程研究鑄鐵的抗氧化性主要取決于氧化膜中次氧化層的成分與結構，而這又由鑄鐵中改善氧化性的合金元素的含量決定。鑄鐵在氧化初期，表面及其附近的微量稀土首先迅速氧化，形成內氧化區，通過彌散硬化作用使表面強化，從而避免了合金表面卷旋氧化皮和基體起伏的發生，提高模具基體與氧化皮之間的粘附性及氧化膜與基體間的結合強度。鐵素體球墨鑄鐵的高溫抗生長性由于珠光體球墨鑄鐵。提高硅含量或鋁含量可改善球墨鑄鐵的抗氧化性及耐熱性。另外，由于硅和鉻能形成連續致密的氧化膜，可覆蓋在材料的表面，阻礙氧進一步擴散到材料的內部，從而與內部的

25、元素發生氧化反應。由于石墨的存在，鑄鐵的氧化比鋼更復雜。石墨形態不同，氧化過程也不同，對鑄鐵抗氧化性的影響也不同。球鐵的氧化速率最小，但因其導熱性較差，鑄件不能快速凝固，從而降低了生產率。而蠕鐵的氧化性次之，但好于灰鐵，且導熱性由于球鐵。太原理工大學張金山等借助于冷鐵的作用，使型腔表面激冷層形成球狀石墨，而其余部位形成蠕蟲狀石墨，把耐熱性與導熱性協調為一體。（4）低溫性能隨溫度降低，球墨鑄鐵逐漸發生由韌性向脆性的轉變，尤其在脆性轉變溫度以下，沖擊值急劇下降。同時，屈服強度提高，延伸率下降，對應力集中的敏感度明顯增加，表現為屈服以后變形量很小即斷裂。對于常溫下塑韌性較好的鐵素體球墨鑄鐵，低溫下抗

26、拉強度提高。熱浸滲鋁技術則可以很好地解決球墨鑄鐵基體由于工作高溫而產生的不利影響。1.1.5球墨鑄鐵表面改性（1）激光相變硬化激光淬火技術又被稱為激光相變硬化，這是一種利用將聚焦后的激光束照射到材料表面，使其快速升溫到相變點溫度以上，當激光束移開后，又由于內層材料的快速導熱能力，使得材料表面迅速冷卻，使其快速冷卻到馬氏體相變點一下，從而可以獲得淬硬層。該技術可以在剛、鑄鐵模具和零件表面形成較硬的耐磨涂層。激光淬火可以使工件表層0.11.0mm范圍內的組織結構發生明顯變化，如圖1.3所示，這是灰鑄鐵在表面激光淬火區的截面低倍形貌。圖1.3灰鑄鐵在表面激光淬火區的截面低倍形貌激光硬化的主要優勢有：

27、1.加工過程一般不需要使用外部冷卻液2.容易實現在線過程監控和控制3.被加工的零件產生的形變較小4.容易與柔性較高的自動化過程集成5.可以對零件的部分表面進行硬化以及形成硬化花樣（2）激光表面熔凝處理激光表面熔凝處理事宜一定功率的激光照射在樣品上，是表層鑄鐵熔化，同時在未熔鑄鐵基體的快速冷卻作用下，金屬表面由外而內形成組織和性能均異于原始基體的熔凝層和相變層，一般稱為激光熔凝處理。而且對于尺寸較小、幾何形狀較復雜的零件，采用傳統的涂層方式加工時，容易引起零件尺寸的變化或形變，與之相比，采用激光表明熔凝處理技術則有著更大的優勢。（3）激光表面淬火表面淬火的方法有很多，一般是高頻感應加熱淬火和火焰

28、加熱淬火、激光加熱淬火。將球墨鑄鐵件表面加熱到900左右，保溫一定時間后，表面組織會實現全部奧氏體化，此時進行油冷或熔鹽中冷卻實現表面淬火，然后在300溫度下加熱保溫回火，使表面組織轉化為回火馬氏體以及殘余奧氏體，表面組織中的石墨形態保持不變。（4）激光熔覆激光熔覆是利用高能密度的激光束，將通過輸送裝置的金屬粉末或事先預置于基體上的涂層熔化，在基體上形成熔池。在光束通過后，熔化金屬( 包括涂層材料和部分基體材料) 快速凝固后與基體冶金結合，形成單道熔覆，并通過多道搭接，在基體上建立一定體積范圍的熔覆層。由于只在基體表面熔覆很薄的一層涂層，就能達到在低成本鋼板上制成高性能表面的目的，從而代替了用

29、貴重、稀有金屬材料制作的高級合金，降低了能源和資源消耗。因為基體材料的良好的導熱性能，從而產生極高的冷卻速度，使熔覆層快速凝固結晶。不但產生高結合強度冶金結合，而且還獲得均勻細小的顯微組織，由此獲得具有非常優異的力學性能和耐磨、耐蝕性能的表面。（5）納米復合涂層處理納米復合涂層處理是在在球墨鑄鐵件表面涂覆一層含有納米材料的復合涂層，復合涂層具有較強的耐磨性和潤滑性，同時還具有高熱穩定性和耐腐蝕性，涂層為多層復合，也就使得涂層和基體結合力及涂層的韌性非常高，大大提升了零件的疲勞抗力，還能使球墨鑄鐵件表面具有納米材料的優異特性和復合涂層的力學性能，也大大延長了零件的使用壽命。目前添加的納米顆粒主要

30、是納米碳化物、納米氮化物、納米氧化物、納米金屬、納米合金等。1.2激光重熔技術金屬的激光表面改性技術是20世紀70年代中期才發展起來的高新技術,它將現代物理學、計算機、材料科學、先進制造技術等方面的成果和知識進行有機結合,不僅能夠實現金屬材料的表面強化,還能實現低等級材料的高性能表層改性,達到零件低成本與產品表面高性能的最佳組合,為解決整體強化和其它表面強化工藝難以克服的矛盾提供了可能,并對重要構件材質與性能的選擇和匹配、設計和生產過程產生重大的有利影響。該技術主要利用激光具有的高亮度、高方向性和高單色性的特點。激光能夠產生1012W/cm2的能量密度,遠遠高于傳統的火焰表面處理和感應表面淬火

31、時獲得的能量密度。當高能量密度的激光作用在金屬表面時,金屬表層和所吸收的激光進行光熱轉換,由于光子穿透金屬的能力較弱,只能使金屬表面較小范圍內的溫度在微秒、甚至納秒級的時間內達到材料的相變或熔化溫度。當激光離開后,金屬表面的高溫區將快速冷卻。根據表面需要的性能指標,可以選擇合適的工藝方法和工藝參數,以控制金屬表面的組織變化和性能。如檄光相變硬化和沖擊強化主要用于金屬材料的表面硬化處理，而激光重熔技術主要用于改善表面的微觀組織,提高產品表面的耐磨性能和抗腐蝕性能,而激光熔覆和合金化是不同成分的合金元素與基體混合以形成新的合金化表層。激光表明改性方法很多，參照 D.S.Gnanamuthu 的分類

32、方法，將金屬表面的激光改性方法進行分類，如圖 1.3 所示。 圖1.4 激光表面改性處理方法分類1.2.1激光重熔的研究發展方向激光重熔的概念是最近幾年才提出來的一個名詞。過去的二十年來，激光重熔的概念一直是依附于激光熔覆的概念之上的，直到現在，在大量的著作中還沿用預置式的激光熔覆這一說法。激光重熔近年來發展快速，但是由于其影響參數很多，實驗條件不成熟等原因，仍存在很多問題，這些問題也限制了重熔技術的進一步發展和應用，今后的發展方向大致有以下幾個方面。 （1）合理設計涂層材料，優化工藝。這一步主要是對熱噴涂的研究，包括涂層與基體涂覆結合層，噴涂前后對涂層進行熱處理，以及噴涂設備的穩定以保證涂層

33、厚度均勻、成分均一，再進行激光重熔的研究。看看二者如何才能達到最優配合，以期提高重熔層的性能，這也是走向工業應用的前提。（2）研究激光重熔對基體材料的熱應力和開裂傾向。目前已有不少研究者開展了這方面的研究。只有對激光重熔過程產生的熱應力有正確的認識和理解，通過一定的工藝控制，才能避免產生合金層裂紋的產生，拓寬激光重熔的應用。（3）解決與大功率激光器配套系列裝置的工藝穩定性問題。目前激光器存在輸出功率不穩定、多道搭接中任兩道重熔間隔時間不易控制、工作臺操作比較麻煩，以及光斑直徑的測量存在一定的偶然性等問題。 1.2.2激光重熔的特點作為激光表面改性的重要技術之一,激光重熔技術引起了學者們的極大關

34、注。激光重熔也稱激光熔凝,是將激光束加熱工件表面至熔化到一定深度,然后自冷使熔化區域凝固,獲得較為細化均質的組織和所需要的表面改性技術。其主要特點有：（1）表面熔化時不添加任何合金元素,重熔層與基體材料是天然的冶金結合。（2）在激光重熔過程中,可以排除雜質和氣體,同時因急冷時進行重結晶,可以獲得具有較高硬度、耐磨性和抗腐蝕性能的組織。（3）其熔化層較薄,熱作用區小,對表面粗糙度和工件尺寸影響不大,有時可以不需要后續的磨光而直接使用。（4）表面重熔層深度遠大于激光非晶化。澎光重熔層的組織取決于基體金屬材料。對于鐵基合金、欽基合金等可以發生固態相變的材料,激光作用區的重熔組織由三層組成:表面熔化區

35、、沙:表層的固態相變區和內層的過渡區。而不能發生固態相變的合金如鎳基合金、奧氏體不銹鋼等材料的熔化組織則只有一層熔化區。 由于激光重熔后的工件通常不進行后續的磨光而直接使用,因此對重熔處理后的表面質量有所要求。在激光重熔處理時,熔化區形成的溫度梯度很大,導致在表層形成很高的應力梯度和熔體的環流運動。如在鐵的熔體中環流的運動速度可達150mm/s。熔體內部壓力的變化需要相應的補償,它由熔池表面的彎曲來完成的,從而影響了表面的形貌。為了保證工件表面的形貌和尺寸,主要從以下幾個方面進行控制:（1）選用最佳的激光重熔工藝參數和工藝方法。在激光重熔的工藝參數中,對表面形貌的顯微起伏影響最大的是激光功率密

36、度。連續重熔處理時,功率密度宜應在5×103W/cm2至5×104W/cm2之間。同時,為了獲得最佳的表面形貌,應采用較低的掃描速度。這樣的激光參數可以使熔池中的環流分解成許多小的旋渦,從而降低表面的彎曲程度。（2）工件設計加工時,由預留加工余量來補償原始表面顯微硬度的下降量。在熔池中加入能減小流體速度的專用添加劑,是改善表面形貌的有效途徑。但如果因激光工藝參數不當造成表面形貌嚴重損壞,并需要進行后續的磨光處理,則失去了激光重熔處理的意義。這不僅增加了產品的制造成本,更重要的是失去了具有良好耐磨性能的重熔層。1.2.3激光重熔工藝參數的選擇 激光的工藝參數的選擇直接影響到噴

37、射電鍍層激光重熔的性能，而且激光功率、掃描速度、光斑大小等工藝參數之間的相互匹配也至關重要。據資料表明激光重熔的工藝參數分別對于激光重熔層深度的影響如下： (1)激光功率的影響是至關重要的，它正比于激光重熔層的深度。當其它條件一定時，激光功率越大，所獲得的激光重熔層就越深，或者在要求一定深度的情況下可獲得面積較大的重熔層。同時，對于在相同激光功率條件下，光束的模式和激光功率的穩定性都對激光重熔有著影響。 (2)掃描速度直接反映了激光束在材料表面的時間。在激光功率密度一定、其它條件相同時，掃描速度越低，激光在材料表面作用的時間就越長，溫度就越高，材料表面就越容易熔化，重熔層深就越大；反之，掃描速

38、度越快，重熔層就越薄。 (3)在相同光斑尺寸的情況下，工件表面處于焦點內側或焦點外側對重熔質量也有影響。選擇焦點外側更為方便。光斑尺寸的大小直接影響重熔層帶寬，同時在相同激光功率和掃描速度條件下，光斑尺寸越大，功率密度越低，重熔層越淺。反之，光斑尺寸越小，功率密度越高，重熔層越高。 激光重熔過程中溫度場的分布決定了重熔層的情況，因此，為了獲得激光工藝參數對重熔層的性能的影響關系，必須研究工藝參數對噴射電鍍重熔層的溫度場分布規律的影響。在確定激光重熔工藝參數時，首先要分析被加工零件的材料物性、使用條件、服役工況，以便明確技術條件、產品質量要求，從而決定重熔工藝種類和重熔層的硬度、深度、寬度，并由

39、此考慮選用激光掃描的方式和位置等。其次，根據工件的形狀、特點，參考已做過的試驗預定工藝參數范圍，再根據三個參數的實驗對比，選出符合產品質量要求的最佳工藝，通過驗證后再行確定。 總之，確定工藝參數是一個復雜的過程，必須經過充分、周密地實驗和論證，從最終的綜合效果來選擇確定。1.3球墨鑄鐵表面激光重熔用激光表面加工的手段進行材料表面改性,諸如激光表面重熔, 合金化,涂覆,陶瓷化等等,都是通過控制近表層的化學組分和顯微結構來達到的。通過對符合鐵碳合金相圖的穩定相鑄鐵組織表面進行激光快速熔凝,可以產生亞穩態的奧氏體加滲碳體結構。熱影響帶厚度也由于光束的高能量密度而減小到最小。這種表面的性質與其基體材料

40、相比,無論在抗疲勞、抗腐蝕 、耐磨性等各個方面的優越性使得激光加工已在工業生產中得到了廣泛的應用。合金鑄鐵由于它們的可鑄造性能, 以及它們的良好的可加工性,被廣泛應用于許多領域。片狀石墨球墨鑄鐵是它們的典型代表。在過去的十幾年中, 對于鑄鐵表面激光重熔后的組織形貌及性能的研究已有大量的報道。例如有的文獻報道了利用連續波 CO2激光器對鑄鐵進行表面重熔的研究。利用大功率脈沖激光器對鑄鐵進行表面重熔 ,以及對多道掃描產生的結構變異的機理的討論也已見報道。球墨鑄鐵表面激光淬火可以獲得一定厚度的淬硬層,使表面具有淬火馬氏體、殘余奧氏體與石墨的混合顯微組織,對提高有潤滑表面 的耐磨性有較顯著的效果。如圖

41、1.3為球墨鑄鐵熔池區500倍下金相形貌。的當激光作用線能量密度較高時,在石墨與基體界面還會產生部分熔化,結晶后形成白口鑄鐵區,從而改變表面強化機制,獲得相應的表面性能。由于激光加熱速度快,有時甚至超過材料的導熱速度,同時激光加熱區域一般很小,因此激光重熔或淬火具有快速加熱和快速冷卻的特性,導致材料相變具有顯著的不均勻性,將影響球墨鑄鐵激光表面處理后的性能。因此研究激光作用于球墨鑄鐵后的相變特性與相變條件有重要的實際意義。 圖1.5 球墨鑄鐵熔池區金相形貌 500×1.4實驗的目的和意義當前球墨鑄鐵雖然由于自身良好的機械性能，其應用范圍已經十分廣泛，但由于許多領域都要求工件表面要具有

42、高硬度、耐磨性、耐高溫等性能, 如一些閥門的閥座、大型機床的導軌等，這些要求一定程度上限制了球墨鑄鐵的應用范圍。而激光重熔工藝處理可以改善球墨鑄鐵的表面性能，激光重熔可以在球墨鑄鐵表面獲得高硬度、高耐磨性和高溫性能的改性層，因此對這類工件進行激光重熔處理,獲得具有所需性能的球墨鑄鐵材料，便具有重要的實際意義。例如白口鑄鐵具有較高的硬度和耐磨性，但由于它的脆性大，使其在應用上具有極大的限制 ,而球墨鑄鐵具有足夠的韌度、良好的鑄造成型性，再經過激光重熔后又能獲得高硬度與高耐磨性的表層，這一技術大大拓寬了球墨鑄鐵鑄件的應用領域。隨著時代的發展，激光重熔技術的不斷進步，用激光重熔技術進行材料表面改性，

43、是解決資源浪費、環境污染和廢舊裝備翻新改造的有效途徑之一，是符合國家可持續發展戰略的一項綠色系統工程。 2實驗材料及方法2.1實驗材料實驗用主要材料為鑄態珠光體基底球墨鑄鐵，見圖2.1 圖2.1鑄件試樣示意圖2.2實驗儀器恒溫干燥箱、研磨罐、超聲波清洗機、光釬激光器、DK7763型電火花數控線切割機床、鑲嵌機、金相試樣預磨機、拋光機、砂紙、HXD-1000TM/LCD自動轉塔數顯顯微硬度計和VHX-600K超景深三維數碼顯微分析儀。2.3實驗過程2.3.1線切割切割材料為圓棒狀珠光體球墨鑄鐵，用電火花線切割機切割為直徑50毫米，厚度10毫米的圓片狀試樣，清洗油污，烘干后備用。 電火花線切割機（

44、Wire cut Electrical Discharge Machining簡稱WEDM），屬電加工范疇，是由前蘇聯拉扎林科夫婦開創和發明了電火花加工方法。線切割機也于1960年發明于前蘇聯，我國是第一個用于工業生產的國家。其基本物理原理是自由正離子和電子在場中積累，很快形成一個被電離的導電通道。在這個階段，兩板間形成電流。導致粒子間發生無數次碰撞，形成一個等離子區，并很快升高到8000-12000的高溫，在兩導體表面瞬間熔化一些材料，同時，由于電極和電解液的汽化，形成一個氣泡，并且它的壓力規則上升直到非常高。然后電流中斷，溫度突然降低，引起氣泡內向爆炸，產生的動力把溶化的物質拋出彈坑，然后

45、被腐蝕的材料在電解液中重新凝結成小的球體，并被電解液排走。然后通過NC控制的監測和管控，伺服機構執行，使這種放電現象均勻一致。其工作原理是繞在運絲筒上的電極絲沿運絲筒的回轉方向以一定的速度移動，裝在機床工作臺上的工件由工作臺按預定控制軌跡相對于電極絲做成型運動。脈沖電源的一極接工件，另一極接電極絲。在工件與電極絲之間總是保持一定的放電間隙且噴灑工作液，電極之間的火花放電蝕出一定的縫隙，連續不斷的脈沖放電后切出所需形狀和尺寸的工件。2.3.2激光重熔激光重熔前先用砂紙磨去基體氧化層，然后進行清洗工作，去污劑浸泡，鋼絲刷擦拭，水沖洗，無水乙醇浸泡超聲波清洗，烘干，再用砂紙將樣品磨平，烘干，備用。利

46、用輸出功率為5KW的HL-5000型CO2激光器進行激光重熔，光斑直徑為5mm，掃描速度為6mm/s，離焦量55mm，功率分別為1.5KW、2KW、2.5KW。為了保護熔池不發生氧化，從側面向熔池內通入惰性氣體氬氣。高功率CO2激光器時目前工業應用中常用的氣體激光器之一。實驗所用的CO2激光器發射的光波波長為10.6微米。CO2激光器具有功率密度大、運行成本低、轉換效率高、既能連續輸出又能脈沖輸出等優點。當今的氣體激光器由于放電方向、氣體流動方向和光軸方向的相互位置不同，又分為橫流CO2激光器和軸流CO2激光器。光的發射發生在線性CO2大分子的兩種振動狀態之間的過渡區。分子受激進入激光能級是通

47、過電子碰撞、或者常常是通過與震動激勵的N2分子碰撞完成的，這些N2分子時為了提高泵浦的效率而滲入的。為了達到較好的冷卻效果以及對低泵浦能級進行抽空，還常常加入一些氦氣。這些混合氣體位于諧振器的兩個反射鏡之間，那里的氣壓低于正常大氣壓（100250hPa）。商品化的CO2激光器所能達到的電光效率為5%15%。2.3.3金相制備（1）線切割 切割樣品為直徑50毫米，高度10毫米的珠光體基底球墨鑄鐵，用電火花線切割機切割為合適的尺寸。（2）鑲嵌一般情況下，如果試樣大小合適，則不需要鑲樣，但試樣尺寸過小或形狀極不規則者，如帶、絲、片、管，制備試樣十分困難，就必須把試樣鑲嵌起來。鑲嵌分冷鑲嵌和熱鑲嵌二種

48、。目前一般多采用塑料鑲嵌。鑲嵌材料有熱凝性塑料(如膠木粉)、熱塑性塑料(如聚氯乙烯)、冷凝性塑料(環氧樹脂加固化劑)及醫用牙托粉加牙托水等。這些材料都各有其特點。膠木粉不透明，有各種顏色，而且比較硬，試樣不易倒角，但抗強酸強堿的耐腐蝕性能比較差。聚氯乙烯為半透明或透明的，抗酸堿的耐腐蝕性能好，但較軟。用這兩種材料鑲樣均需用專門的鑲樣機加壓加熱才能成型。金相試樣鑲樣機主要包括加壓設備、加熱設備及壓模三部分。對溫度及壓力極敏感的材料(如淬火馬氏體與易發生塑性變形的軟金屬)，以及微裂紋的試樣，應采用冷鑲、洗滌后可在室溫下固化，將不會引起試樣組織的變化。環氧樹脂、牙托粉鑲嵌法對粉末金屬，陶瓷多孔性試樣

49、特別適用。電解制樣時，可加入銅粉等金屬填料以產生導電性，還可加入耐磨填料如Al2O3等來增加硬度及耐磨性，保持試樣的邊緣，填料一般在制樣前加入到壓鑲塑料中去。機械鑲嵌法，適用外形比較規則像圓柱體，薄板等。拋光（1）粗磨。粗磨的目的是為整平試樣，并磨成合適的形狀。金相試樣的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是應盡可能減少表層損傷。每一道磨光工序必須除去前一道工序造成的變形層(至少應使前一道工序產生的變形層減少到本道工序產生的變形層深度)，而不是僅僅把前一道工序的磨痕除去；同時，該道工序本身應做到盡可能減少損傷，以便于進行下一道工序。最后一道磨光工序產生的變形層深度應非常淺，保證能

50、在下一道拋光工序中除去。（2）精磨。精磨的目的是消除粗磨時留下的較深的磨痕，為下一步拋光打好基礎。精磨通常是在砂紙上進行，砂紙分水砂紙和金相砂紙。通常水砂紙為SiC磨料不溶于水，金相砂紙的磨料有人造剛玉、碳化硅、氧化鐵等，性均極硬，呈多邊棱角，具有良好的切削性能，精磨時可用水作潤滑劑進行手工濕磨或機械濕磨，通常使用粒度為150、600、800、1000、1200水砂紙進行磨光后即可進行拋光，對于較軟金屬，應用更細的金相砂紙磨光后再拋光。 手工操作的砂紙濕磨，砂紙朝外向下傾斜(從操作者方向看)，粘貼在平板玻璃上磨制時，將試樣磨面平后在砂紙上，直線向前推退回時離開砂紙，這種反復進行，直到

51、舊的磨痕全部消失，在整個磨面上得到方向一致均勻的新磨痕邊止，每換一道砂紙之前，必須先用水洗去樣品和手上的砂粒，并擦干，然后將試樣旋轉90°在次級砂紙上磨制。使用時流動的水不停地從砂紙表面流過，及時地把絕大部分磨屑和脫落的磨粒沖走。這樣在整個磨光操作過程中，磨粒的尖銳棱角始終與試樣的表面接觸，保持其良好的磨削作用。濕磨法的另一優點是，水的冷卻作用可以減少磨光時在試樣表面產生的摩擦熱，避免顯微組織發生變化。整個磨光工序可以在同設備上完成。除此以外還可以采用機械磨制將不同粒度的碳化硅砂紙分別置于邊緣略有突起放了一些水的電動轉盤上，則隨著轉盤轉動，砂紙下面的水被甩出，砂紙被吸附在轉盤上，即可

52、進行機械濕磨，磨光效率能進一步提高。轉盤式金相預磨機，使用時用水作潤滑劑和冷卻劑，在預磨機上先后用150號砂紙進行磨光，磨光時打開水管冷卻，水流不宜過大，而樣品摩擦方向不變直至劃痕為均勻統一方向，然后變換方向90°換600號砂紙繼續磨，依次進行800、1000、1200號砂紙磨光。（3）拋光。拋光的目的就是要盡快反磨光工序留下的變形層除去，并使拋光產生的變形層不影響顯微組織的觀察。拋光與磨光的機制基本相同，即嵌在拋光織物纖維上的每顆磨粒可以看成是一把刨刀，根據它的取向，有的可以切除金屬，有的則只能使表面產生劃痕。由于磨粒只能以彈性力與試樣作用，它所產生的切屑、劃痕及變形層都要比磨光時細小和淺得多。 拋光操作的關鍵是要設法得到最大的拋光速率，以便盡快除去磨光時產生的損傷層，同時要使拋光產生的變形層不致影響最終觀察到的組織，即不會產生假